復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)在既有建筑節(jié)能改造中的應(yīng)用分析

中國城市建設(shè)研究院有限公司 ■ 王哲 白旭光

0 引言

為進(jìn)一步優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，改善空氣質(zhì)量，建設(shè)國際一流的和諧宜居之都，扎實(shí)推進(jìn)《北京市“十二五”時期能源發(fā)展建設(shè)規(guī)劃》提出的關(guān)于加快新能源和可再生能源開發(fā)利用的方針政策，以“因地制宜、多能互補(bǔ)、重點(diǎn)突破、政策配套”為原則[1]，重點(diǎn)開發(fā)北京地區(qū)的地?zé)崮堋?/p>

眾所周知，地源熱泵系統(tǒng)在既有建筑中的應(yīng)用主要面臨兩大難題：一是建筑場地受限制，廠區(qū)內(nèi)空閑土地面積較少、分散且不規(guī)則，存在設(shè)計系統(tǒng)不宜劃分和地埋管換熱器的布置場地不足等問題；二是系統(tǒng)設(shè)計不合理，若地埋管換熱器的設(shè)計選型不合理，會導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果差，甚至增加工程造價等，這主要是由于各地巖土的熱物性存在差異造成的[2-3]。本項(xiàng)目通過優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，分析巖土換熱特性，對以往設(shè)計中地埋管換熱器布置間距不合理、埋管形式選擇不當(dāng)和土壤熱堆積等問題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；通過對地源熱泵系統(tǒng)在既有建筑中的應(yīng)用進(jìn)行闡述和分析，旨在為該地區(qū)地?zé)崮荛_發(fā)利用及合理的系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于北京市昌平區(qū)某溫泉療養(yǎng)院，總建筑面積為10.47萬 m2，多年來主要采用2臺容量分別為4蒸噸和10蒸噸的燃煤蒸汽鍋爐和1臺7 MW的燃煤熱水鍋爐進(jìn)行冬季供暖。據(jù)統(tǒng)計，該療養(yǎng)院采暖季年均耗煤量達(dá)2619 t；全年耗標(biāo)準(zhǔn)煤量為2250 t，排放CO25557 t、SO245 t、粉塵等大氣污染物32.5 t。這種采暖方式的能源利用率低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，因此，對其進(jìn)行節(jié)能改造勢在必行。

本項(xiàng)目根據(jù)既有建筑的供能需求情況，通過合理優(yōu)化系統(tǒng)形式，選用復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計，減少了地埋管的初投資費(fèi)用，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時，也取得了良好的環(huán)境效益。

2 地埋管換熱器的換熱性能分析

由于地埋管換熱器的換熱性能與地質(zhì)結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，其傳熱受地質(zhì)構(gòu)造、巖層的產(chǎn)狀、地下流體的影響較大，宜通過理論分析與實(shí)驗(yàn)來確定本區(qū)域地埋管換熱器的換熱性能。

根據(jù)項(xiàng)目既有建筑物的布局特點(diǎn)，結(jié)合本次地質(zhì)勘察區(qū)域的水文地質(zhì)條件，場區(qū)地形、地勢條件，以及現(xiàn)場施工條件等諸多因素，共設(shè)1#和2# 2個測試井。單個測試井的孔徑為180 mm，井深為130 m，將長130 m的雙U形HDPE 管插入測試井，測得測試井無加熱供水和加熱供水2種工況下共計96 h的數(shù)據(jù)。利用瞬時系統(tǒng)模擬程序(TRNSYS)提供的氣象數(shù)據(jù)，綜合地質(zhì)勘察設(shè)計院勘察的地質(zhì)、地理?xiàng)l件，模擬地埋管換熱器在熱交換達(dá)到穩(wěn)態(tài)情況時測得的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖3所示。

