土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在寧波地區(qū)應用注意及案例分析

相關權威資料通過資源性條件（土壤平均溫度）和系統(tǒng)性條件（節(jié)能性、經(jīng)濟性、環(huán)保性和平衡性）對各氣候區(qū)域的兩類典型建筑（辦公和居?。┑牡卦礋岜每照{(diào)系統(tǒng)進行了適宜性研究[1]，得出夏熱冬冷地區(qū)（含寧波地區(qū)）應用單一式地源熱泵系統(tǒng)和復合式地源熱泵系統(tǒng)分別為一般適宜區(qū)和較適宜區(qū)。具體到單體項目的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)適宜性，則要考慮其具體特點，進行分析和論證，決定是否采用。

2010 年以來，寧波市數(shù)以百計采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的項目已竣工運行，項目涵蓋了賓館、醫(yī)院、辦公樓、商業(yè)甚至住宅小區(qū)。筆者結合工程實例及設計經(jīng)驗，從以下幾方面對地源熱泵系統(tǒng)中土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的選用、施工及建筑物的應用提出一些看法，供參考。

1 土壤熱平衡問題

寧波市全年冷熱負荷差別較大。夏季工況時，土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)向巖土排放的熱量遠大于冬季所提取的熱量，若不采取熱平衡措施，長期運行勢必使巖土層溫度升高，系統(tǒng)的運行效率將逐年降低，嚴重時會導致空調(diào)系統(tǒng)不能正常運行，反之亦然。當然，有衛(wèi)生熱水需求的賓館等建筑理論上是可以通過夏季消耗冷凝熱的方式來緩解或消除土壤熱平衡現(xiàn)象的。但對于辦公樓、商業(yè)等建筑，解決此問題的方法只能是設置冷卻塔等輔助散熱源，排除多余的熱量，多數(shù)情況下節(jié)能性會受影響。

下面以寧波某公建為例，分析冷熱負荷差值及所需補充的“取熱量”解決途徑。

（1）工程概況：項目位于湖畔，是集文化交流、會展服務及民俗體驗等功能于一體的文化活動中心?？傆玫孛娣e 11 370 m2，總建筑面積 4 175 m2，其中地下 1 層，地上 3 層。地下層是設備用房，1～2 層為展覽廳，3 層為觀光層。

（2）冷熱負荷：空調(diào)冷負荷 590.9 kW，熱負荷 389.6 kW。

（3）巖土冷熱平衡措施：全年累計冷負荷 320 980 kWh，累計熱負荷 194 461 kWh，兩者比值為 1.65∶1，考慮機組的能效后，夏季向土壤排熱量 394 922 kWh 達到冬季吸熱量 147 031 kWh 的 2.69 倍，存在極大不平衡性。因此，制冷時采用湖水輔助散熱 247 891 kWh（累計運行 620 h），則夏季向土壤排熱量可減少為 147 031 kWh，解決了土壤冷熱不平衡問題。

2 土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性問題

眾所周知，土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的合理應用既可以解決環(huán)境熱污染（冷卻塔排熱），環(huán)境噪聲（冷卻塔風機運行噪聲）及水資源浪費（冷卻塔飄水、排污等），又可以廢熱利用（利用冷凝熱制取衛(wèi)生熱水）。然而，通過實際工程的調(diào)研可知，真正做到土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)合理應用并產(chǎn)生社會、環(huán)境效益雙贏的并不算多；部分工程甚至消耗了更多能源。

我們總結了一下采用土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)但節(jié)能效果欠佳的工程，有以下幾個原因。

（1）帶有個人功利思想或以獲取政府節(jié)能補貼為目的，未對項目進行客觀分析，盲目采用該系統(tǒng)。單純認為只要采用此系統(tǒng)，就會產(chǎn)生良好的節(jié)能效益。其結果適得其反。

（2）想當然地認為只要有衛(wèi)生熱水需求都會達到土壤的熱平衡。這些工程有醫(yī)院，餐飲，甚至還有賓館。其實，衛(wèi)生熱水的“取熱量”是“累計值”，是需要根據(jù)計算得出的，實際上土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)室外換熱器的排熱量與吸熱量的不平衡指的是全年的累計值，而不是簡單地采用冷熱負荷值對比。只有在達到足以彌補冷熱平衡差值，在夏季“排熱”峰值時集中“取熱”才是合理的“平衡”方式。

