地源熱泵系統(tǒng)在南昌市老年活動中心項目的應用研究及效益探討

姜華貴 何 情 聶 強

（1南昌市重點工程管理辦公室，江西 南昌 330038；2江西昌南建設集團有限公司，江西 南昌 330002）

1 地源熱泵系統(tǒng)介紹

地源熱泵是一種利用循環(huán)水與地下土壤進行冷、熱交換，既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。

1.1 主要發(fā)展形式

地埋管地源熱泵系統(tǒng)按照換熱器的埋管方式不同，分為以下兩種：水平埋管系統(tǒng)和垂直埋管系統(tǒng)。

地源熱泵系統(tǒng)按照循環(huán)形式的不同，分為以下三種：開式循環(huán)系統(tǒng)、閉式循環(huán)系統(tǒng)及混合循環(huán)系統(tǒng)。

1.2 地源熱泵優(yōu)點

1.2.1 節(jié)能高效，可靠穩(wěn)定

地能或地表淺層地熱資源的溫度在全年十二個月中變化不大，土壤與空氣溫差通常為17度，是很理想的熱泵熱源或者空調(diào)冷源，與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比較，地源熱泵運行效率高40%至60%，節(jié)能和節(jié)省運行費用40%至50%左右。

1.2.2 對環(huán)境的污染小

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行過程中排放的污染物，與空氣源熱泵相比，相當于減少40%以上，與電供暖相比，相當于減少70%以上，不但節(jié)能而且減排。

1.2.3 維修與保養(yǎng)費用低

與常規(guī)系統(tǒng)相比，地源熱泵系統(tǒng)的運行部件較少，所以維護減少。而且系統(tǒng)不是像常規(guī)系統(tǒng)一樣安裝在室外，不會有風雨的侵蝕，維修與保養(yǎng)費用低且使用時間更長。

1.2.4 使用壽命長

地源熱泵的地下埋管選用聚乙烯和聚丙烯塑料管，使用壽命長達50年。與普通空調(diào)相比，其使用壽命要高出35年。

1.2.5 可循環(huán)利用水資源

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以使用地下水、海水、生活污水或者工業(yè)生產(chǎn)廢水作為熱源，減少了對不可再生資源的消耗，實現(xiàn)了對水資源的循環(huán)使用，而且對于我們國家污水處理難及淡水缺乏等問題起到了很好的緩解作用。

2 老年活動中心項目地源熱泵空調(diào)工程

2.1 工程概況

南昌市老年活動中心項目總建筑面積49850平米，部分冷熱源采用了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，設計總井數(shù)400口，共分為4個區(qū)。地埋管換熱器采用先垂直鉆孔后埋管的方法，垂直埋管群井分布在建筑底板下，其形式為雙U型管，De25管，管材及管件采用高密度聚乙烯PE100管（1.6MPa）。室外水平干管采用直埋敷設方式，水平埋管深度距地面不宜小于1.5m，供、回水支管鋪排在同一個平面的左右兩邊，各供回支管之間的距離不低于60cm。每根管分別從水平連接管延伸至建筑底板邊緣側(cè)后向上連接到分、集水器，供回水主管地下室板下埋設至冷熱源機房。

2.2 施工工藝流程及主要操作要點

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)施工流程[1]如圖1所示。

圖1 施工工藝流程圖

2.3 垂直埋管作業(yè)

1）U型管的U型彎管接頭，需使用制作好的U型彎頭成品件，不能使用直管道煨制彎頭。

2）為了減少地面對管道的磨擦損耗，在按圖紙要求截取PE管長度前應該在地面先鋪砂。

3）垂直鉆孔應該和地埋管的安裝相銜接，每鉆完一個孔，待孔壁固化后應立刻下管，下管時U型管應注滿水。

4）U型管換熱器安裝完畢后，應馬上灌漿回填并且將孔口封起。

5）若是在試壓的過程中出現(xiàn)壓力不能穩(wěn)定的情況，必須及時將管道拉出重新埋入試壓合格的管道，并分析產(chǎn)生這一狀況的原因，提出解決的方法。管道敞口應臨時封閉，確認后才能封閉孔口。

6）在全部工程結(jié)束后，應以大于運行流量2倍的流量對設備進行沖洗。

2.4 試壓環(huán)節(jié)

