商用建筑地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

周紅婷

摘要：地源熱泵技術(shù)是利用地下的土壤、地表水、地下水的溫度，通過(guò)消耗少量的電能進(jìn)行加溫或制冷，具有高效、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)。本文根據(jù)工程案例，對(duì)地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：暖通工程;地源熱泵;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、工程概況

某建筑工程為4層的實(shí)驗(yàn)大樓，建筑面積8000㎡。本項(xiàng)目由于場(chǎng)地有限，采用垂直埋管形式的進(jìn)行地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)，埋于建筑物底下。主機(jī)的選擇上考慮采用余熱回收式地源熱泵機(jī)組和閉式冷卻塔的組合。設(shè)備的選型考慮將在下文中闡述。

二、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）地下?lián)Q熱器的設(shè)計(jì)

地埋管設(shè)計(jì)計(jì)算一般是通過(guò)專(zhuān)用軟件完成，這是由于地下?lián)Q熱過(guò)程存在復(fù)雜性，為了節(jié)約埋管費(fèi)用，對(duì)埋管數(shù)量要做到準(zhǔn)確計(jì)算，另一方面地埋管設(shè)計(jì)需要預(yù)測(cè)隨建筑負(fù)荷的變化埋管換熱器逐時(shí)熱響應(yīng)情況及巖土體長(zhǎng)期溫度變換情況。

那如果沒(méi)有購(gòu)買(mǎi)國(guó)外專(zhuān)用軟件，應(yīng)如何就算埋管的數(shù)量和埋管深度呢？以本工程為例：在地源熱泵系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)前，應(yīng)進(jìn)行工程場(chǎng)地狀況調(diào)查，并應(yīng)對(duì)淺層地?zé)崮苜Y源進(jìn)行勘察（強(qiáng)規(guī)）。根據(jù)工程勘察結(jié)果評(píng)估地埋管換熱系統(tǒng)實(shí)施的可行性及經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)本工程的巖土熱物性測(cè)試報(bào)告，得出的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算分析和測(cè)試結(jié)果，進(jìn)而得出鉆孔每延米（孔深）的換熱量參考值和建議打孔深度（當(dāng)?shù)亟ㄗh打孔深度為100～120m）。然后根據(jù)換熱參考值，施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形，以及建筑冬季冷負(fù)荷值（夏季的散熱量大于冬季的吸熱量，為保持地下熱量平衡，采用以冬季的最大冷負(fù)荷為地埋管換熱器的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。并采用冷卻塔作為輔助冷卻源。）就能計(jì)算出總的地下?lián)Q熱器樁數(shù)以及每個(gè)換熱器的樁深。

地下?lián)Q熱器的管道材料應(yīng)采用化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)大、流動(dòng)阻力小的塑料管材及管件，此次工程采用目前國(guó)內(nèi)最常用的高密度聚乙烯管道HDPE100，并采用熱熔連接。

宜采用并聯(lián)垂直式地埋管換熱器設(shè)計(jì)。上層水平干管同程設(shè)計(jì)，布置管道時(shí)，使并聯(lián)式系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)路都有相同的進(jìn)出水壓力（連接的孔數(shù)相同），以消除干管管路沿程阻力損失的影響。埋置深度宜在凍土層一下0.6m，且宜在其他管線以下。本工程因?yàn)榈芈窆苈裨O(shè)在建筑物底下，考慮到建筑物的沉降，水平干管的埋設(shè)深度為建筑物地梁以下1m。豎直埋地?fù)Q熱樁的間距大于3米，以防止埋地?fù)Q熱器相互間的換熱影響。并設(shè)集分水器，保障各個(gè)環(huán)路間在進(jìn)出口處的壓力平衡。

關(guān)于水壓試驗(yàn)應(yīng)符合《規(guī)范》規(guī)定，且回填過(guò)程的檢驗(yàn)應(yīng)與安裝地埋管換熱器同步進(jìn)行。

（二）地源熱泵主機(jī)的設(shè)計(jì)選型

目前，地源熱泵主機(jī)分為：標(biāo)準(zhǔn)型和熱回收型。又根據(jù)熱回收的原理不同，又分為：余熱回收型和全熱回收型。余熱回收型簡(jiǎn)單的原理是回收機(jī)組在工作時(shí)壓縮機(jī)所產(chǎn)生的熱能。這種熱能回收產(chǎn)生的熱品高，量少，受影響少。全熱回收型是指在冷凝器前多裝了一個(gè)換熱器，回收冷凝器的熱能。這種熱回收產(chǎn)生的熱能熱品低，受影響的因素多。

由于該棟建筑為實(shí)驗(yàn)室，導(dǎo)致建筑物某些區(qū)域需要全年供冷或供熱，夏季的制熱量需求非常少，但是需要的進(jìn)出水溫度較高，因此在主機(jī)的選型上采用余熱回收式地源熱泵機(jī)組，通過(guò)產(chǎn)品性能參數(shù)表，可以找到有一款產(chǎn)品能夠滿足設(shè)計(jì)負(fù)荷的需求，選用熱回收機(jī)組，不僅能省去新購(gòu)動(dòng)力熱源的初投資，而且也提高了機(jī)組的制冷時(shí)的COP，達(dá)到進(jìn)一步節(jié)能的作用。

本次工程選用的是：3臺(tái)余熱回收式地源熱泵機(jī)組，單臺(tái)制冷量為700kW，制熱量為720kW，預(yù)熱回收量為60kW。二用一備模式。

