能量樁地源熱泵系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張方方 郭曉強(qiáng) 張圓圓 王志達(dá) 唐 帥

（1.山東方亞地源熱泵空調(diào)技術(shù)有限公司 濟(jì)南 250104；2.山東省建筑設(shè)計(jì)研究院 濟(jì)南 250001；3.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院 濟(jì)南 250014；4.山東志合建筑設(shè)計(jì)院有限公司 濟(jì)南 250101）

0 引言

目前，我國(guó)的城鎮(zhèn)化建設(shè)促進(jìn)了建筑面積的快速增長(zhǎng)，因此建筑的能源消耗量也增長(zhǎng)迅速，并對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。我國(guó)資源總量和人均資源量都嚴(yán)重不足，在資源再生利用率上也遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家。在我國(guó)發(fā)展綠色建筑，提高建筑用能系統(tǒng)的能源利用效率，合理利用可再生能源降低建筑的能耗水平成為一項(xiàng)意義重大而又十分迫切的任務(wù)。地源熱泵系統(tǒng)作為一種“綠色的可再生能源”，具有良好的節(jié)能與環(huán)境效益，近年來在國(guó)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。能量樁地源熱泵系統(tǒng)作為一種新的地源熱泵系統(tǒng)型式，更以其節(jié)約鉆孔費(fèi)用、節(jié)省占地面積、提高換熱效率及有效縮短施工工期等優(yōu)勢(shì)，越來越受到人們的關(guān)注。

1 能量樁地?zé)釗Q熱器簡(jiǎn)介

能量樁換熱器是地源熱泵的一種新的埋管方式，即把地?zé)釗Q熱器的換熱管與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，埋于建筑物混凝土樁基中，通過樁基與周圍大地形成換熱。此種埋管方式可充分利用建筑物的地下面積，樁埋管的換熱管被灌注在樁基內(nèi)部，回填材料可理解為混凝土，密實(shí)性好，較鉆孔埋管形式有較好的傳熱性能，可減少埋管的長(zhǎng)度。能量樁地?zé)釗Q熱器的形式有U型、W型及螺旋型[1]等多種，其中，U型和W型的埋管方式因頂部連接較多，安全隱患較大，而螺旋型樁基換熱器以其樁基內(nèi)可利用的埋管數(shù)量大，管件之間連接較少，使用更加安全等優(yōu)勢(shì)，成為首選的樁埋管型式。

2 能量樁換熱器的傳熱計(jì)算模型

能量樁換熱器以下簡(jiǎn)稱樁埋管，與豎直埋管換熱器相比樁的直徑大大超過鉆孔的直徑，而樁的深度通常小于鉆孔的深度，因此樁埋管換熱器的傳熱模型不能采用傳統(tǒng)的地埋管線熱源模型和圓柱面熱源模型[2,3]。由于樁埋管為設(shè)置在靠近樁基外側(cè)的螺旋管，因此，在進(jìn)行樁基螺旋埋管換熱器的計(jì)算時(shí)一般采用線圈熱源模型或螺旋線熱源模型[4]。

樁埋管的有限長(zhǎng)線圈熱源模型方程為：

樁埋管的有限長(zhǎng)螺旋線熱源的溫度響應(yīng)為：

3 能量樁換熱器設(shè)計(jì)

3.1 地埋管換熱器設(shè)計(jì)

地埋管換熱器是地源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。其設(shè)計(jì)的合理與否直接影響到整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)的成敗。地埋管設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下問題：

（1）工程原始資料

工程原始資料對(duì)于地埋管地源熱泵系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)具有很重要的作用，它的完整、準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣以及系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)有效性。在地埋管地源熱泵的設(shè)計(jì)中，原始資料主要包括：建筑物的地理位置、建筑高度和使用功能、當(dāng)?shù)貧夂驐l件及土壤年平均溫度、建筑物周圍情況、地下埋管區(qū)巖土層的結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件等。

（2）空調(diào)負(fù)荷的計(jì)算

地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行全年供暖空調(diào)動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算，最小計(jì)算周期不小于1年[5]。還應(yīng)計(jì)算地埋管地源熱泵系統(tǒng)總釋熱量與總吸熱量，這兩個(gè)熱量是否平衡，在一定程度上也影響著地?zé)釗Q熱器性能的好壞。如果總釋熱量與總吸熱量不平衡，則地?zé)釗Q熱器長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)引起埋管區(qū)域地溫的逐年上升或逐年下降，導(dǎo)致地?zé)釗Q熱器性能的退化和使用壽命的縮短。

（3）地埋管換熱器熱響應(yīng)試驗(yàn)