1）第一次水壓試驗應該在豎直地埋管換熱管插入鉆孔前進行，試驗壓力為1.6MPa，在試驗壓力下，穩(wěn)壓不少于15min，穩(wěn)壓后壓力降應在3%范圍內(nèi)，而且沒有泄漏的情況；將其密封后，在有壓狀態(tài)下插入垂直鉆孔內(nèi)，完成灌漿之后保持壓力1h，壓力無明顯下降，視為符合要求。

2）第二次水壓試驗在豎直或水平地埋管換熱器和環(huán)路集管組裝結(jié)束后進行，試壓壓力為0.6MPa。在試驗壓力下，保持壓力不少于30min，穩(wěn)壓后壓力降應在3%范圍內(nèi)，而且沒有泄漏的情況，視為符合要求。

3）第三次水壓試驗在室外地埋管環(huán)路集管和機房分集水器組裝結(jié)束后進行，試壓壓力為0.6MPa。在試驗壓力下，保持壓力不少于2h，而且沒有泄漏的情況，視為符合要求。

4）第四次水壓試驗應該在地埋管換熱系統(tǒng)全部組裝完成，且沖洗、排氣和回填完成后進行，試壓壓力為0.6MPa。在試驗壓力下，保持壓力不少于12h，穩(wěn)壓后壓力降應在3%范圍內(nèi)，視為符合要求。

5）不能以氣壓取代水壓試驗，水壓試驗應選擇手動泵緩慢升壓，在升壓的過程中應時刻查看，不能有滲漏。

6）壓力檢驗設施應在回填全部結(jié)束后再拆除，如果條件允許可保留下來隨時進行檢測。

7）管道分段試壓達標后需使用潔凈的水對整條管道進行沖洗消毒，濁度應不大于5NTU，沖洗流速應不小于2.0m/s，當沖洗水的排放水與進水的濁度相同方可結(jié)束。

2.5 灌漿回填

1）回填材料采用原漿，必要時加少量黃沙，灌漿前計算好每個井需用灌漿液的用量。

2）對垂直換熱管進行第二次試壓合格后才能對垂直豎井進行回填作業(yè)，在回填過程中管道應保持壓力，一旦發(fā)現(xiàn)壓力出現(xiàn)異常，立即停止，找到原因并解決后才能繼續(xù)回填。管孔中的PE管埋完后應靜置3-4h，待井中泥漿沉淀后再用粗沙回填，必須保證管和管孔之間無空隙，保證換熱效果，第一次填完后需反復檢查。

3）泥漿灌入孔中時應確保鉆孔回灌密實，沒有空腔。

4）當?shù)芈窆軗Q熱器設在凍土層以下非常密實或堅硬的土壤、巖石情況下，宜采用水泥基料灌漿。

5）當埋管深度大于40m的時候，應該在周圍相鄰鉆孔施工結(jié)束后才能進行灌漿回填。

6）為了防止后續(xù)施工破壞管道管口，回填完后對留在地面的管道管口應進行封堵保護。

7）在連接水平總管前應先將管溝內(nèi)容易破壞管道的硬物取出，待水平管道連接之后將管道覆蓋，回填泥土時應取出混雜在里面的磚石等尖銳物體，以免刮傷管道。

8）安裝地埋管換熱器應該與回填過程的檢驗同步進行。

2.6 溝槽開挖及水平地埋管安裝

1）管道的沿線臨時水準點，每200m應至少設置1個；臨時水準點、高程樁、管道軸線控制樁需經(jīng)過復核后才能使用，并應時常校核；開工前應該對與本項目銜接的管道、構(gòu)筑物等平面位置和高程進行校測。

2）當管道溝槽底部的開挖寬度達到1m時，溝槽開挖到設計標高后，必須盡快進行管道敷設工作，敷設完成后按要求盡快進行回填并夯實，盡可能的減少原狀土的暴露時間。

3）挖好水平地埋管溝槽以后，應清理干凈溝槽內(nèi)的石塊等，并且將溝底夯實。在敷設管道前，應先鋪設細紗或墊層，其厚度不應小于管徑厚度。此砂墊層可減少和降低地上建筑物因發(fā)生垂直或不均勻沉降，軟基層對水平地埋管造成的破壞。

4）給水管道施工完畢并經(jīng)檢驗合格后，及時回填溝槽。

本項目嚴格按照上述施工工序和技術(shù)要點進行現(xiàn)場施工，尤其是采取了定型的U型彎頭成品件，嚴格試壓，同時在水平地埋管溝槽中鋪設砂墊層，確保了施工質(zhì)量，所有成孔全部一次性到位，試壓全部合格。

