淺談地源熱泵技術的應用

楊 勇

廈門市閩工工程設備安裝有限公司（361000）

淺談地源熱泵技術的應用

楊 勇

廈門市閩工工程設備安裝有限公司（361000）

針對目前地熱供暖應用的現(xiàn)狀,介紹了一種新的環(huán)保節(jié)能的空調方式和技術，由于其節(jié)能、無污染、效率高等特點，剛一出現(xiàn)就受到業(yè)界的廣泛關注并得到迅速發(fā)展。這里結合地源熱泵中央空調設計實踐，從地源熱泵原理、負荷設計、空調設計方案等幾個方面進行分析。

地埋熱泵；中央空調系統(tǒng)；技術

1 工程概況

某辦公樓主體建筑為地上20層，設地下室1層，其中地下室車庫按六級平戰(zhàn)結合人防工程設計。該建筑總建筑面積為26 835.76 m2，其中地上建筑面積24 399.28 m2,地下室建筑面積2 436.48 m2，建筑高度為73.8 m。

2 空調室內(nèi)外設計計算參數(shù)

1）夏季:空氣調節(jié)室外計算（干球）溫度33.2℃,空氣調節(jié)室外計算（濕球）溫度26.4℃,空氣調節(jié)日平均溫度28.6℃，室外計算相對濕度最熱月平均78%，室外平均風速1.9 m/s，大氣壓力98.86 kPa。

2）冬季:空氣調節(jié)室外計算（干球）溫度-12℃，通風室外計算（干球）溫度-9℃，最低日平均溫度-15.9℃，室外計算相對濕度最冷月平均45%，室外平均風速2.8 m/s，大氣壓力102.04 kPa。

3 空調設計方案

3.1 冷熱源選擇

該辦公樓冬夏季設計計算冷熱負荷見表1。

表1 地源熱泵系統(tǒng)負荷設計參數(shù)

根據(jù)設計計算冷熱負荷，該工程共設3臺冷水機組（U1～U3），由于項目冷熱需求的不平衡性，因此以冬季制熱工況負荷選定2臺土壤源熱泵機組（U1、U2），設計工況下單臺機組制熱量為804 kW，供冷量為835 kW。土壤源熱泵夏季供冷不足部分另設1臺螺桿式冷水機組（U3），采用冷卻塔散熱，供冷量為835 kW。冷水機組具體參數(shù)見表2。

3.2 中央空調機房設計

熱泵機組及配套設備設在一層機房。機房集、分水器各一臺，地埋各系統(tǒng)集、分水器兩臺，機房集、分水器主管與機房管道連接，支管與地埋系統(tǒng)集、分水器主管連接，地埋系統(tǒng)集、分水器支管與地埋管系統(tǒng)支管連接。

3.3 中央空調冷凍水的定壓及補水

供熱空調系統(tǒng)定壓補水方式，主要有膨脹水箱定壓補水、補水泵定壓補水、氣體定壓罐結合補水泵定壓補水等。其中，膨脹水箱定壓補水是最經(jīng)濟、最簡單的方式,所以現(xiàn)在在民用建筑中大量使用，但是膨脹水箱必須設在系統(tǒng)的最高點，安裝困難，管理不方便，使高位水箱的應用受到了限制。利用補水泵連續(xù)補水定壓的系統(tǒng),其定壓裝置是由補水箱、補水泵及調節(jié)器組成，在系統(tǒng)正常運行時，通過壓力調節(jié)器作用，使補水泵連續(xù)補給的水量與系統(tǒng)泄漏量相適應，從而維持系統(tǒng)動水壓曲線的位置，但這種定壓方式，一般需連續(xù)運行，耗電大。利用壓力罐結合補水泵的定壓補水裝置在中央空調中被大量使用，它主要由補水泵、隔膜式氣壓水罐、安全閥、電接點壓力表和電磁閥組成，它的工作原理如下：當系統(tǒng)準備運行時，開啟補水泵，水被送至管網(wǎng)的同時也被送至壓力罐的水室，水室擴大并將罐內(nèi)的氣體壓縮，罐內(nèi)的壓力隨之升高，當壓力升高至最高工作壓力時（系統(tǒng)最高點和定壓點之間的高差加上3～5 mH2O），水泵停轉，系統(tǒng)已充滿水，利用壓力罐內(nèi)的壓力來維持管網(wǎng)的壓力,當系統(tǒng)運行過程中，由于系統(tǒng)漏水或水溫改變導致系統(tǒng)水體積減少時，氣壓罐內(nèi)的水室縮小，罐內(nèi)氣體膨脹，壓力降低，當壓力降低至系統(tǒng)最低工作壓力時（系統(tǒng)最高點和定壓點之間的高差加上1 mH2O），水泵開啟，系統(tǒng)進行補水。裝置中的壓力表和電磁閥均是安全保護裝置，當系統(tǒng)超壓時，可通過壓力表和電磁閥將多余的水排出系統(tǒng)。氣壓罐結合補水泵的定壓補水裝置的設備選型計算過程如下:

表2 冷水機組主要參數(shù)

1）補水泵的選擇

系統(tǒng)內(nèi)的水，當熱水或冷熱兩用時，應采用軟化水，當軟化水壓力不能直接供入水箱時，應另設水泵補水，補水泵的自動補水量可按系統(tǒng)循環(huán)水量的1%考慮,事故補水按系統(tǒng)循環(huán)水量的3%考慮，直接補入循環(huán)水泵的入口處，補水泵的揚程應按補水點與系統(tǒng)最高點的高差加上3～5 mH2O的富裕量考慮。

2）壓力罐的選擇

氣壓罐的最高工作壓力應大于補水泵的揚程。罐體的容積應按罐體內(nèi)的水容積選擇，罐體內(nèi)的水容積應按膨脹水箱的容積選擇，即罐內(nèi)的水容積應能夠容納水系統(tǒng)的膨脹量。

式中:V—膨脹罐體內(nèi)的水容積（L）；P2—系統(tǒng)在高溫時水的密度（kg/L），熱水時為熱水供水的溫度，冷水時為系統(tǒng)運行前水的最高溫度，可取35℃；P1—系統(tǒng)在低溫時水的密度（kg/L），熱水時可取20℃，冷水時為冷水供水溫度，可取35℃；VC—系統(tǒng)內(nèi)單位水容積（L/kW）之和；Q—系統(tǒng)的總能量或總熱量（kW）。

3.4 空調水系統(tǒng)與末端裝置

中央空調系統(tǒng)可以分為三類:中央空調水系統(tǒng)、氟系統(tǒng)和風系統(tǒng)。水系統(tǒng)中央空調以水為冷媒，比傳統(tǒng)氟系統(tǒng)空調更舒適。水系統(tǒng)中央空調一般用于大型建筑或大戶型住宅和別墅,主要產(chǎn)自美系品牌，以高端住宅為主。

4 地埋管換熱器系統(tǒng)設計

地下埋管換熱器是地源熱泵系統(tǒng)的關鍵組成部分，其選擇的形式是否合理，設計是否準確，關系到整個地源熱泵系統(tǒng)能否滿意要求和正常使用。土壤的初始溫度、類型、傳熱特性以及密度和濕度等是影響埋管換熱器設計的重要參數(shù)，因此做好施工場地的地層勘察和土壤熱物性測試工作非常重要。同時，建筑物全年累計的冷熱負荷通常是不均衡的。因此在埋管換熱器的設計中，必須要確定的是依據(jù)冬季熱負荷還是夏季的冷負荷來計算換熱器長度。另外，建筑物的冷熱負荷都是隨著環(huán)境溫度的變化而變化的，所以運用動態(tài)負荷計算軟件來分析建筑物的全年逐時負荷非常重要。

根據(jù)該區(qū)域的地質資料表明，工程場區(qū)松散沉積層巖性主要為黏性土、砂土（細沙、粉砂）和粉土，且分布層位較穩(wěn)定,可鉆性較好。在工程場區(qū)130 m深度范圍內(nèi)，賦存多層地下水，存在較強的地下水滲流作用，有利于地埋管換熱器的傳熱并可減弱地埋管換熱器吸放熱不平衡現(xiàn)象。該工程130 m地層導熱系數(shù)和建議取值如表3所示。

表3 地層熱物理性參數(shù)取值

地源熱泵系統(tǒng)最大釋熱量與建筑設計冷負荷相對應。包括:各空調分區(qū)內(nèi)地源熱泵機組釋放到循環(huán)水中的熱量（空調負荷和機組壓縮機耗功），循環(huán)水在輸送過程中得到的熱量，水泵釋放到循環(huán)水中的熱量。將上述三項熱量相加就可得到供冷工況下釋放到循環(huán)水中的總熱量。

4.1 熱泵系統(tǒng)吸熱量與建筑設計熱負荷對應

地源熱泵系統(tǒng)最大吸熱量與建筑設計熱負荷相對應。包括:各空調分區(qū)內(nèi)地源熱泵機組從循環(huán)水中吸收的熱量（空調熱負荷，并扣除機組壓縮機耗功）,循環(huán)水在輸送過程中失去的熱量并扣除水泵釋放到循環(huán)水中的熱量。將上述前兩項熱量相加并扣除第三項就可得到供熱工況下循環(huán)水的總吸熱量。