（3）衛(wèi)生熱水用熱量冬季大，夏季小，比如洗浴中心。盡管全年“總耗熱量”可觀，但實際能稱為“免費用熱”的僅有夏季，其余三季衛(wèi)生熱水都依賴土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)制取，即使“熱匯”現(xiàn)象得以解決，但系統(tǒng)的經(jīng)濟性及節(jié)能性未必很高，應進行詳細分析比較。據(jù)了解，許多洗浴中心所用衛(wèi)生熱水來自購買的電廠余熱，經(jīng)專用槽車統(tǒng)一配送。既經(jīng)濟、節(jié)能，水溫也可保障，是個不錯的選擇。而采用土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)獨立制取的并不多?？梢姡脩粽莆罩^對的發(fā)言權和體驗感，耗資大，不經(jīng)濟的制取方式難以得到使用者的認可。

（4）較大規(guī)模的商業(yè)建筑，辦公樓等幾乎沒有衛(wèi)生熱水需求，無法夏季“耗熱”，而冷、熱負荷相差又較大。假設室外有足夠的埋管面積，按冷負荷選型土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)主機時為避免冷熱失衡，只能增加輔助散熱設施（如：設置板換+開式冷卻塔排熱）。這樣會造成室外地埋管的初投資本就較高，而板換設置又造成換熱溫差損失，還增加冷卻水泵功耗，其結果甚至超過常規(guī)冷水機組+燃氣鍋爐系統(tǒng)的運行能耗，形成初投資+能耗的“雙輸”局面。

（5）埋管地質(zhì)狀況為巖石層或土層厚度小于 30 m 的項目，打孔費用過高。例如：巖石地耦孔市場價約為 100～120元/m，是普通黏土地質(zhì)的近 2 倍，其回收期將會很長。

（6）由于室外埋管場地不足，部分垂直埋管及水平聯(lián)接管只能敷設于地下 2 層、甚至地下 3 層。埋管系統(tǒng)在敷設過程中有效埋管深度（有效深度應刨除地下層高）、管道承壓等多方面都會面臨問題，特別是地下水位較高的項目，問題則會更多。

3 室外埋管面積不足時，采用傳統(tǒng)“能量樁”的安全性問題

對于埋管面積充足的工程，設計人員需關注：做好換熱系統(tǒng)的冷熱平衡以及其性價比怎樣才能更合理；而對于室外埋管面積不足的項目，需要解決的是：埋管面積如何合理利用才能滿足項目的需求。有些工程，室外埋管面積連冬季使用都無法滿足，可是仍按夏季工況采用了土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。不足的埋管面積充分利用建筑物地下室的“底板面積”，隨傳統(tǒng)樁基（鋼筋籠）綁縛地埋管，即所謂的“能量樁”。對此做法，個人認為隱患較大。分析如下：

（1）施工工藝復雜，安全性差。地埋管道為聚乙烯管材，屬于塑料材質(zhì)，不耐高溫，遇焊渣或高溫時管壁有可能變薄，甚至融化，發(fā)生“粘連”。傳統(tǒng)“能量樁”的做法是：捆綁在鋼筋籠上的塑料地埋管材，隨鋼筋籠埋入樁孔內(nèi)。鋼筋籠分段連接，每段長度 6 m 左右。即：每隔 6 m 左右，地埋管道就要被動接受“鋼筋籠”的高溫焊接一次，一根 50～60 m 的結構樁施工完畢要接受至少 8次 焊接。焊接時焊渣飛濺，焊點處上千度高溫烘烤，綁扎在鋼筋籠上的地埋管道一定會受影響，但損壞程度不得而知。筆者曾經(jīng)在南京、寧波等工地上親歷了傳統(tǒng)“能量樁”的施工，大家看后都表示風險較大。而且，土建與管線施工人員本就屬于兩支隊伍，協(xié)調(diào)、配合更是堪憂。

（2）損壞后的無法修復性。即使能量樁的施工、后續(xù)的試壓、水平管道的聯(lián)接等工序均順利完成，系統(tǒng)投入運行，但一些潛在的破損點（原先變薄的管壁長期高壓運行）若出現(xiàn)滲漏，會造成系統(tǒng)失水。而管線又敷設在底板下，無法打孔埋入，造成系統(tǒng)的“無法修復性”，導致一組或幾組管線需要關閉；隨著破損組數(shù)的增多，系統(tǒng)的換熱量大受影響，無法全部排入地下的熱量必然影響空調(diào)系統(tǒng)的正常運行。

