巖石源熱泵空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用及地熱不平衡解決思路

張雷，秦瑩，張艷

（山東創(chuàng)爾沃熱泵技術(shù)股份有限公司，山東 淄博 256409）

巖石源熱泵空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用及地熱不平衡解決思路

張雷，秦瑩，張艷

（山東創(chuàng)爾沃熱泵技術(shù)股份有限公司，山東 淄博 256409）

在巖石丘陵地區(qū)地下巖石上鉆孔埋管吸取地下的能源為建筑物提供冷、暖甚至生活熱水，是可再生能源新技術(shù)的應(yīng)用；巖石源地埋換熱器的高性能和經(jīng)濟性對于巖石源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在類似地區(qū)的應(yīng)用及推廣具有重要的影響。本文討論了巖石源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用案例、關(guān)鍵技術(shù)等，并從多個角度分析了全年運行后地下冷熱負荷不平衡的解決思路。

巖石源熱泵；地埋換熱器；負荷不平衡

地源熱泵是一種利用大地作為冷熱源的熱泵，通過熱泵機組對建筑物實現(xiàn)供暖、制冷及提供生活熱水。地源熱泵一般將大地作為該系統(tǒng)的蓄能器，夏季通過熱泵機組將建筑物內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下，冷卻建筑物的同時儲存了熱量，以備冬季使用；冬季通過熱泵將大地中的低位熱泵提升溫度后對建筑物供熱，同時將建筑物內(nèi)的冷量儲存在地下，以備夏季使用。該技術(shù)大大提高了空調(diào)系統(tǒng)全年的利用效率，真正實現(xiàn)了可再生能源的合理利用。但有許多位于巖石丘陵地區(qū)的需要供暖空調(diào)的建筑物，比如大連、煙臺、威海、青島、淄博、濰坊、泰安、臨沂、萊蕪、日照等，這些地區(qū)部分區(qū)域存在地下多為巖石層結(jié)構(gòu)、水源匱乏等情況，既難以采用地下水源熱泵系統(tǒng)，也無法應(yīng)用當前政府大力推廣、應(yīng)用廣泛的土壤源熱泵技術(shù)；基于國家逐漸廢除燃煤鍋爐房采暖系統(tǒng)的應(yīng)用以保護大氣環(huán)境的考慮，經(jīng)過調(diào)查在以上區(qū)域內(nèi)已實施的供暖空調(diào)系統(tǒng)的性價比不僅非常低，而且能源浪費較為嚴重，這在可再生能源的開發(fā)與利用方面提出了一個嚴峻的挑戰(zhàn)；研究初期，由于該類地區(qū)受巖石鉆孔設(shè)備及技術(shù)的限制，鉆孔費用高昂和鉆孔工期漫長，經(jīng)過多年探索，近年在淄博市某校區(qū)內(nèi)設(shè)計應(yīng)用了一套巖石源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，通過跟蹤分析系統(tǒng)的冷暖運行工況及效果，系統(tǒng)能效比高，從而證實該套技術(shù)適合在巖石丘陵地區(qū)推廣應(yīng)用。

1 工程概況

該項目位于山東省淄博市，地處華北平原坳陷區(qū)、濟陽坳陷區(qū)的南部，為淄博凹陷的西北邊緣。由于傾斜沉積盆地向北傾斜的簸箕狀，形成自南而北由老到新的地層，為新生代第四系地層覆蓋。校區(qū)東西長約720m，南北長約 520m，規(guī)劃總用地 37.56公頃，總建筑面積約為 11萬 m2；地勢為南高北低，平均海拔高度在 72.0～ 105.0m之間，地形高差較大，地下多為巖石丘陵結(jié)構(gòu)。本項目采暖空調(diào)建筑物均分布在山上，地下 15米內(nèi)為粘土層，地下 15m以下為青石巖層，150m深井水流量約 20～ 25m3/h。本項目空調(diào)使用面積為60000m2，包括如下 9棟建筑：紡織樓、染化樓、機電樓、9#宿舍樓、10#宿舍樓、11#宿舍樓、行政辦公樓、圖書樓及第三教學樓辦公區(qū)；其中前六棟樓為新建建筑，后六棟樓為原有建筑。