（三）冷卻塔的設(shè)計(jì)選型

全年冷、熱負(fù)荷平衡失調(diào)，將導(dǎo)致地埋管區(qū)域巖土體溫度持續(xù)升高或者降低，從而影響地埋管換熱器的換熱性能，降低地埋管換熱系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

本工程的夏季對(duì)巖土體的散熱量大于冬季對(duì)巖土體的吸熱量，為保持地下巖土體的熱量平衡。需要增加輔助的冷卻源，即冷卻塔系統(tǒng)。冷卻塔分為開(kāi)式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)。由于該棟建筑，在冬季同樣需要冷源的供應(yīng)，因此，本工程選用了閉式冷卻塔系統(tǒng)為輔助冷卻源。閉式塔系統(tǒng)不僅保證系統(tǒng)的循環(huán)水質(zhì)，更重要的是可以在冬季和過(guò)渡季節(jié)采用Free-Cooling模式提供冷源。不僅省去新購(gòu)動(dòng)力冷源的初投資，而且降低運(yùn)營(yíng)成本。

本次工程選用的是：2臺(tái)閉式冷卻塔機(jī)組與地埋管換熱器系統(tǒng)并聯(lián)，單臺(tái)的冷卻量為600kW。作為埋地?fù)Q熱器的補(bǔ)充冷卻源，需要時(shí)可兩臺(tái)同時(shí)運(yùn)行。

（四）水泵的設(shè)計(jì)選型

揚(yáng)程：計(jì)算最不利環(huán)路所得的管道壓力損失，再加上熱泵機(jī)組、平衡閥和其他設(shè)備元件的壓力損失，確定水泵的揚(yáng)程。

總水流量：將熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)工況下每一個(gè)孔井環(huán)路的水流量數(shù)值相加，可以得到干管的總水流量。

水泵本身還運(yùn)行存在衰減，水泵的流量應(yīng)為系統(tǒng)水量的1.1～1.2倍（通常單臺(tái)取1.1，兩臺(tái)以上并聯(lián)取1.2的富裕系數(shù)）。

對(duì)照水泵廠家樣本特性曲線，選擇滿足要求的水泵型號(hào)及臺(tái)數(shù)。

本次工程選用的是3臺(tái)冷凍水泵，3臺(tái)冷卻水泵和3臺(tái)熱回收水泵與主機(jī)一一對(duì)應(yīng)。

（五）地下熱平衡系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)原理

由于全年的冷、熱負(fù)荷并非是固定不變的，因此為了達(dá)到地下熱平衡，必須對(duì)地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。下面介紹一下本工程的自動(dòng)控制大致的設(shè)計(jì)原理：

控制系統(tǒng)由第一個(gè)制熱季為統(tǒng)計(jì)開(kāi)始的節(jié)點(diǎn)，由于本工程采購(gòu)的地源熱泵主機(jī)上自帶流量監(jiān)控計(jì)和進(jìn)出口的溫度監(jiān)控計(jì)，可以通過(guò)機(jī)組自帶的控制盤(pán)柜自動(dòng)統(tǒng)計(jì)一個(gè)制熱季總共從地下吸收的總熱量。當(dāng)然，如果選購(gòu)的主機(jī)不帶上述功能，可以在地埋管換熱器環(huán)路的進(jìn)出口，加裝流量和溫度傳感器，并接入自控系統(tǒng)，做數(shù)據(jù)采集，通過(guò)自控系統(tǒng)編寫(xiě)程序，可以達(dá)到同樣的目的。將主機(jī)在第一個(gè)制熱模式的總吸熱量作為將冷卻水從地下?lián)Q熱器全部切換到進(jìn)入冷卻塔的依據(jù)，如第一個(gè)制熱模式地埋管換熱器從地下總共吸收了600kW，那么當(dāng)切換到制冷模式時(shí)，當(dāng)通過(guò)統(tǒng)計(jì)冷卻水進(jìn)入地埋管換熱器系統(tǒng)的水流量和進(jìn)、出溫度，計(jì)算地埋管換熱器向地下放出到600kW的熱量時(shí)，關(guān)閉進(jìn)入地埋管系統(tǒng)的控制閥門(mén)，讓冷卻水全部通過(guò)閉式冷卻塔進(jìn)行降溫，并流回主機(jī)。這樣雖然把土壤自帶的熱平衡功能忽略不計(jì)，少利用了一部分能源。但是卻能減少一部分控制系統(tǒng)帶來(lái)的初投資，如可以減少對(duì)地下土壤熱變化、傳熱系數(shù)變化的監(jiān)控和自控設(shè)施的投入等，讓系統(tǒng)運(yùn)行的更簡(jiǎn)單，更穩(wěn)定。

三、結(jié)束語(yǔ)

地源熱泵系統(tǒng)作為一種節(jié)能、環(huán)保的空調(diào)系統(tǒng)形式，應(yīng)該得到更為廣泛的應(yīng)用，特別是在當(dāng)今能源的缺乏和環(huán)境的污染日益嚴(yán)重的情況下，更應(yīng)在能源消耗大戶的工業(yè)商業(yè)工程中推廣。典型的工程設(shè)計(jì)方案和介紹是新技術(shù)研究和推廣的重要手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB50019-2012

[2]《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》 GB50366-2009