（3）關于管材的使用壽命。地埋管埋入結構樁基中，由于塑料管材的線膨脹系數(shù)與混凝土相差較大，如何解決其膨脹變形后的擠壓問題，并無實驗數(shù)據(jù)。8 760 h 的蠕變試驗中，塑料管是在裸露狀態(tài)下的試驗數(shù)據(jù)。因此，樁基中塑料管材的使用壽命是個未知數(shù)。

（4）地下水位對施工及運行的影響。地埋管隨樁埋入地下室底板下，甚至是地下 2 層，地下 3 層。對于地下水位較高的地區(qū)，水平管道浸泡在管溝內(nèi)，二級分集水器匯集處及一級分集水器機房連接處的防水在施工中難以處理。長期的水中運行，對閥門，甚至換熱效率都會帶來較大的影響，況且建筑物底板或側壁的防水問題也會影響其品質(zhì)。

綜上，對于埋管面積不足而采用傳統(tǒng)“能量樁”可能存的安全性問題，近年來被 “靜鉆根植樁”的發(fā)展，為地埋管的“綁縛”創(chuàng)造了條件。這種具有擠土效應小，噪聲小等顯著特點的樁基技術，在提升混凝土樁基性能和承載力的同時，固定在樁側的地埋管不再需要高溫焊接，人為損壞率大為降低。采用這種新型“能量樁”方式完工的項目效果良好；但管材的使用壽命、損壞后的無法修復性依然存在，只是概率較低。住宅小區(qū)，大型商業(yè)等項目，大多屬于室外埋管面積不足而地下室面積相對充裕，采用“能量樁”的方式埋管，還須慎重。

4 成片住宅區(qū)采用土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應用分析

4.1 冷熱平衡問題

成片住宅區(qū)夏季集中排熱量遠大于冬季集中取熱量，而衛(wèi)生熱水的需求量卻不大，冷熱不平衡無法避免。而集中設置冷卻塔等復合系統(tǒng)，必然受到設置區(qū)域，設備管理、維護及噪聲的限制。因此，冷熱平衡問題難以解決。

4.2 如何收費問題

住宅的空調(diào)使用時間因人而異，入住率也難以控制。同時，商品住宅又與其銷售狀況息息相關。集中空調(diào)的統(tǒng)一運行，必然導致業(yè)主的使用費大增，尤其是入住率低的時期。如何合理收費是物業(yè)公司和住戶都將面臨的難題。目前僅個別開發(fā)商的幾處樓盤采取的是按面積統(tǒng)一收費（與物業(yè)費結合）的粗放型模式，但其他房產(chǎn)公司的樓盤并未效仿。

4.3 投資回收期問題

住宅區(qū)域即使土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)投入運行，資金也很難在 5～6 a 內(nèi)得以回收。對于房產(chǎn)開發(fā)商及物業(yè)公司來說，無論是投資回收期、運行過程中的利潤空間以及運維成本均難以在短期內(nèi)得到解決，這是開發(fā)商和物業(yè)公司都不愿接受的。

5 獨棟別墅類建筑采用土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應用分析

獨棟別墅類建筑采用土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)理論上是可行、適合的，而且該系統(tǒng)在北美被稱為“弗吉尼亞系統(tǒng)”，原本就是應用于獨棟別墅上的。但我們?nèi)孕杩紤]以下幾個必要條件。

（1）是否有合適的地質(zhì)條件，如巖土的溫度、熱物性、巖石層的厚度（巖石層的傳熱性雖好，但打孔費用較高，總成本通常超 1 萬元/孔）。地質(zhì)條件是否適合，關系到地產(chǎn)投資方或業(yè)主的回收期長短，應引起重視。

（2）地埋管的安全性問題。如前文所述，獨棟別墅室外如果沒有足夠的埋管場地，地下室需部分埋管時，埋管的安全性和不可逆性需考慮。若全部埋管均可在室外實施時，即使有個別損壞，也可在原孔附近或合適位置重新打孔敷設。位于分集水器端的支路重新設置即可。雖費時費工，但空調(diào)系統(tǒng)仍可繼續(xù)使用。