3 地源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)供暖方式效益對比分析

本項目選用地源熱泵和水冷螺桿機組合系統(tǒng)（主要設備包含地源熱泵冷/熱水機組2臺及水冷螺桿冷水機組兩臺等設備）用于服務北樓1-4層，西樓及東樓1樓門廳，其中西樓主要為高凈空、大跨徑運動場館，服務面積為13154平米。

3.1 經(jīng)濟效益分析

為了估算該組合系統(tǒng)在本項目中運用的經(jīng)濟效益[2]，結(jié)合南昌市天氣情況（詳見圖2），假定每年制冷周期為5月15日-10月20日，時間段為8：00-21：00，每年采暖周期為12月1日-3月31日，時間段為8：00-21：00。同時，制冷時采取錯峰使用，主要分為3個階段：第一階段：夏季5月15日-6月14日優(yōu)先開啟冷卻塔，第二階段：夏季6月15日-7月14日優(yōu)先開啟地源熱泵，第三階段：夏季7月15日-10月20日優(yōu)先開啟冷卻塔。

結(jié)合上述條件，本工程采用HDY-SMAD空調(diào)負荷計算及分析軟件對該項目冷熱負荷進行測算（詳見圖3），得出地源熱泵制冷量為640157KWH，水冷機組制冷量為1747711KWH，按地源熱泵能效比COP為4.3，測算出用電量為148873KWH，水冷機組能效比COP為4，測算出用電量為436927KWH。地源熱泵制冷量為1009143KWH，按地源熱泵能效比COP為3.8、用電量為265564KWH。綜合以上數(shù)據(jù)，該組合全年制冷量和制熱量分別為2387868 KWH、1009143KWH，耗電量為851365KWH。

圖2 南昌市全年日平均干球溫度曲線圖

圖3 全年冷熱負荷曲線圖

假定用多聯(lián)機替換地源熱泵和水冷螺桿機組合系統(tǒng)，全年制冷量和制熱量分別為2387868 KWH、1009143KWH，多聯(lián)機全年能效比一般取3.2，耗電量為1061566KWH。

通過將地源熱泵和水冷螺桿機組合系統(tǒng)與多聯(lián)機進行對比，該組合每年節(jié)約用電210200KWH，節(jié)約比例約19.8%。按該項目周邊商業(yè)電費1.4元/度計算，每年節(jié)約費用約29萬元。

3.2 環(huán)境效益分析

地源熱泵和水冷螺桿機組合系統(tǒng)與多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)消耗電能制冷供熱，均會產(chǎn)生很多污染物。將上述兩種空調(diào)系統(tǒng)方案消耗的電量折算成標準煤，計算其污染物排放量。燃燒 1t標準煤的污染物排放量[3]如表1所示。

表1 燃燒1t標準煤的污染物排放量（kg/t）

國家統(tǒng)計局給出的電力折算成標準煤參考系數(shù)為0.404kgce/kwh，即電廠每1kwh電能需要消耗0.404kg標準煤。

使用地源熱泵和水冷螺桿機組合系統(tǒng)全年耗電量為851365度，折算成標準煤為343.95t。使用多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)全年耗電量為1061566度，折算成標準煤為428.87t。兩種方案污染物排放量如表2所示。

表2 污染物排放量比較（kg）

由表2可以看出，與多聯(lián)機相比，使用地源熱泵和水冷螺桿機組合系統(tǒng)可以顯著減少各有害氣體的排放，提高了空氣質(zhì)量。

4 結(jié)語

本文結(jié)合地源熱泵在市老年活動中心項目上的應用，對地源熱泵施工技術(shù)進行了一定的研究探討，本項目采取了定型的U型彎頭成品件，嚴格試壓，在水平地埋管溝槽中鋪設砂墊層，確保了施工質(zhì)量，所有成孔全部一次性到位，試壓全部合格。同時，本文采取HDY-SMAD空調(diào)負荷計算及分析軟件研究對比了地源熱泵和水冷螺桿機組合系統(tǒng)和多聯(lián)機制冷供熱的經(jīng)濟和環(huán)境效益，地源熱泵和水冷螺桿機組合系統(tǒng)每年用電比多聯(lián)機節(jié)約19.8%、電費約29萬元，顯著減少各有害氣體的排放，真正做到“經(jīng)濟節(jié)能、綠色環(huán)?！?，為項目增色。