地埋管地源熱泵原理及在工業(yè)廠房空調(diào)工程中的應(yīng)用

沈禹 劉俊松 劉炳南

機(jī)械工業(yè)第五設(shè)計(jì)研究院國際所

地埋管地源熱泵原理及在工業(yè)廠房空調(diào)工程中的應(yīng)用

沈禹 劉俊松 劉炳南

機(jī)械工業(yè)第五設(shè)計(jì)研究院國際所

本文從地埋管地源換熱系統(tǒng),地埋管地源熱泵機(jī)組系統(tǒng)，高大廠房采用地源熱泵和集中送風(fēng)相結(jié)合的空調(diào)方式的優(yōu)點(diǎn)等三個(gè)方面闡述了地埋管地源熱泵的原理、性能和主要特點(diǎn)，特別分析了它在節(jié)能減排和改善環(huán)境狀況方面的重要作用。明確提出了工業(yè)廠房應(yīng)用集中送風(fēng)空調(diào)與地源熱泵相結(jié)合具有廣闊的發(fā)展前景。文章最后介紹了一個(gè)典型工程實(shí)例。

地埋管；地源熱泵原理；工業(yè)廠房空調(diào)應(yīng)用

引言

為了在工程設(shè)計(jì)中更好地落實(shí)國家“節(jié)能減排”方針，結(jié)合現(xiàn)有的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，本文將對(duì)地埋管地源熱泵設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)問題予以概述。

1.地埋管地源換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

地埋管系統(tǒng)屬于閉式系統(tǒng)，目前應(yīng)用較多的有兩種形式，一種是水平地埋管，形式較多，新近開發(fā)的有垂直排圈式、水平排圈式和水平螺旋式（見圖1）。

圖1

水平埋管的埋設(shè)深度較淺，一般為3～15m，雖然開挖管槽和埋管的費(fèi)用低于豎直埋管系統(tǒng)，但其占地面積大，在城市工業(yè)和民用建筑，末端冷（熱）負(fù)荷量較大的場合，限于場地有限，不宜實(shí)施。另一種為豎直直埋管，即在地面以下鉆孔，埋入U(xiǎn)形管、雙U形管、小直徑螺旋管、大直徑螺旋管，立柱狀、蜘蛛狀和套管式（見圖2）等，按埋管深度H不同分為三種，淺埋型：H≤30m，中埋型：H=30～80m，深埋型：H＞80m。

圖2

近年來在本市應(yīng)用較多的是單U型和雙U型豎直直埋管，埋深多為80～120m，管材技術(shù)要求為：

化學(xué)穩(wěn)定性好，耐腐蝕，承壓高（公稱壓力p≥1.0Mpa）；

導(dǎo)熱系數(shù)大，流動(dòng)阻力?。?/p>

工作溫度范圍不低于-20℃～50℃；

埋地部分管道不應(yīng)有機(jī)械接頭，能按設(shè)計(jì)要求成卷供貨。

目前，工程中大多數(shù)采用聚乙烯（PE80或PE-100）或聚丁烯（PB）塑料管。按性價(jià)比，聚乙烯較優(yōu)。地埋管鉆孔徑一般為110～200mm，埋管技術(shù)規(guī)格和灌漿回填料，工程技術(shù)規(guī)范均有相應(yīng)規(guī)定。

豎直直埋管的地源熱泵的性能和特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)予充分了解、分析和研究，以保障工程使用效果和可靠性。

1.1 地質(zhì)條件及其影響

豎直直埋管換熱器是由若干根植埋于地下的直埋管組成的，它是熱泵系統(tǒng)的低（高）溫?zé)嵩?，通過這個(gè)換熱器與地下介質(zhì)，主要是巖土層正常的熱交換，才能保障熱泵系統(tǒng)的正常運(yùn)行，地下巖土層的吸熱、放熱和蓄熱性能是熱泵系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的基礎(chǔ)條件，因此對(duì)地下的地質(zhì)構(gòu)造及其熱物理性能深入分析研究極為重要。

