土壤源熱泵系統(tǒng)節(jié)能方案分析

韓 非 （安徽兩淮建設有限責任公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

近年來，淺層地熱能作為熱泵冷熱源應用非常廣泛，能滿足夏季制冷及冬季供暖的需求，土壤源熱泵技術已成為最有發(fā)展?jié)摿Φ牟膳照{技術之一[1]。土壤源熱泵系統(tǒng)通過埋管換熱器實現(xiàn)建筑物內部與土壤層熱量交換，從而實現(xiàn)室內溫度調節(jié)的要求[2]。消耗少量的電能即可實現(xiàn)從低品位能源向高品位能源轉換，緩解城市熱島效應的同時還能減少污染物的排放，節(jié)能減排，清潔環(huán)保[3]。

2 土壤源熱泵工作原理

地下一定深度的土壤層幾乎不受太陽輻射干擾，溫度相對穩(wěn)定，通過在建筑物周圍布置地埋管管路系統(tǒng)，實現(xiàn)與建筑物內部冷熱交換[6]。冬季建筑物供暖通過從土壤中取熱完成，夏季建筑物制冷需向土壤層散熱實現(xiàn)，以土壤層作為熱泵機組的冷熱源，實現(xiàn)建筑物內部的供暖供冷[6]。

土壤源熱泵運行模式：地埋管換熱系統(tǒng)→集水器→地源側水泵→地源熱泵機組→分水器→地埋管換熱系統(tǒng)。

3 工程應用實例

3.1 工程概況

高速·濱湖時代廣場位于合肥濱湖新區(qū)徽州大道與方興大道交叉路口，南鄰煙墩路，西鄰西藏路。該建筑群地上建筑面積448390m2，地下建筑面積112309m2，總建筑面積 560699m2。其中，C1# 樓：地下三層為設備用房，地下二層及地下一層功能為酒店輔助用房，1～5為酒店裙房，功能為酒店大堂、餐飲、會議及娛樂用房，裙房建筑面積27056m2，采用土壤源（豎直U型）地源熱泵空調系統(tǒng)，以解決裙房冬季供暖及部分衛(wèi)生熱水需求，由于地下室范圍及裙房部分由于豎向荷載水平較低，柱墩傳至土體的應力在土體的影響范圍有限，在結構上具有可行性，因此地埋管設置于地下室。

3.2 空調設計方案

酒店裙房地源熱泵空調系統(tǒng)設計及主要設備選擇。

①系統(tǒng)設計：采用常規(guī)冷水機組與帶部分熱回收的地源熱泵機組混合運行模式，夏季由地源熱泵機組（帶部分熱回收）機組及常規(guī)冷水機組聯(lián)合制冷，并提供夏季衛(wèi)生熱水負荷；冬季由地源熱泵機組（帶部分熱回收）機組供暖，同時由蒸汽鍋爐提供備用熱源；過渡季節(jié)及冬季采用高溫型全熱回收地源熱泵機組提供衛(wèi)生熱水,同時全年由蒸汽鍋爐提供輔助及備用衛(wèi)生熱水熱源。

②機組配置原則：考慮到五星級酒店的標準，要求制冷系統(tǒng)及供暖設備要有足夠的可靠性，即當其中一臺制冷機或供暖設備故障時，其余的制冷機或供暖設備仍然可以滿足75%的計算冷負荷。

③冷熱源選用2臺熱回收型地埋管螺桿式地源熱泵機組，每臺機組的制冷量為1758kW（500RT），制熱量1800 kW，同時選擇1臺1758kW（500RT）常規(guī)螺桿冷水機組，選擇1臺1055kW（300RT）常規(guī)冷水機組。冷凍機房設置于地下三層，冷卻塔設置于地下三層，冷卻塔設置裙房屋面。

3.3 地埋管換熱器設計

①地埋管形式及鉆孔數(shù)量計算

本工程采用PE管垂直雙U埋管形式，管徑d25，鉆孔深度105m，間距4.0m×4.0m，有效深度100m，鉆孔孔徑150mm。根據(jù)實際布管設計實際可實現(xiàn)埋管數(shù)量為810口。

②地埋管系統(tǒng)的設計及控制

地埋管換熱系統(tǒng)根據(jù)場地情況劃分為116個環(huán)路系統(tǒng)，與地埋管分集水器（地下三層冷凍機房）相連接，水平干管直埋敷設于地下2～2.5m處（二層結構板下方），設置全自動落地式定壓補水裝置，循環(huán)水泵與熱泵機組采取一對一的運行方式，地源熱泵機組運行臺數(shù)則根據(jù)其流量的大小自動調節(jié)匹配。

③全年土壤熱平衡設計

溫度傳感器及流量傳感器設置于地埋管水系統(tǒng)的供回水總管道上，對地埋管換熱器全年夏季總釋放熱量、冬季及過渡季節(jié)總取熱量進行分項計量。夏季制冷工況下，帶部分熱回收的地源熱泵機組的優(yōu)先使用，根根運行時間切換機組實現(xiàn)土壤層全年熱平衡。

④土壤溫度數(shù)據(jù)采集設計

本工程設有光纖分布式土壤溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一套，地埋管區(qū)域選取2個數(shù)據(jù)采集點，不同巖土層結構垂直方向進行溫度數(shù)據(jù)采集，并進行全年動態(tài)分析，便于系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行。

3.4 土壤溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的深化設計與施工

溫度測量：在場地北部施工三個鉆孔，鉆孔編號為1號孔、2號孔和3號孔，從埋管區(qū)域往北每間隔5m設置一個鉆孔，深度為120m，每個鉆孔中從上到下綁扎6個溫度傳感器（間距為20m），在場地東南埋設一個鉆孔，鉆孔編號為4號孔深度為120m，每個鉆孔中從上到下埋設6個溫度傳感器（間距為20m）。

