淺談在內(nèi)蒙地區(qū)鐵路沿線工程中地源熱泵機組的設(shè)計

趙菁 孫向利

【摘 要】本文首先針對內(nèi)蒙古地區(qū)資源氣候特點，結(jié)合地埋管式地源熱泵的工程優(yōu)越性，簡單介紹了地埋管式地源熱泵系統(tǒng)在該地區(qū)應(yīng)用的可行性。其次以李家站工程為例，簡要介紹了系統(tǒng)設(shè)計方案。最后根據(jù)工程實際情況，提出設(shè)計過程中的幾點建議和體會，以期對類似工程有一定的指導參考價值。

【關(guān)鍵詞】地埋管式地源熱泵；巖土熱物性；冷熱平衡

近幾十年來，我國科學技術(shù)飛躍進步，生產(chǎn)力迅猛發(fā)展，但也付出了資源和環(huán)境的巨大代價。特別是近幾年來頻發(fā)的“地表水污染事件”、“霧霾事件”……，使得人類對自身生存環(huán)境的重視日益加深，對可持續(xù)發(fā)展能源利用的意識不斷增強。就暖通專業(yè)而言，如何解決環(huán)境污染和能源危機問題是設(shè)計面臨的緊迫任務(wù)，因此節(jié)能減耗和環(huán)保要求是空調(diào)設(shè)計中必須考慮的首要問題。接下來結(jié)合一個實際案例，對地源熱泵系統(tǒng)在嚴寒干旱地區(qū)的應(yīng)用做一個探討。

1.工程概況

本工程位于內(nèi)蒙地區(qū)，是一條貨運專用線，線路長度約78.06km。全線共設(shè)置5個火車站。生產(chǎn)生活房屋總建筑面積約14000m2，其中生產(chǎn)房屋面積9800m2，生活房屋面積4200m2。

本工程的主要特點在于，站房平均面積不大，比較分散。而所處的地區(qū)屬典型的干旱半干旱大陸性溫帶氣候區(qū)，冬季嚴寒漫長而少雪，夏季短促炎熱?？傮w來說，降水少而集中，蒸發(fā)量遠大于降雨量，氣候干旱。

基于環(huán)保節(jié)能的要求，在考慮選用新型環(huán)保型設(shè)備的前提下，與甲方協(xié)商后設(shè)計選擇采用地埋管式地源熱泵機組，冬季采暖，夏季制冷，并提供生活熱水。

2.系統(tǒng)設(shè)計

2.1 熱源方案

地源熱泵是一種利用淺層地熱能源（包括地下水、土壤或地表水等的能量）的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能系統(tǒng)。本次設(shè)計區(qū)域由于是缺水地區(qū)，地下水資源匱乏，因此設(shè)計選用地埋管式地源熱泵。

地埋管式地源熱泵是通過垂直埋管--深層土壤的形式，利用垂直埋管獲取地下深層土壤的熱量。垂直埋管通常安裝在地下50-150米深處，一組或多組管與熱泵機組相連。在冬季，封閉的塑料管內(nèi)的防凍液將熱能傳送給熱泵，然后由熱泵轉(zhuǎn)化為建筑物所需的熱量。而夏季，把室內(nèi)的熱量取出來，釋放到地能中去。大地在整個循環(huán)中起到了蓄熱器的作用。其簡單示意如圖1：

在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取中，巖土熱物性是一項非常重要的指標。為此甲方委托北京市勘察設(shè)計院有限公司做了巖土熱物性測試報告。測量方法通過安裝熱響應(yīng)試驗測試儀和連接雙U型PE管，模擬地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器夏季運行工況。依據(jù)線熱源理論模型，通過計算獲得巖土體綜合導熱系數(shù)[1]。

根據(jù)線熱源理論公式：

Tf=Q4πλHln4αtr2-γ+QHRb+T0

以李家站為例，在場地地面以下100m，計算測得巖土體綜合導熱系數(shù)λs為2.17W/m.k。

再綜合實際工況的試驗數(shù)據(jù)，由此獲得：在制冷工況下（載熱流體的進出水溫度為 20℃/25℃），單孔地埋管單位延米換熱量 57W/m；在制熱工況下（載熱流體的進出水溫度為 3℃/7℃），單孔地埋管單位延米換熱量為 28W/m。

因此，本工程的地埋管式地源熱泵的室外埋管部分采用豎向埋管，埋管采用雙U管。各換熱孔的雙U管并聯(lián)連接到集水管，分組進入機房的分集水器。整個地埋管系統(tǒng)回路設(shè)計成同程式。