2 能量采集系統(tǒng)設(shè)計

（1）地下?lián)Q熱埋管方式的選擇。巖石源熱泵同土壤源熱泵一樣，地下環(huán)路的埋管方式多種多樣。目前國內(nèi)普遍采用的有豎直埋管、水平埋管和樁基埋管三種配置形式。豎直埋管換熱器是在地下巖土層中垂直鉆孔，鉆孔深度一般為 100～ 150m之間，在孔內(nèi)敷設(shè)優(yōu)質(zhì) U型管，占地面積小，換熱穩(wěn)定。水平埋管換熱器是在地下淺層土壤中水平埋管，占地面積大，受地表氣候變化的影響，效率較低。樁基埋管換熱器是充分利用建筑物的面積，在樁基內(nèi)敷設(shè)U型管或螺旋管與周圍大地形成換熱，傳熱效率高，適用于空地少、建筑占地面積大的區(qū)域。本項目經(jīng)現(xiàn)場勘察，最終確定利用學院操場約15000m2的區(qū)域采用雙 U豎直埋管換熱器方式。

（2）地熱換熱器設(shè)計參數(shù)。在地源熱泵運行的額定工況下，針對該地域地質(zhì)條件深層巖土熱物性的測試情況、當?shù)氐蜏爻跏紲囟?、氣象條件以及建筑物特性等，最終確定設(shè)計依據(jù)如下：該地域采取豎直雙U型埋管，鉆孔間距為 4～ 5m；冬季每米孔深提取熱量按 55～ 60W/m計，夏季每米孔深釋放熱量按 80～ 85W/m計；鉆孔深度為100～ 120m，豎直埋管建議采用 PE100管材；由于該地埋系統(tǒng)較大，建議采用同程設(shè)計，設(shè)置地源側(cè)檢查溝，確保地源側(cè)流量均衡。根據(jù)巖土熱物性測試確定本項目換熱參數(shù)如下：打孔直徑為 180mm，數(shù)量為 450個，深度為100m，采用雙 U豎直埋管設(shè)計，埋管直徑為 De32mm，間距為5m同程設(shè)計，回填采用換熱效率高的專用水泥基料；并設(shè)置 150m長檢查溝和多個檢查井。

3 能量提升系統(tǒng)

依據(jù)用戶的要求及各建筑的使用性質(zhì)、同時利用等情況，經(jīng)詳細的冷熱負荷計算確定本項目單位面積冷負荷指標為 48W/m2，單位面積熱負荷指標為 50W/m2；因用戶要求，本項目設(shè)計思路以供熱為主、供冷為輔，冬季要求室內(nèi)溫度為 20±2℃，夏季要求室內(nèi)溫度為30±2℃，而且無需考慮新風，因此本項目的供熱負荷大于供冷負荷。

4 能量釋放系統(tǒng)

本項目室內(nèi)末端依據(jù)學院各建筑的使用性質(zhì)及裝修等，分別選用了明裝臥式風機盤管機組及明裝立柜式風機盤管機組，安裝方便、外形美觀，送風效果好；經(jīng)跟蹤室內(nèi)溫度：夏季溫度可達到 26～ 28℃，冬季溫度可達到 20～ 22℃。

5 地熱平衡模擬分析

保證地下熱平衡是地下?lián)Q熱器系統(tǒng)常年穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，在計算周期內(nèi)，地源熱泵系統(tǒng)總釋熱量宜與其總吸熱量相平衡。經(jīng)測試計算，本項目巖石源側(cè)的總吸熱量大于總釋熱量，考慮技術(shù)經(jīng)濟合理，可采用多種夏季補熱的方式：冷卻塔逆向運行補熱、太陽能補熱、空氣換熱器補熱、夏天非潮濕天氣地埋管直接供冷補熱（主機不啟動）。本項目采用的是冷卻塔逆向運行補熱與地埋管換熱器并用的方式，根據(jù)巖石源側(cè)全年動態(tài)負荷情況，在保證地下熱平衡的前提下，來確定冷卻塔的基本參數(shù)等，最后根據(jù)地熱平衡專業(yè)軟件進行校核計算，模擬出地下流體溫度變化情況。