地下巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)是設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)地?zé)釗Q熱器的重要參數(shù)，其大小直接影響到地下?lián)Q熱器與周圍巖土的換熱效果。然而地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成復(fù)雜，其熱物性參數(shù)相差也比較大。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定地下巖土的平均導(dǎo)熱系數(shù)是國(guó)際上通行的做法。這種試驗(yàn)也被稱作地?zé)釗Q熱器的“熱響應(yīng)試驗(yàn)”。

3.2 樁埋管換熱器設(shè)計(jì)

相比于鉆孔地埋管換熱器，樁埋管換熱器不僅是用于與土壤之間進(jìn)行熱交換的換熱元件，而且是用于支撐上部結(jié)構(gòu)的受力構(gòu)件。因此，樁埋管設(shè)計(jì)時(shí)除應(yīng)考慮常規(guī)鉆孔地埋管換熱器應(yīng)注意的問題外，還應(yīng)考慮其自身的特點(diǎn)。樁埋管換熱器的設(shè)計(jì)應(yīng)在保證有效熱交換的前提下，充分考慮樁基內(nèi)埋管對(duì)樁基本身結(jié)構(gòu)和承載力的影響，確保樁基換熱器的實(shí)用性及安全性。

3.2.1 縱向埋管固定鋼筋設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)證明[6]樁基埋管可造成鋼筋和混凝土不能協(xié)同工作。樁構(gòu)件混凝土與樁埋管結(jié)合面處是薄弱環(huán)節(jié)，樁構(gòu)件破壞時(shí)一般是沿著樁埋管發(fā)生破壞。樁埋管換熱器設(shè)計(jì)時(shí)宜采取增加固定地埋管的專用縱筋，以代替將地埋管直接捆扎在樁基主筋上。這樣既不會(huì)破壞樁基主筋和混凝土的粘結(jié)性能，同時(shí)可以增強(qiáng)因埋管引起的樁基局部性能弱化。樁基結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 樁基結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of pile foundation

3.2.2 樁埋管換熱器循環(huán)水溫

樁埋管換熱器在正常使用時(shí)，其一方面承擔(dān)結(jié)構(gòu)正常使用荷載，另一方面還要承受因與周圍巖土體換熱而導(dǎo)致的自身溫度變化引起的溫度荷載。樁身所承受的溫度附加應(yīng)力與溫差成正比，因此減小樁基自身溫差能有效降低樁身所承受的溫度附加應(yīng)力，增加樁基的安全性。夏季運(yùn)行期間，樁埋管換熱器出口最高溫度宜低于35℃。冬季運(yùn)行期間，不添加防凍劑的樁埋管換熱器進(jìn)口最低溫度宜高于4℃。合理的循環(huán)水溫度既能保證樁基安全又有利于提高冬夏全年運(yùn)行能效和節(jié)能量。當(dāng)樁埋管不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)宜采用樁埋管與鉆孔地埋管復(fù)合式系統(tǒng)，由鉆孔地埋管負(fù)擔(dān)多余冷熱負(fù)荷，從而使進(jìn)出樁埋管換熱器水溫穩(wěn)定在適宜范圍。

3.2.3 樁埋管換熱器均勻布置

樁埋管換熱器經(jīng)過多年運(yùn)行，會(huì)使樁基產(chǎn)生不可恢復(fù)的沉降。樁埋管在整個(gè)建筑底部宜均勻布置，否則，樁埋管換熱器的運(yùn)行將使得建筑產(chǎn)生不均勻沉降。不均勻沉降一是使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大附加應(yīng)力，二是使建筑物底層層高減小，建筑物總高度減小。嚴(yán)重的會(huì)使建筑墻體開裂，建筑傾斜。對(duì)于多樁承臺(tái)，宜將地埋管相對(duì)均勻、對(duì)稱的置于承臺(tái)下一半的樁基內(nèi)，既可以減少單樁沉降對(duì)承臺(tái)的影響，從而減小對(duì)整個(gè)建筑的影響，又可以減少個(gè)樁埋管之間的熱影響，從而增加樁埋管的儲(chǔ)熱及取熱[7]。多樁承臺(tái)中樁埋管布置如圖2所示。

圖2 多樁承臺(tái)樁埋管布置圖Fig.2 Pile buried pipe arrangement plan for multiple pile caps

4 工程應(yīng)用

4.1 項(xiàng)目基本概況

該工程為兗州人民醫(yī)院（新院）項(xiàng)目，位于山東省兗州市，由門診醫(yī)技樓、1#、2#住院樓、3#感染樓及其他附屬建筑組成，總建筑面積18.4萬m2。建筑實(shí)景圖如圖3。