還是以李家站為例，生產(chǎn)生活房屋的冬季熱負荷為323kw，冷負荷343kw；生活熱水所需熱量為55kw。因此，在機房內(nèi)設(shè)置3臺空調(diào)地源熱泵機組，每臺機組的制冷量為211KW，制熱量為192KW，兩用一備，供應(yīng)本站區(qū)內(nèi)各個建筑物的空調(diào)采暖系統(tǒng)。另設(shè)兩臺熱水地源熱泵機組，制冷量為71KW，制熱量為60KW，一用一備，供應(yīng)生活熱水。

而在地埋側(cè)的室外地埋管換熱系統(tǒng)中，室外共鉆孔168個，孔深100米，孔徑150mm，孔間距6米，采用四管制（雙U）垂直式換熱系統(tǒng)。垂直井孔采用原漿無壓自然回填，保證室外換熱系統(tǒng)總換熱長度為16800米。

2.2 末端設(shè)備選擇

由于地源熱泵機組在當?shù)剡\行的額定工況：夏季供冷水溫度為7/12℃，冬季供熱水溫度為45/40℃。因此空調(diào)系統(tǒng)末端采用風機盤管，生活類房屋采用臥式暗裝型，車庫及庫房采用立式明裝型。室內(nèi)系統(tǒng)為二管制異程式設(shè)計，定流量運行，風機盤管采用三速開關(guān)控制。

2.3 室外熱網(wǎng)系統(tǒng)

室外熱力管網(wǎng)也同樣采用同程式系統(tǒng)，無補償直埋敷設(shè)。管材選用鋼制內(nèi)管、聚氨酯保溫層、高密度聚乙烯外護管一體的預制直埋保溫管及管件，焊接。

3.設(shè)計過程中的幾點體會

3.1 冷熱平衡

在寒冷地區(qū)采用地源熱泵系統(tǒng)最大的一個重點也是難點，在于熱平衡問題，即在有限的土體蓄熱能力下，由于嚴寒地區(qū)冬、夏季制冷供暖期時間差別過大，冬季連續(xù)從土體中取熱的總熱量，會遠遠超于夏季向土體中補熱的能量，因此土體溫度將逐年下降，導致系統(tǒng)效果變差甚至失效。

本工程位于內(nèi)蒙地區(qū)，夏季空調(diào)制冷期不足一個月，但冬季采暖期，即歷年日平均溫度等于或低于5℃的天數(shù)有卻有將近166天，取熱與放熱的總值差別太大，因此必須采取相應(yīng)的措施，如增加非供暖季的補熱系統(tǒng)，取熱后為土壤進行高效補熱，從而解決地源熱泵系統(tǒng)的土壤熱平衡問題。這樣才能在一個運行周期內(nèi)，使得冬季從土壤總吸熱量與夏季對土壤總放熱量基本平衡。

本工程采用復合型補熱機組，其原理為：在非采暖季，復合補熱機組制取低溫熱水，并通入到地埋管中將熱量傳遞給土壤，完成熱量的蓄存。由于本工程還有對生活熱水的需求，因此補熱機組還可以通過運行間歇性補熱，從而兼顧生活熱水。

復合補熱機組充分利用了室外空氣與地溫的溫差，分別利用分離式熱管和空氣源熱泵，以較低的能耗實現(xiàn)對土壤的跨季節(jié)能量蓄存。與傳統(tǒng)的補熱方式相比，復合補熱機組具有能效高、可靠性好的特點[2]。

由于本工程正在實施建設(shè)，待運營實施后，參考各項基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，才能夠更好的反映在嚴寒地區(qū)是否適合使用地埋管熱泵系統(tǒng)加補熱系統(tǒng)的空調(diào)形式。

3.2 末端設(shè)備的選擇

此次設(shè)計其熱泵機組的冬季供熱水溫度不高，且供回水溫差小，僅為45/40℃，因此在室內(nèi)末端的選擇上，筆者還是認為采用地板輻射供暖形式更為經(jīng)濟合理。

3.3 基礎(chǔ)資料獲取時間點

隨著地埋管式地源熱泵設(shè)計開展，最重要的一個基礎(chǔ)資料環(huán)節(jié)就是巖土熱物性測試。不同地區(qū)的巖土熱物性差別很大，尤其在熱物性相對低的地方，必須有實地的報告，才能確定獲得熱量的大小，才能判斷具體埋管的數(shù)量、面積。

因為牽扯到征地問題，是工程開展實施的一個重要前提，因此最好在初步設(shè)計前就能夠獲取巖土熱物性的指標。這樣，在后期的設(shè)計中，才能更好的有效地完成設(shè)備選型、征地面積以及工程概算。

參考文獻：

[1] 李家站地源熱泵系統(tǒng)巖土體熱物性測試報告 北京市勘查設(shè)計研究院有限公司. 2012年9月19日.

[2] 游田，吳偉，李炳田，石文星，王寶龍，李先庭. 基于熱管和空氣源熱泵的一體化地源熱泵復合補熱機組.第十八屆全國暖通空調(diào)制冷學術(shù)年會. 2012-1.