（1)豎直直埋管的地質(zhì)環(huán)境

地球主要由地殼、地幔和地核等幾大部分構(gòu)成，按照溫度的變化特征，地球表面的地殼層可分為三個(gè)帶，即可變溫度帶、恒溫帶和增溫帶。可變溫帶由地表深入到地下一定深度，由于受太陽輻射的影響，其溫度隨晝夜、年份、世紀(jì)甚至更長時(shí)間，呈周期變化，其厚度為地表以下15～20m；恒溫帶在變溫帶下面，溫度變化幅度幾乎為零，深度為可變溫帶以下20～30m。美國的國內(nèi)統(tǒng)計(jì)資料表明，無地?zé)岙惓５貐^(qū)的淺層地下水溫度， 比當(dāng)?shù)啬昶骄髿鉁囟雀?℃，即指恒溫帶溫度。恒溫帶以下為增溫帶，隨深度增加溫度升高，其熱量主要來自地球內(nèi)部釋放的熱能。增溫帶的溫度增加幅度稱地溫梯度，一般地區(qū)該梯度為3℃/100m。明顯高于這一溫度梯度的地區(qū)稱地?zé)岙惓５貐^(qū)，如火山、溫泉等，在地球上分布并不普遍。而淺層地?zé)崮芘c地表熱能具有普遍性，作為可再生能源，采用熱泵技術(shù)予以開發(fā)利用，具有廣泛前景。

豎直直埋管的埋深，通常為地下2～4m以下至200m以上，多數(shù)埋管為80～120m，主要處于地殼的恒溫帶，有時(shí)也稱常溫帶。雖其豎管有一部分埋管處于增溫帶，地下40～50m以下處于增溫帶，存在隨深度增加而上升的溫度梯度，但這個(gè)溫度梯度很小，所以按豎管總深度考慮，可以近似地認(rèn)為其主體是處于恒溫帶。

既然我們設(shè)置的豎直直埋管換熱系統(tǒng)是敷設(shè)于地下的恒溫層中，我們在夏季供冷時(shí)，將室內(nèi)余熱排放至地下存儲(chǔ)，冬季供熱時(shí)，從地下抽取熱量補(bǔ)償室內(nèi)熱負(fù)荷，那么這個(gè)換熱系統(tǒng)也是一個(gè)蓄熱器。

（2)埋管區(qū)域地下熱物性

埋管區(qū)域地下巖土層的熱物性對(duì)埋管換熱量影響非常大，在設(shè)計(jì)中充分準(zhǔn)確掌握巖土體熱物性參數(shù)非常重要，巖土體的熱物性參數(shù)包括巖土密度ρ（kg/m3）、含水率ω（%）、孔隙比Φ、比熱容Cp（J/ Kg·K）和導(dǎo)熱系數(shù)λ（W/m·℃）等。

埋管管井地質(zhì)成分不同，熱物性參數(shù)不同，其換熱量亦不同，有關(guān)資料顯示，埋入頁巖中的井深換熱量為33.79（W/m），石灰?guī)r中為39.31（W/m），砂巖中為63.78（W/m），大理石中為96.52（W/m）。

為了充分了解地埋管區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)，分析管井熱物性，設(shè)計(jì)前進(jìn)行地質(zhì)勘察是非常必要的。應(yīng)特別指出的是，國家《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB50366-2005）的2009年版對(duì)此作出了補(bǔ)充和嚴(yán)格規(guī)定，新增了巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)要求，規(guī)范將地?zé)崮苜Y源勘察列為強(qiáng)制性內(nèi)容。

（3）埋管區(qū)域地下水滲流影響

豎直埋管一般都垂直深埋，所以在其穿透的地下巖土層中，或多或少都存在著地下水的滲流，尤其是在沿海地區(qū)和地下水豐沛的地區(qū)，有的區(qū)域甚至有地下水的流動(dòng)。埋管區(qū)域地下巖土地層構(gòu)造及成分多種多樣，埋管內(nèi)以水作為熱媒或冷媒與管周圍巖土體換熱，制冷時(shí)蓄熱，采暖時(shí)從其中吸熱，埋管區(qū)域包括埋管和其周圍巖土體不但構(gòu)成一個(gè)龐大的換熱器，同時(shí)又是一個(gè)耦合的蓄熱器，考慮到地下水的滲流，則應(yīng)稱其為熱滲耦合過程的地下蓄熱器。

大量研究表明地下水滲流或流動(dòng)，對(duì)地下埋管換熱器的傳熱、蓄熱是十分有利的，它有利于減弱或消除由于地下埋管換熱器放熱不平衡而引起的熱量累積效應(yīng)，使得巖土層對(duì)于地上空調(diào)系統(tǒng)供冷、供熱隨時(shí)間和季節(jié)變化引起蓄熱量和抽吸熱量強(qiáng)度變化的適應(yīng)能力大為提高，因此，地下水的滲流和流動(dòng)對(duì)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和保持較高能效比具有重要作用。