（3）場地條件允許的情況下，盡量增大埋孔距離，盡可能地降低冷熱不平衡所帶來的“熱匯”現(xiàn)象，使系統(tǒng)更加安全地運行。

（4）水平連接管的敷設也應注意埋深及與排水、雨水、電纜等管線的交叉。埋深過淺不但會增加與其它管線的交叉機會，還可能因土層承載力不足而導致管線連接處損毀、拉裂；但埋設過深也會造成開挖量、回填量增大，且減少了垂直埋管的有效深度，也不可取。根據(jù)工程經(jīng)驗，地面下 2.0 m 的埋深比較適合水平管道的敷設。

6 例證分析賓館類建筑土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應用

賓館類建筑在冬夏兩季雖然冷熱負荷不均衡，但有大量的衛(wèi)生熱水需求，使得抵消排熱與取熱的差值成為可能。從上述特點來看，采用土壤源熱泵系統(tǒng)看似合理。但實例證明：不是所有的賓館都適合采用土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。分析后認為，是否采用該系統(tǒng)，除需滿足上文所述情形外，還需考慮以下幾種因素。

（1）需進行細致、客觀的冷熱平衡計算。設計單位應根據(jù)項目的使用特點，運行情況，衛(wèi)生熱水的“用熱量”及土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的“吸，放熱量”進行細致，客觀的熱平衡計算，輔以全年冷熱負荷分析；冷熱不平衡時，應設置必要的散熱裝置（如：冷卻塔，噴泉等），給出運行警示，并轉換運行（如回水溫度超過 32 ℃ 時轉入其他冷卻裝置散熱）。

（2）安全性問題。如室外埋管場地不足，需采用“能量樁”作為地埋管換熱系統(tǒng)時，投資方及運營方都應考慮該系統(tǒng)的安全性。該問題前文已詳述，不再贅述。

（3）項目的運行費及投資回收期問題。如果賓館建于山地，埋管場地以巖石為主，其埋管價格將比土壤地層增加近一倍，合理周期內(nèi)回收初投資難以實現(xiàn)。

下面以某賓館為例，對土壤源熱泵系統(tǒng)、冷水機組+燃氣鍋爐等空調(diào)系統(tǒng)在適用性、初投資、運行費用等多項對比分析。

工程概況：某新建五星級賓館，分為酒店客房和會議中心 2 部分；總用地面積 34 261 m2，總建筑面積 69 726 m2，地上 12 層，地下 2 層。其中酒店 1 層主要為全日餐廳，2～12 層為客房；會議中心主要為多功能廳、接待廳及廚房等配套用房。空調(diào)總冷負荷為 7 285 kW，空調(diào)總熱負荷為 4 606 kW。按此條件選取兩類冷熱源系統(tǒng)，進行初投資比較。常用的多聯(lián)機系統(tǒng)及風冷熱泵系統(tǒng)，則因且酒店一層為高大空間，采用普通多聯(lián)機系統(tǒng)難以滿足高星級酒店送回風舒適性、空調(diào)區(qū)域精準控制濕度以及中效過濾的潔凈度要求；而風冷熱泵機組能效比較低且噪聲大，不適用于體量較大的高檔賓館。因此，未將這兩種系統(tǒng)作為對比系統(tǒng)進行比較。

（1）初投資比較。①土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。本項目場地基本為黏土層，可采用打孔埋管的土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。考慮初投資及土壤熱平衡因素，以熱負荷需求計算地埋管長度，設計地埋孔 1 395 個，垂直地埋孔間距取 4 m×4 m。主機選型：以空調(diào)熱負荷為基礎，選擇 3 臺額定制熱量在 1 634 kW/臺的土壤源熱泵機組（額定制冷量為 1 582 kW），再選擇 2 臺制冷量在 1 329 kW/臺的離心式冷水機組補充冷負荷需求；同時，本項目生活熱水系統(tǒng)設計小時耗熱量 1620.17 kW，選擇土壤源熱泵機組中的一臺為全熱回收型。經(jīng)核算，初投資約為 2 050 萬元（包含主機、水泵、冷卻塔、空調(diào)末端、室外換熱器及機房安裝工程）。②冷水機組+燃氣鍋爐系統(tǒng)。主機選型：以冷負荷選擇 4 臺制冷量在 1 888 kW/臺的離心式冷水機組，再以熱負荷選擇 4 臺制熱量在 1 550 kW/臺的真空燃氣熱水鍋爐，可同時滿足夏季與冬季的空調(diào)冷熱負荷需求（未包括生活熱水需求）。經(jīng)核算，初投資約為 1 350 萬元（包含內(nèi)容同上）。

