淺層土壤源埋管的配置及其適用調(diào)峰源分析

□文/張巧麟 王 硯 李 君

天津市地?zé)豳Y源豐富，屬于淺層地?zé)崮苓m宜利用區(qū)域。淺層土壤源埋管是淺層地?zé)崮軕?yīng)用的一種形式，具有四季溫度恒定、適中的特點(diǎn)。地源熱泵系統(tǒng)依靠土壤源埋管從地下土壤中提取能量，雖然熱泵機(jī)組的熱源和熱匯都是擴(kuò)散半徑范圍內(nèi)的土壤，但土壤源埋管夏季累計(jì)向土壤的放熱量與冬季從土壤的取熱量并不一致，這樣長(zhǎng)期取放熱量不平衡的堆積會(huì)超過(guò)土壤自身對(duì)熱量的擴(kuò)散能力，造成其溫度不斷偏離初始溫度并導(dǎo)致冷卻水溫度隨之變化和系統(tǒng)運(yùn)行效率逐年下降，這就是熱失衡問(wèn)題[1]。

土壤源埋管的熱失衡導(dǎo)致土壤溫度變化，不僅影響系統(tǒng)效率和性能，還影響地源熱泵的穩(wěn)定性和安全性。長(zhǎng)期的熱失衡會(huì)導(dǎo)致土壤溫度越來(lái)越高，最終再也無(wú)法從土壤中提取任何能量并且影響土壤的生態(tài)環(huán)境。熱失衡問(wèn)題的解決方法是減小土壤源埋管換熱器的密集度和冷熱負(fù)荷的不平衡率，即合理配置土壤源埋管數(shù)量及布局并通過(guò)設(shè)置調(diào)峰冷熱源保證系統(tǒng)的安全可靠性。

1 淺層土壤源埋管的配置

天津市某大型集中能源項(xiàng)目采用淺層土壤源埋管為主要冷熱源，復(fù)合以冰蓄冷三工況系統(tǒng)為建筑供冷、供熱，總服務(wù)面積約為20萬(wàn)m2。綜合考慮綠色建筑要求及項(xiàng)目安全性和經(jīng)濟(jì)性，技術(shù)方案確定為帶有冷熱調(diào)峰復(fù)合以冰蓄冷技術(shù)的地源熱泵系統(tǒng)。

根據(jù)負(fù)荷分析，年冷量為14 500 MW·h/a，供熱量為15 900 MW·h/a。埋管既要保證充分利用土壤資源，緊湊布置；又要防止埋管間的熱干擾，采用5 m×5 m間距矩形布置方案，埋管形式采用雙U型垂直埋管，深度為120 m。由于淺層地能屬于可再生能源，因此應(yīng)最大化利用，總埋管數(shù)量為1 993口。

室外埋管采用垂直土壤換熱器+水平集管+分、集水器的連接方式，即若干個(gè)垂直土壤換熱器經(jīng)同程布置得水平集管連接后分別接至分、集水器，經(jīng)分、集水器匯流后通過(guò)水平干管接至能源站，水平干管異程布置。

2 配置調(diào)峰冷熱源的必要性

根據(jù)土壤熱平衡性分析，土壤側(cè)排熱量為17 624 MW·h/a，取熱量為2 140 MW·h/a。土壤側(cè)存在熱不平衡現(xiàn)象，排熱量大于取熱量，熱調(diào)峰時(shí)不平衡率為31.1%。因此適度引入冷熱調(diào)峰設(shè)施，對(duì)系統(tǒng)包容負(fù)擔(dān)建筑的未知因素及對(duì)地溫調(diào)節(jié)的及時(shí)反應(yīng)性均是十分必要的。

通常將在地源熱泵系統(tǒng)中起輔助供熱作用的裝置稱為調(diào)峰熱源。淺層地能排熱量大于取熱量，從土壤熱平衡角度來(lái)說(shuō)并不需要熱調(diào)峰能源。但是從系統(tǒng)包容性來(lái)說(shuō)，淺層地能負(fù)擔(dān)的公共建筑負(fù)荷規(guī)律變化大，其冷熱需求的不確定性較大，設(shè)置調(diào)峰熱源將使系統(tǒng)具有更好的適應(yīng)性與靈活性。對(duì)于冬季地源側(cè)5℃/8℃的參數(shù)，常規(guī)地源熱泵機(jī)組的供水參數(shù)一般為45℃，鑒于原單體設(shè)計(jì)供水溫度45℃，能源站與單體建筑為間接連接，勢(shì)必需要提高能源站供熱參數(shù)，故設(shè)置調(diào)峰熱源是必須的。

通常將在地源熱泵系統(tǒng)中起輔助排熱作用的裝置稱為調(diào)峰冷源。本項(xiàng)目淺層地?zé)崮芡寥罒崞胶夥治鲋邢到y(tǒng)排熱量大于系統(tǒng)取熱量，土壤熱不平衡達(dá)到31.1%。因此，必須設(shè)置調(diào)峰冷源以彌補(bǔ)土壤熱不平衡現(xiàn)象。