冷卻塔逆向運行補熱措施。本措施的換熱機理是地源水與室外高溫空氣的直接對流傳熱與傳質(zhì)，主要增加一臺冷卻塔及兩臺冷卻水循環(huán)泵與室外地埋換熱器進行連接，在夏季供冷末期，通過開啟冷卻塔及冷卻水循環(huán)泵將地埋換熱器的循環(huán)水同大氣熱量進行交換，釋放土壤中的多余冷量，直至冬夏兩季平衡為止；排放期間，冷卻塔必須做好防塵、防污染處理，以防堵塞地埋換熱系統(tǒng)。2010年經(jīng)跟蹤測算，本項目選用一臺 300T/h的冷卻塔及兩臺冷卻水循環(huán)泵，地源側(cè)初始運行工況為供水 10°，與室外 32～ 38°熱空氣強制換熱后，回水溫度為 14°，溫差可高達 4°，最終 192個小時內(nèi)放冷完畢，按每天開啟 12個小時，共需 16天時間，排放過程中，通過地源側(cè)溫度傳感器，隨時記錄地源水的水溫變化情況，并根據(jù)溫度變化情況及時調(diào)整冷卻塔運行狀態(tài)，以達到地熱平衡的目的。

直接供冷補熱措施。本措施的換熱機理是地源水與室內(nèi)高溫空氣的間接換熱，主要是將機房內(nèi)地埋換熱器的分、集水器與空調(diào)系統(tǒng)的集、分水器分別串聯(lián)起來，并通過閥門自動控制，在夏季供冷初期的非潮濕天氣，將地埋換熱器直接與室內(nèi)末端機組連通，關(guān)閉地源側(cè)循環(huán)泵，開啟空調(diào)水循環(huán)泵進行循環(huán)，通過直接循環(huán)將地下土壤中的多余冷量向建筑物室內(nèi)進行排放，直至冬夏兩季平衡為止；地源側(cè)與空調(diào)側(cè)系統(tǒng)水混合前，空調(diào)水系統(tǒng)必須進行清洗，并在地源側(cè)入口處增加多級過濾、除污裝置，確保地源側(cè)換熱系統(tǒng)的暢通與使用壽命。2011年經(jīng)跟蹤測算，本項目開啟兩臺總流量約為 500m3/h的空調(diào)水側(cè)循環(huán)泵，通過風機盤管直接往室內(nèi)送冷，地源側(cè)供回水溫差為3℃，最終排冷時間為 155個小時，按每天開啟 12個小時，共需 14天時間；排放過程中，通過地源側(cè)溫度傳感器，隨時記錄地源水的水溫變化情況，并根據(jù)溫度變化情況及時調(diào)整末端及水泵的運行狀態(tài)，以達到地熱平衡的目的。

6 巖石源熱泵系統(tǒng)運行經(jīng)濟分析和節(jié)能效果

運行經(jīng)濟分析。常規(guī)冷水機組夏季制冷費用約為120萬元；巖石源熱泵機組夏季供冷費用為 48萬元；集中供熱冬季采暖費用約為 150萬元；巖石源熱泵機組冬季供熱費用為 60萬元；巖石源熱泵機組比常規(guī)供冷和供熱方式全年節(jié)省運行費用約 162萬元。

節(jié)能及應(yīng)用效果分析。巖石源熱泵全年節(jié)約煤炭資源數(shù)量（一次能源）約 600t。

減少對大氣污染物的排放，體現(xiàn)綠色環(huán)保效果。由于每噸煤燃燒排放的污染物分別為二氧化碳 2620kg、二氧化硫 8.5kg、氮氧化物 7.4kg以及 100kg的煤渣，因此巖石源熱泵每年可減少排放污染物：二氧化碳 1572t,二氧化硫 5.1t、氮氧化物 4.5t以及 60t的煤渣。

7 結(jié)語

巖石源熱泵空調(diào)系統(tǒng)作為可再生能源利用的形式之一，具有節(jié)能、環(huán)保、可再生的特點，對于巖石、丘陵地區(qū)能源優(yōu)化利用提供了有效的途徑；通過對本項目近3年運行情況的跟蹤，巖石源換熱工況遠遠優(yōu)于土壤源換熱工況，完全能夠有效解決巖石、丘陵地區(qū)建筑物采暖、空調(diào)及生活熱水的需求，實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保雙重目的。同時本項目的地熱平衡問題通過不同補熱方式的實際運行調(diào)節(jié)，均改善了地下冷熱負荷不均衡的現(xiàn)狀，為今后類似項目的設(shè)計提供了借鑒。

TU831.3

A

1671-0711（2017）07（下）-0141-02