施工方法：將d32的HDPE管置于已施工好的鉆孔中（孔深120m）中，并在管中充注滿水，將來用溫度探頭從上到下進行測量，綁扎的溫度傳感器溫度可以直接接入或暫時存儲，預埋套管，用于溫度傳感器的維護和檢修。

3.5 地埋管管材選型及預制

①管材及連接要求管材及管件均采用高密度聚乙烯PE管（1.6MPa)，它具有良好的耐腐蝕性和化學穩(wěn)定性，能滿足系統(tǒng)長期使用的需求。

②管道安裝前須清除管內污垢及雜物,用水沖凈，安裝中的管口應臨時封閉。

③水平干管坡度不小于0.002。

④井下PE垂直管預制。

4 系統(tǒng)冷熱源方案選擇與分析

合肥地區(qū)根據(jù)氣候分區(qū)屬于夏熱冬冷地區(qū)，全年平均氣溫15.7℃，建筑物夏季冷負荷約為冬季熱負荷的1.7倍，夏季制冷時間約為120 d，冬季供暖時間約為90 d。冷熱源機組應夏季供冷，冬季供暖，工作時間為全天24h運行。通常在末端裝置確定的情況下，各對比方案之間的經濟性差異主要是系統(tǒng)冷熱源不同引起的，一般是集中設置冷熱源。根據(jù)我省能源現(xiàn)狀，確定幾種常見的冷熱源方案，并與土壤源熱泵進行分析比較[6]。

土壤源熱泵系統(tǒng)年運行費用主要分為系統(tǒng)運行電能消耗產生的費用、設備維修費保養(yǎng)費用以及監(jiān)管人員工資等。而常規(guī)冷水機組系統(tǒng)加上燃氣鍋爐年運行費用主要由包括集中供熱費用、系統(tǒng)運行電能消耗產生的費用、設備維修費保養(yǎng)費用以及監(jiān)管人員工資等（為方便計算，設備的折舊費忽略不計）。系統(tǒng)年運行費用主要包括電費、水費和燃料費用，其中補水量按系統(tǒng)循環(huán)水量的2%計算。由于機組實際上大部分運行時間都是處于部分負荷運行狀態(tài)，因此機組夏季運行按 100% 負荷 10d、80% 負荷 20d、60%負荷40d、40%負荷20d、20%負荷10d計算；冬季運行按100%負荷10d、80%負荷 30d、60% 負荷 30d、40% 負荷30d、20%負荷10d計算。

冬季工況以2016年冬季為例，供暖期為12月5日至次年的3月15日共101d。夏季工況以2017年夏季為例，供冷期為6月1日至9月15日，共107d。合肥市目前居民用水價格為2.45元/m3，民用天然氣價格為2.33元/m3，系統(tǒng)運行時間段內的平均電價為0.48元/kW·h。

方案一：土壤源熱泵冬季工況由監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到系統(tǒng)耗電量5.702×105 kW·h，因此冬季使用的電費為27.37萬元；土壤源熱泵系統(tǒng)在投入后管理和定期維修保養(yǎng)，按兩名維保人員計算，工資1800元每月，冬季運行人員工資費用總計1.44萬元；該系統(tǒng)年冬季的維修費為0.65萬元，冬季總運行費用為29.46萬元。夏季系統(tǒng)總耗電量魏1.39×106kW·h，運行電費為66.83萬元；人工費按0.72萬元計算，2017年夏季無維修費用，運行費用總計67.55萬元。

方案二：冬季工況采用電動冷水機組+燃氣鍋爐系統(tǒng)對該工程進行供熱，冬季采暖燃氣鍋爐的運行，耗電量8.01×104kW·h,總供熱費3.85萬元。夏季工況系統(tǒng)耗電量1.73×106，合計83.05萬元。將兩種方案的初投資及年運營費用匯總。

方案一的系統(tǒng)投入初投資雖然較高，但其總運行費用最低，方案二初投資最小，但需要單獨設置鍋爐房，夏季冷水機組運行費用與空氣源熱泵相差不多，冬季燃氣鍋爐運行費用最高，總的運行費用是兩種系統(tǒng)中最高的。結合能源價格及環(huán)境污染排放，方案二的系統(tǒng)配置相比方案一不利。

5 結論

綜上所述，土壤源熱泵雖然由于地埋管換熱系統(tǒng)比較復雜，初次投資高于傳統(tǒng)中央空調系統(tǒng)，但傳統(tǒng)中央空調的運行費用遠高于土壤源熱泵，一般4～9年時間就可以將增加的初投資部分收回[4]。雖然影響土壤源熱泵系統(tǒng)使用經濟性的因素有很多，如國家能源政策、能源價格、建筑環(huán)境、使用者以及氣候條件等。采用土壤源熱泵系統(tǒng)供暖在幾種供暖方式中能量轉換系數(shù)最大，因此在運行費用的節(jié)省上也具有一定的優(yōu)勢。傳統(tǒng)中央空調壽命一般在12年左右，而土壤源熱泵的地下?lián)Q熱系統(tǒng)由于采用高強度的材料，埋地壽命可達50年。本文對土壤源熱泵在合肥地區(qū)應用進行研究，使土壤源熱泵這一利用可再生能源的新技術在合肥地區(qū)進一步推廣具有很大的價值，同時為為安徽省相關政策和發(fā)展規(guī)劃提供參考。