3 調(diào)峰熱源的分析及設(shè)置

調(diào)峰熱源裝置從彌補(bǔ)因淺層地能放熱能力不足而導(dǎo)致的系統(tǒng)供熱能力不足的角度，所起的是調(diào)峰作用；從實(shí)現(xiàn)地源熱泵系統(tǒng)地源側(cè)季節(jié)（年）熱平衡的角度，所起的是輔助作用。

適合本項(xiàng)目的調(diào)峰熱源有市政熱網(wǎng)、燃?xì)鉄崴畽C(jī)組及深層地?zé)帷Ｓ捎谀茉凑揪嗟罔F直線距離不足100 m，為避免深井的施工、運(yùn)行對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)造成影響，故深層地?zé)岱桨覆槐唤邮?。相?duì)于市政熱網(wǎng)的收費(fèi)模式，燃?xì)鉄崴畽C(jī)組是一種經(jīng)濟(jì)性更好的調(diào)峰熱源形式。因此本項(xiàng)目確定采用真空燃?xì)鉄崴畽C(jī)組作為調(diào)峰熱源，調(diào)峰熱負(fù)荷比例為25%。

4 調(diào)峰冷源的分析及設(shè)置

調(diào)峰冷源裝置從彌補(bǔ)淺層地能吸熱能力不足的角度，所起的是調(diào)峰作用；從實(shí)現(xiàn)地源熱泵系統(tǒng)地源側(cè)季節(jié)（年）熱平衡的角度，所起的是輔助作用。

本項(xiàng)目空調(diào)制冷系統(tǒng)的非土壤渠道排熱方式有，冷卻塔、淺層地下水兩種形式，而天津地區(qū)針對(duì)淺層地下水資源的開(kāi)采嚴(yán)格限制且僅將其作為排熱用，代價(jià)過(guò)大。由于采用冷卻塔作為調(diào)峰冷源的技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)性好，因此確定冷卻塔為本項(xiàng)目的調(diào)峰冷源。盡管存在景觀處理問(wèn)題，但因其僅起輔助作用，容量較小，通過(guò)恰當(dāng)?shù)脑O(shè)置方式（如采用下沉式安裝方式）可以將其對(duì)景觀的影響降至最低。見(jiàn)圖1。

圖1 采用下沉式安裝方式的冷卻塔

5 結(jié)論

在考慮了系統(tǒng)安全性、包容性及對(duì)淺層地能的影響等因素后，輔助以冷卻塔作為冷調(diào)峰，真空燃?xì)鉄崴畽C(jī)組作為熱調(diào)峰是完全適合本項(xiàng)目的。在大規(guī)模應(yīng)用淺層土壤源埋管規(guī)劃之初，應(yīng)該對(duì)土壤熱物理性進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)土壤特性及負(fù)荷需求進(jìn)行埋管的配置并根據(jù)項(xiàng)目規(guī)劃條件及周邊資源情況配置與項(xiàng)目相適用的調(diào)峰冷熱源。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)前應(yīng)對(duì)擬建項(xiàng)目進(jìn)行全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷預(yù)測(cè)及土壤溫度場(chǎng)的數(shù)據(jù)模擬，有必要的情況下進(jìn)行熱響應(yīng)試驗(yàn)，掌握負(fù)荷特性及取放熱量分布情況，再進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作。

采用復(fù)合式系統(tǒng)是解決土壤熱失衡問(wèn)題的途徑，根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成制定地埋管的全年取放熱平衡方案，有助于從根本上減少土壤熱失衡現(xiàn)象，設(shè)置有效的土壤溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和相應(yīng)的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)這一措施的關(guān)鍵[1]。

在埋管區(qū)域中設(shè)置地溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供能過(guò)程中地溫變化情況及過(guò)渡季的地溫恢復(fù)情況，一旦溫度發(fā)生很大變化，應(yīng)該啟用輔助調(diào)峰設(shè)備進(jìn)行熱平衡。

除了在設(shè)計(jì)階段解決熱失衡問(wèn)題，還應(yīng)當(dāng)更加注重和加強(qiáng)對(duì)土壤源埋管系統(tǒng)運(yùn)行管理的把控。不科學(xué)、不合理的運(yùn)行管理會(huì)引起或放大土壤冬夏季取放熱量的不平衡率，導(dǎo)致設(shè)計(jì)時(shí)采取的熱平衡措施失效。對(duì)大規(guī)模應(yīng)用土壤源埋管的系統(tǒng)，要做好系統(tǒng)的監(jiān)控及計(jì)量工作，根據(jù)累積的運(yùn)行數(shù)據(jù)及負(fù)荷預(yù)測(cè)，制定全年的運(yùn)行模式，以減少不必要的系統(tǒng)效率下降。