圖3 兗州市人民醫(yī)院建筑實(shí)景圖Fig.3 Renderings of Yanzhou People's Hospital

4.2 空調(diào)冷熱源

該工程空調(diào)冷熱源設(shè)計(jì)采用地源熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)埋管長(zhǎng)度以滿足供熱要求來確定，地源熱泵機(jī)組夏季供冷不足部分由電制冷離心式冷水機(jī)組提供。該工程選用三臺(tái)地源熱泵機(jī)組，單臺(tái)制熱容量為2298.6kW、制冷容量為2053kW的熱泵機(jī)組，總制冷量為6159kW，夏季供冷不足部分由兩臺(tái)制冷容量為2462kW的離心式冷水機(jī)組提供。1#、2#病房樓四層以上及3#感染樓采用天棚輻射和置換式新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，夏季空調(diào)冷水設(shè)計(jì)供回水溫度為18℃/21℃，冬季空調(diào)熱水設(shè)計(jì)供回水溫度為28℃/25℃。其余區(qū)域夏季空調(diào)冷水設(shè)計(jì)供回水溫度為7/12℃，冬季空調(diào)熱水設(shè)計(jì)供回水溫度為45/40℃。門診樓內(nèi)區(qū)部分冬季采用冷卻塔免費(fèi)供冷。冷卻塔免費(fèi)供冷一次水溫度7/12℃，經(jīng)換熱提供供回水溫度為10/15℃的空調(diào)冷凍水。離心式冷水機(jī)組采用帶熱回收冷水機(jī)組，熱回收用于預(yù)熱衛(wèi)生熱水。

圖4 機(jī)房管路流程圖Fig.4 Pipeline flow chart of machine room

4.3 地埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)前期現(xiàn)場(chǎng)熱物性測(cè)試結(jié)果及建筑冷熱負(fù)荷等情況，經(jīng)計(jì)算確定采用豎直雙U型地埋管地?zé)釗Q熱器及樁基埋管地?zé)釗Q熱器。地下U型埋管鉆孔876個(gè)，樁基埋管440個(gè)。地下U型埋管鉆孔深100m，鉆孔直徑150mm，間距6m，地埋管為雙U型，選用HDPE管，管徑為φ25；樁基埋管換熱器長(zhǎng)22m，采用雙U型，埋管為HDPE管，管徑為φ32。每個(gè)鉆孔及樁基埋管為一個(gè)并聯(lián)支路分別與設(shè)置在集分水器房?jī)?nèi)的集分水器連接，再由連管接入地源熱泵機(jī)組。建筑周圍共設(shè)7個(gè)集分水器房。地埋管循環(huán)液夏季設(shè)計(jì)溫度35/30℃，冬季設(shè)計(jì)溫度10/15℃。

4.4 工程設(shè)計(jì)總結(jié)

該工程空調(diào)系統(tǒng)已運(yùn)行一個(gè)供冷季一個(gè)供暖季，運(yùn)行狀況良好。地源熱泵復(fù)合冷熱源系統(tǒng)結(jié)合溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)末端，系統(tǒng)效率較高。冷卻塔免費(fèi)供冷及夏季余熱回收預(yù)熱衛(wèi)生熱水系統(tǒng)高效利用建筑余熱，提高了整個(gè)系統(tǒng)的能效，大大降低了運(yùn)行費(fèi)用。

由于樁埋管對(duì)樁基的影響具有累積效應(yīng)，實(shí)際工程中樁埋管系統(tǒng)長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)性及安全性仍需進(jìn)一步觀察研究。

圖5 能量樁安裝Fig.5 Installation of energy pile

5 結(jié)論

地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)是一種節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的中央空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵在我國(guó)運(yùn)行了二十多年，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。作為地源熱泵一種較新的埋管形式，能量樁地源熱泵系統(tǒng)綜合了地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，無需耗費(fèi)水資源、節(jié)省用地面積、提高換熱效率，加快施工進(jìn)度，具有良好的節(jié)能、節(jié)地和環(huán)境效益。示范工程的實(shí)施及應(yīng)用為樁埋螺旋管式地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，有利于該項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。另外，雖然樁埋管對(duì)于樁基的受力影響不大[8]，但樁埋管長(zhǎng)期運(yùn)行后對(duì)樁基本體及對(duì)整個(gè)建筑使用的影響，還有待深入研究及對(duì)示范項(xiàng)目的跟蹤監(jiān)測(cè)驗(yàn)證。由于，樁基礎(chǔ)在建筑施工中作用大，但是數(shù)量少，常用于高層建筑中，單純的使用能量樁地源熱泵系統(tǒng)滿足建筑供冷供熱需要是不夠的，能量樁與其他供熱供冷技術(shù)的聯(lián)合運(yùn)行的設(shè)計(jì)和調(diào)試技術(shù)也是該項(xiàng)技術(shù)的研究應(yīng)用方向。