（2）運行費用對比。① 空調(diào)負荷時間頻數(shù)法計算全年的空調(diào)能耗。寧波地區(qū)酒店類建筑冷熱負荷頻數(shù)、空調(diào)負荷的時間頻數(shù)及部分負載率下的主機制冷 COP 參考值、主機制熱 EER 參考值如表1、表2 所示［① 表1、表2 所用數(shù)據(jù)均引自浙江省住房和城鄉(xiāng)建設廳發(fā)布的《民用建筑項目節(jié)能評估技術導則》；②浙江省北部地區(qū)（含寧波市）夏季空調(diào)運行天數(shù) 130 d，冬季 80 d，賓館按 24 h 運行計算］。② 運行費用對比。根據(jù)前文寧波地區(qū)酒店建筑冷負荷頻數(shù)以及各類冷熱源系統(tǒng)主機制冷 COP 值、制熱 EER 值計算相應系統(tǒng)的年運行能耗，得出：土壤源熱泵系統(tǒng)年運行能耗折合標煤 1 310.5 t；冷水機組+鍋爐系統(tǒng)年運行能耗折合標煤 1 443.3 t（以上計算值均包含冷熱源、水泵、冷卻塔及空調(diào)末端）。

表1 浙江省寧波市的酒店建筑冷熱負荷率頻數(shù)比例 單位：%

表2 部分負載率下對應的主機制冷 COP、制熱 EER 參考值

（3）數(shù)據(jù)評價分析。綜合判斷指標公式見式（1）[1]。

其中E值為一次能源利用率，β值為投資回收期，T值為冷熱源系統(tǒng)每平方米節(jié)煤量。得出的A值越大，以土壤源熱泵系統(tǒng)替代相應冷熱源系統(tǒng)的節(jié)能性越高。冷熱源能源利用綜合判別見表3。

表3 冷熱源能源利用綜合判別表

經(jīng)計算，不含熱水情況下，A＝0.79。在滿足適宜性原則的基礎上，當判斷指標A≥0.8 時，該項目采用土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是適宜的，反之，則不宜采用。從A值的結果上看，以土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)替代冷水機組+燃氣鍋爐系統(tǒng)的節(jié)能性并不理想，原因分析：冷負荷較大時，酒店建筑會運行能效比更高的離心式冷水機組，但土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在夏季能夠制取免費衛(wèi)生熱水的優(yōu)勢并未考慮在內(nèi)。

根據(jù)給排水專業(yè)提供的夏季日熱水耗熱量為 3 752 kWh，取空氣源熱泵能耗比為 2.5，則夏季采用空氣源熱泵制取熱水的用電量為 195 104 kWh。因此，包含熱水能耗時，以土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)替代冷水機組+燃氣鍋爐系統(tǒng) A＝0.93，節(jié)能性則較為可觀。

綜上，只要體量合適，室外埋管條件滿足，并且有大量穩(wěn)定熱需求的情況下，合理利用熱回收型土壤源熱泵機組制取“免費”衛(wèi)生熱水會提高系統(tǒng)的節(jié)能性，對比常規(guī)冷水機組+燃氣鍋爐系統(tǒng)在年運行費用上有優(yōu)勢，可在合理的周期內(nèi)收回投資。如酒店體量較大（2 萬 m2以上）且初投資較為緊張時，應進行必要的技術經(jīng)濟綜合比較后確定空調(diào)系統(tǒng)形式。

例證結論：并不是只要建筑物是賓館就應該使用地源熱泵系統(tǒng)，就一定會節(jié)能。

7 結 語

寧波地區(qū)土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應用需注意如下幾點。

（1）集中住宅區(qū)采用該系統(tǒng)初投資增加較多且室外埋管區(qū)域很難滿足要求，應慎用。

（2）無集中熱水需求且設有中央空調(diào)的公共建筑，可根據(jù)室外埋管區(qū)域面積，局部采用土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)（含復合式），但需做好經(jīng)濟性分析核算。

（3）獨棟別墅、洗浴場所、賓館等有集中空調(diào)且有穩(wěn)定衛(wèi)生熱水需求的建筑物，宜根據(jù)室外區(qū)域面積、地質(zhì)情況核算地埋管深度、數(shù)量，做好冷、熱平衡分析后，采用土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)（含復合式）。

總之，科學、合理地采用地源熱泵系統(tǒng)為建筑物提供空調(diào)服務，不僅屬于可再生能源利用，節(jié)能環(huán)保，也能為“碳達峰、碳中和”目標的順利實現(xiàn)提供助力。