根據(jù)圖1～圖3中的數(shù)據(jù)，計算得到該地區(qū)地下的原始溫度為15.5 ℃左右。通過軟件模擬和理論計算分析得到項(xiàng)目地點(diǎn)的地下綜合導(dǎo)熱系數(shù)為2.1W/(m·K)，容積比熱容為920 J/(kg·K)；130 m雙U形地埋管換熱器的綜合換熱率為30000～34000 kJ/h，平均放熱量為68.3 W/延米，平均吸熱量為45.6 W/延米?？梢姡緟^(qū)域土壤初始溫度較高且換熱性能好，較適宜開發(fā)利用淺層地?zé)崮堋?/p>

圖1 無加熱供水時的進(jìn)、回水溫度

圖2 1#測試井中的進(jìn)、回水溫度

圖3 2#測試井中的進(jìn)、回水溫度

3 地埋管換熱器的設(shè)計

3.1 地埋管換熱器的埋管形式

在地源熱泵系統(tǒng)中，地埋管換熱器的埋管形式有豎直埋管和水平埋管兩種[4]。根據(jù)既有建筑廠區(qū)內(nèi)作業(yè)面的實(shí)際情況、項(xiàng)目所在地的巖土類型及挖掘成本，同時考慮到減小占地面積、減少地埋管受地面溫度的影響、提高地埋管換熱器的換熱性能等因素，本次地埋管換熱器采用豎直埋管、同程式方式，以保持各環(huán)路之間的水力平衡。

3.2 地埋管井的鉆孔間距與地埋管形式的確定

3.2.1 鉆孔間距對累計溫升的影響

考慮到系統(tǒng)冬、夏季均使用，并要平衡土壤的取、放熱量，運(yùn)用GLD軟件對不同鉆孔間距的地埋管井群長期運(yùn)行后土壤的溫度變化(與原始土壤溫度相比)情況進(jìn)行了模擬，如圖4所示。

圖4 不同間距的溫度變化情況

從圖4中可以看出，運(yùn)行15年后，鉆孔間距為4 m的地源熱泵系統(tǒng)的土壤溫度升高0.20 ℃左右，而采用鉆孔間距為5 m的地源熱泵系統(tǒng)的土壤溫度只升高0.12 ℃左右；運(yùn)行25年后，鉆孔間距為4 m的地源熱泵系統(tǒng)的土壤溫度變化比鉆孔間距為5 m的高出0.10 ℃左右。同樣，余斌等[5]建立了6×6和12×12井群模型，研究了鉆孔間距對于地埋管群換熱的影響，并得出鉆孔間距越大，地埋管換熱器的換熱效率越大的結(jié)論。

若從換熱性與安全運(yùn)行的角度考慮，地埋管換熱器的布置間距為5 m時可減緩?fù)寥赖臒岫逊e效應(yīng)，系統(tǒng)運(yùn)行更安全。

3.2.2 單U、雙U形式的選擇

從換熱性能方面分析，在排熱工況與取熱工況下，雙U形地埋管的單位井深換熱性能均比單U形的高；從投資成本考慮，單U形地埋管的經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)[6]。若僅從短期的換熱性能或投資成本考慮，二者的選擇有較大差別，但從長遠(yuǎn)來看，選擇雙U形地埋管更優(yōu)。

3.3 地埋管相關(guān)設(shè)計的確定

通過以上模擬分析，綜合考慮施工、安全系數(shù)等方面的因素后，本次設(shè)計將雙U形地埋管換熱器豎直埋管，埋管間距為5 m，以保證系統(tǒng)的換熱性能良好。

3.4 地埋管換熱器的布置

地埋管換熱器的布置以“保證利于換熱、避免熱堆積、降低初投資”為設(shè)計原則，利用既有建筑周邊綠地、廣場、停車場、馬場等空地，結(jié)合療養(yǎng)院既有建筑供能需求及負(fù)荷需求差異，采用復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)，并對地埋管換熱器進(jìn)行經(jīng)濟(jì)合理的分區(qū)布置。