2.地源熱泵機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 概念

這里提出的“地源熱泵機(jī)組系統(tǒng)”僅指巖土層內(nèi)豎直地埋管的地源熱泵系統(tǒng)中以熱泵機(jī)組為核心的系統(tǒng)。

工程熱力學(xué)講的熱泵概念是通過熱泵機(jī)組做功，將低溫位熱源的熱量提升到高溫位，以實(shí)現(xiàn)供熱的熱能機(jī)械。同樣的機(jī)械，通過做功，將低溫位熱源（如空調(diào)區(qū)域）的熱量提升到高溫位，向高溫位熱源排放，以達(dá)到供冷目的，則稱為制冷機(jī)。本質(zhì)上同樣的機(jī)械，都是依照逆熱力循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，卻有兩個(gè)稱謂——制冷機(jī)和熱泵。實(shí)際上，這種不同稱謂完全是由于其用途不同造成的，用作供冷稱制冷機(jī)，用作供熱稱熱泵。筆者認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一稱作熱泵。

水泵是將水從低水位提升到高水位的水力機(jī)械，熱泵則是將低溫位熱能提升到高溫位的熱力機(jī)械。這種簡單的比附形成的觀念，引導(dǎo)我們理解熱泵原理可能是有益的。但是深入分析，還應(yīng)看到二者明顯區(qū)別，水泵遵循水力學(xué)規(guī)律，其效率小于1，而熱泵則遵循熱力學(xué)規(guī)律，其效率可以大于1。

當(dāng)前應(yīng)用的熱泵有：空氣源熱泵、地下水源熱泵、地表水源熱泵、海水源熱泵、污水源熱泵和土壤（巖土層）源熱泵等多種，本文所討論的是最后一種，它與前面幾種不同點(diǎn)在于前面幾種均為“一端利用”，另“一端排空”，而只有本文闡述的熱泵是“兩端利用”的，空調(diào)季供冷，將空調(diào)區(qū)域余熱通過埋管換熱器儲(chǔ)于埋管區(qū)域巖土層中，冬季供熱，則將埋管區(qū)域巖土層內(nèi)蓄積的熱量抽吸出，以滿足供熱區(qū)域要求，這種方式與前幾種相比，不會(huì)產(chǎn)生“熱島效應(yīng)”、環(huán)境水體生態(tài)影響和地下水開采地質(zhì)影響等后果，不良環(huán)境影響很小，同時(shí)又是一種可再生能源開發(fā)利用的好方式。

2.2 節(jié)能效果評(píng)價(jià)

在供冷工況下，在由電能為動(dòng)力的壓縮機(jī)性能相當(dāng)條件下，豎直埋管地源熱泵與水冷冷水機(jī)組供冷相比，其能耗相當(dāng)，甚至相對(duì)較低，比風(fēng)冷冷水機(jī)組明顯節(jié)能。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料分析，在供熱工況下，其節(jié)能效果明顯。

當(dāng)前我國電力仍以燃煤火力發(fā)電為主，電站效率只有30%～38%，考慮輸配電損失，效率更低?？疾旃岱桨傅哪茉蠢寐?，可以采用一次能利用率（PER：Primary Energy Rate）作為指標(biāo)，即所得熱能與一次能源消耗之比，即PER等于熱泵性能系數(shù)coph與供電效率的乘積，見表1。

表1 各種供熱方式一次能源利用率

注：燃油、燃?xì)忮仩t供熱是指熱效率很高的單戶供應(yīng)型，如城市集中供熱由于管網(wǎng)熱損失和大型循環(huán)泵耗電效率會(huì)更低。

高效發(fā)電指天津?yàn)I海新區(qū)在建的北疆電廠，其發(fā)電煤耗為269g/kwh，供電煤耗288g/kwh，發(fā)電效率45.6%，且全年熱電聯(lián)產(chǎn)，年產(chǎn)淡水6570萬噸，副產(chǎn)原鹽50萬噸，節(jié)約鹽場用地22(km)2，利用粉煤灰加廢電石灰制150×104m3/a墻體材料。

2.3 進(jìn)一步提高能效的措施與展望

如在地埋管換熱器系統(tǒng)與建筑物內(nèi)系統(tǒng)間設(shè)一條連通管，在進(jìn)入空調(diào)季初始階段，不開啟壓縮機(jī)，利用地源換熱器儲(chǔ)存的冷量，補(bǔ)償室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷；在進(jìn)入采暖季初始階段，不開壓縮機(jī)，利用地源儲(chǔ)存的熱量，補(bǔ)償室內(nèi)采暖熱負(fù)荷，有利降低能耗。