根據(jù)以上公式（1）和（2）可以得出最大釋熱量為2 239 kW，最大吸熱量為1 233 kW。

4.2 地埋管管徑的選擇

選擇地埋管管徑時必須滿足幾個原則:1）管道要大到足夠保持泵最小輸送功率,減少運行費用；2）管道要小到足夠使管道內(nèi)保持紊流，以保證循環(huán)液體和管內(nèi)壁之間的傳熱；3）系統(tǒng)環(huán)路的長度不要過長。地埋管的管徑選擇要考慮到按U型管的所需長度，成盤供應，以減少埋管接頭數(shù)量，所需管件能低價供應，降低工程成本。

4.3 地埋管管材的選擇

從眾多工程項目施工中得到：地埋管的管徑在Ф20 mm～Ф50 mm時，以PE80-SDR11-Ф32（GB/T 1 3663-2000）為最佳。在換熱器的換熱量小的工程中，在保證質量的條件下，盡量選用薄壁管，以提高換熱效果?？咨?00 m以內(nèi)用壁厚為2.3 mm的聚乙烯管；孔深300 m以內(nèi)用壁厚為3.0 mm的聚乙烯管。影響地耦管長度的因素有換熱器的換熱量、管的材質、土壤的結構、埋管的形式以及連接方法等。

4.4 地埋管換熱器的連接

在實際工程中，地埋循環(huán)管多為并聯(lián)連接到大直徑的集管上，連接時均采用同程回流式系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，流體有足夠的流量流過各并聯(lián)支埋管并且流程相同，因此，各埋管支路的流動阻力、流體流量和換熱量比較均勻。在該工程中，采用多個分支同程回流系統(tǒng)，再并聯(lián)成總同程回流系統(tǒng)，每個分支系統(tǒng)均有管道平衡井。

5 系統(tǒng)冷熱源方案的選擇與分析

該辦公樓工作時間為8:00～18:00，在末端裝置確定的情況下，各對比方案之間的經(jīng)濟性差異主要是系統(tǒng)冷熱源不同引起的,冷熱源一般是集中設置。根據(jù)我國能源現(xiàn)狀,確定了幾種常見的冷熱源方案，并與土壤源熱泵系統(tǒng)進行分析比較。方案1:水冷冷水機組+市政供熱。方案2:風冷螺桿式熱泵機組。方案3:地源熱泵。這里就以上三種方案的技術特點、經(jīng)濟性、環(huán)保性進行了分析比較，用以確定適合該項目的空調方案。

5.1 初投資比較

各方案初投資見表4。由表4可知，方案3地源熱泵系統(tǒng)的初投資最大,其次是方案2，方案1的初投資最小。造成土壤源熱泵系統(tǒng)初投資高于其他系統(tǒng)的主要原因是鉆孔費占系統(tǒng)比例較大，約為系統(tǒng)初投資的30%。由此可見，要降低方案3初投資主要是要降低系統(tǒng)鉆孔費用的。

表4 各個方案系統(tǒng)初投資比較

5.2 年運行費用比較

經(jīng)比較，方案1的年運行費用最高，其次是方案2，方案3的年運行費用最低。圖2為各種方案初投資及運行費用比較圖。

圖2 各種方案初投資及運行費用

5.3 投資回收年限的計算

根據(jù)動態(tài)回收期公式:

式中:P′為動態(tài)投資回收期；CI為地源熱泵系統(tǒng)比普通中央空調系統(tǒng)節(jié)省的電費；CO為地源熱泵系統(tǒng)比普通中央空調系統(tǒng)費增加的投資；ic為基準收益率,取一年期利率4.14%。從公式4和圖2中可以得出，方案3同方案1和2比較，采用地源熱泵系統(tǒng)的投資回收期為4.7或8.5年。

綜上所述，土壤源熱泵系統(tǒng)雖然室外部分比較復雜，初次投資高于普通空調系統(tǒng)，但普通空調的運行費用遠高于土壤源熱泵系統(tǒng)，一般4～9年時間就可以將增加的初次投資收回。普通空調壽命一般在15年左右,而土壤源熱泵的地下?lián)Q熱器由于采用高強度惰性材料，埋地壽命至少50年。因此，從使用壽命和運行費用來考慮土壤源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟性是高于普通空調系統(tǒng)的，鑒于機組長期運行費用的節(jié)省和國家對節(jié)能環(huán)保工程的政策優(yōu)惠，采用土壤源熱泵系統(tǒng)比較經(jīng)濟。