根據(jù)療養(yǎng)院總負(fù)荷需求及延米換熱數(shù)據(jù)，共需地埋井123890延米，按間距5 m、井深130 m計算，需布孔953個。其中，一區(qū)布置區(qū)主要利用游泳館周邊綠地、廣場、停車場，共布孔398個；二區(qū)布置區(qū)設(shè)置在竹林溫泉東側(cè)停車場，共布孔58個；三區(qū)布置區(qū)主要利用北側(cè)馬場，共布孔497個。

為保證每個分區(qū)的地埋管換熱器在不同負(fù)荷需求下的經(jīng)濟(jì)流速及換熱能力，將每個分區(qū)劃分為若干子分區(qū)，每個子分區(qū)設(shè)5～6組分集水器，實(shí)現(xiàn)不同負(fù)荷需求下的運(yùn)行調(diào)節(jié)，同時利于地埋管換熱器的系統(tǒng)檢修。

4 能源站的設(shè)計

地源熱泵系統(tǒng)中的熱泵機(jī)組及配套設(shè)施統(tǒng)稱為能源站，能源站的布置以“靠近負(fù)荷較集中的區(qū)域”為原則，保證地源熱泵系統(tǒng)的能量損失最小；地源熱泵機(jī)組等設(shè)備的配置根據(jù)冷熱負(fù)荷需求及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性確定，最終配置方案如表1所示。

通過表1可以看出，能源站1和能源站3的累計冷負(fù)荷遠(yuǎn)大于累計熱負(fù)荷，因此，將能源站1和能源站3采用冷卻塔輔助的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)。此種設(shè)計將地埋管作為冬季取熱、夏季排熱的主要冷熱源，將冷卻塔作為夏季輔助冷源，其可實(shí)現(xiàn)以下2個目標(biāo)：

1)提高熱泵機(jī)組的運(yùn)行效率。通過調(diào)節(jié)地下?lián)Q熱器的間歇運(yùn)行，冷卻塔輔助排熱，以維持地下?lián)Q熱器長期穩(wěn)定運(yùn)行，保證熱泵機(jī)組進(jìn)水口溫度穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)其高效運(yùn)行。

表1 能源站配置表

2)降低初投資。采用復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)一方面可以縮短地埋管換熱器的設(shè)計長度，減少地埋管換熱器的數(shù)量；另一方面可以減少占地面積，從而在整個系統(tǒng)的初投資方面節(jié)省大量費(fèi)用。

5 地源熱泵系統(tǒng)冷熱平衡分析

5.1 淺層巖土體地?zé)崮軆α?/h3>

根據(jù)建設(shè)場地測試孔及地下水動態(tài)資料顯示，項(xiàng)目所在地130 m深度內(nèi)，地下水位埋深取26.0 m。水位以上，粉土層厚度為3 m(將回填土算入該層)，粉質(zhì)粘土層厚度為12.5 m，白云巖層厚度為20.5 m；水位以下，白云巖層厚度為94 m。不同巖性參數(shù)如表2所示。

根據(jù)建設(shè)場地附近區(qū)域地層分布情況計算該地區(qū)130 m深度內(nèi)地?zé)崮軆α浚捎脽醿Ψㄓ嬎銣\層地?zé)醿α?，?yīng)分別計算包氣帶和飽水帶中的單位溫差儲熱量。

表2 不同巖性參數(shù)表

5.1.1 包氣帶熱儲量的計算

在包氣帶中，地?zé)崮艿膬Υ媪縌R1的計算式為[7]：

式中，QS為巖土體中的熱儲存量，kJ；QW為巖土體所含水中的熱儲存量，kJ；QA為巖土體中所含空氣中的熱儲存量，kJ。

巖土體中的熱儲存量QS的計算式為：

式中，ρS為巖土體密度，kg/m3；CS為巖土體比熱容，kJ/kg·℃；φ為巖土體的孔隙率(或裂隙率)；M為計算面積，m2，此處為地下?lián)Q熱器的占地面積；d為巖土體計算厚度，m；ΔT為利用溫差，℃，此處取1 ℃。