選擇性能適宜且變頻性能良好的壓縮機(jī)，不但保障系統(tǒng)平穩(wěn)可靠運(yùn)行，且會(huì)獲得明顯節(jié)能效果。

完善的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)置非常必要。為積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，有利及時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行性能，應(yīng)考慮在自控系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置完善的數(shù)據(jù)記錄裝置。

現(xiàn)有資料表明，進(jìn)一步改善和提高包括工質(zhì)在內(nèi)的先進(jìn)熱泵機(jī)組研發(fā)備受關(guān)注，今后還會(huì)有更為高效節(jié)能的熱泵機(jī)組進(jìn)入市場。這將會(huì)推動(dòng)地源熱泵發(fā)展，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排”發(fā)揮重要的作用。

3.建筑物內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在高大的工業(yè)廠房內(nèi)，應(yīng)用地埋管地源熱泵，實(shí)踐說明是適宜的，這是因?yàn)椋?/p>

（1) 由于豎直埋管換熱器通常埋深為地下2.5m以下，其占地面積僅為供冷（熱）面積的15%左右，在廠區(qū)內(nèi)除重載（＞10t）車道以外的區(qū)域內(nèi)，選擇適宜位置通常并不困難。因埋管較深，對(duì)其上開辟廠區(qū)綠地，輕載道路，以及露天或半露天庫房等，通常沒有妨礙。

（2)經(jīng)多年探索研究，我院提出的“高大工業(yè)廠房集中送風(fēng)空調(diào)”技術(shù)，經(jīng)工程實(shí)踐證明是成功的。這項(xiàng)技術(shù)的核心概念為：鑒于空氣為含熱量很低的物質(zhì)，為節(jié)能不宜處理后遠(yuǎn)距離輸送，宜在空調(diào)空間現(xiàn)場對(duì)其冷卻或加熱，以補(bǔ)償相應(yīng)負(fù)荷量；在工業(yè)廠房高大空間內(nèi)，以較少空氣流量和較小能耗，在工作地帶形成一個(gè)均勻而穩(wěn)定的空氣流場是達(dá)到空調(diào)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵。

高大工業(yè)廠房集中送風(fēng)空調(diào)的關(guān)鍵設(shè)備為已研發(fā)推向市場多年的“集中送風(fēng)空調(diào)冷暖機(jī)組”，該機(jī)組空調(diào)季冷媒溫度為7～12℃，采暖季熱媒溫度為60～40℃，實(shí)踐說明，這樣的溫度要求與豎直埋管地源熱泵在其性能系數(shù)cop≥4.0的條件下，是完全可以滿足的，因此，高大工業(yè)廠房集中送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，選擇豎直埋管熱泵系統(tǒng)供冷或供熱是適宜的，也是有廣泛應(yīng)用前景的。

4.工程實(shí)例

約翰·克蘭科技（天津）有限公司是一家生產(chǎn)高壓密封件的外資企業(yè)，地處本市華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)，2008年新建廠房和辦公樓等共4200m2，空調(diào)冷負(fù)荷717kw，熱負(fù)荷503kw，另有部分熱水供應(yīng)熱負(fù)荷，空調(diào)冷媒溫度7～12℃，熱媒溫度50～40℃，采用豎直埋管地源熱泵系統(tǒng)供冷、供熱。設(shè)計(jì)方案和數(shù)據(jù)如下：

埋管豎井130口，井深100m，選擇雙U型PE32管；

熱泵機(jī)組采用2臺(tái)430kw螺桿熱泵機(jī)組和1臺(tái)50kw模塊熱泵機(jī)組；車間采用集中送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，辦公樓為帶熱回收裝置新風(fēng)機(jī)加風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，且按劃分內(nèi)外區(qū)方式設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以保障空調(diào)環(huán)境的舒適性。

該工程地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)三年運(yùn)行證明，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，廠房及辦公樓夏季室內(nèi)溫度為26℃，冬季20℃，更衣室、淋浴室冬季溫度≥25℃，生產(chǎn)廠房內(nèi)質(zhì)量控制室全年溫度16～24℃。

[1]趙軍 戴傳山主編.地源熱泵技術(shù)與建筑節(jié)能應(yīng)用.中國建筑工業(yè)出版社 ,2007年9月第一版

[2]陸耀慶主編.《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》第二版 .中國建筑工業(yè)出版社, 2008年5月出版

[3]劉俊松, 沈禹, 劉炳南, 康建華 ,張宗義.高大廠房的集中送風(fēng)空調(diào).工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究機(jī)械工業(yè)第五設(shè)計(jì)研究院出版, 2006年第二期

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.08.077