巖土體所含水中的熱儲存量QW的計算式為：

式中，ρW為水的密度，kg/m3；CW為水的比熱容，kJ/kg·℃；ω為巖土體的含水量。

巖土體中所含空氣中的熱儲存量QA的計算式為：

式中，ρA為空氣的密度，kg/m3；CA為空氣的比熱容，kJ/kg·℃。

通過計算得出，該項(xiàng)目所在地中包氣帶(0～26 m)每變化1 ℃，需吸收或排放的總熱儲量QR1為 1.6×109kJ。

5.1.2 飽水帶熱儲量的計算

飽水帶主要包括含水層和相對隔水層，在含水層和相對隔水層中，地?zé)崮艿膬Υ媪縌R2的計算式為[7]：

巖土體中的熱儲存量QS的計算式為：

式中，d1為地下水面至計算下限的巖土體厚度，m。

巖土體所含水中的熱儲存量QW的計算式為：

通過計算得出，該項(xiàng)目所在地中飽水帶(26～130 m)每變化1 ℃，需吸收或排放的總熱量QR2為 4.9×109kJ。

根據(jù)包氣帶和飽水帶熱儲量的計算結(jié)果，地源熱泵系統(tǒng)影響范圍內(nèi)地質(zhì)體(0～130 m)每變化1 ℃，釋放或吸收的熱量約為QR=QR1+QR2=6.5×109kJ。

5.2 地源熱泵系統(tǒng)與淺層巖土體換熱量

根據(jù)能源站系統(tǒng)配置，考慮制冷天數(shù)為120天，供暖天數(shù)為120天。地源熱泵系統(tǒng)使用時的季節(jié)系數(shù)根據(jù)我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4329-97和美國ARI標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。則地源熱泵系統(tǒng)與淺層巖土體換熱量計算如表3所示。

表3 地源熱泵系統(tǒng)與淺層巖土體換熱量計算表

綜上所述，經(jīng)過1個制冷季與供暖季后，地源熱泵向淺層巖土體所放出的熱量與其從淺層巖土體側(cè)吸收的熱量差值為0.41×109kJ。地源熱泵系統(tǒng)影響范圍內(nèi)的地質(zhì)體(0～130 m)每變化1℃，釋放或吸收的熱量約為6.5×109kJ，因此，地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行1年導(dǎo)致土壤溫度上升0.06 ℃。然而，熱泵系統(tǒng)的間歇運(yùn)行管理、地下水流動對地層散熱的影響等均有利于土壤溫度的恢復(fù)?？傮w而言，地源熱泵系統(tǒng)對地層溫度的影響不大。

6 經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益

6.1 經(jīng)濟(jì)效益

經(jīng)回訪調(diào)研發(fā)現(xiàn)，本項(xiàng)目進(jìn)行節(jié)能改造后，冬季采暖和夏季制冷系統(tǒng)年消耗電力約826.72萬kWh，年能耗總量折合成標(biāo)準(zhǔn)煤為1016.04 t，相當(dāng)于9.70 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/m2的能耗水平，與現(xiàn)階段北京市同類高級酒店約14～17 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/m2的能耗水平相比有較大幅度地降低，節(jié)能效果顯著。系統(tǒng)能耗指標(biāo)表如表4所示。

表4 系統(tǒng)能耗指標(biāo)表

6.2 環(huán)境效益

通過分析改造前后的能源消耗量發(fā)現(xiàn)，改造后每年可減少排放CO23050 t、SO224.7 t、粉塵等大氣污染物26.796 t ，取得了良好的環(huán)境效益。

7 結(jié)論

淺層地?zé)崮軐儆诳稍偕鍧嵞茉?，其開發(fā)利用符合我國能源發(fā)展戰(zhàn)略。對于地源熱泵系統(tǒng)是否適用于既有建筑節(jié)能改造，首先取決于是否有充足的場所，與此同時需綜合考慮工程所在地的土壤溫度、建筑物負(fù)荷情況、工程地質(zhì)情況等因素，利用節(jié)能、高效、無污染的熱泵技術(shù)，通過優(yōu)化地埋管換熱器設(shè)計，打造專屬工程，以保證良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。