地埋管地源熱泵技術(shù)在大型公共建筑群的應(yīng)用研究

屈高陽(yáng)，李佳

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000）

地源熱泵通過(guò)輸入少量的高品位能源，實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位熱能轉(zhuǎn)移。由于地下溫度變化較小，不太受季節(jié)影響，冬季比環(huán)境溫度高，而夏季比環(huán)境溫度低，因而可達(dá)到冬季供熱與夏季制冷的目的。供熱工況時(shí)，土壤或水體作為熱源，通過(guò)換熱裝置獲取其中熱量后輸入用戶末端起到供熱效果；而制冷工況時(shí)，土壤或水體則作為冷源，將建筑物內(nèi)熱量輸入大地中，再通過(guò)土壤或水體的導(dǎo)熱把熱量擴(kuò)散出去。因此，可以得知，地源熱泵系統(tǒng)是可以基本平衡地?zé)岬?，因?yàn)楣峁r下從土壤或水體提取的熱量可以在制冷工況下得到補(bǔ)償。

三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院靈鳳湖校區(qū)為新建校區(qū)，2020年秋投入使用，中央空調(diào)系統(tǒng)采用地埋管地源熱泵技術(shù)，2020 年冬投入使用。本文對(duì)其地埋管地源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和運(yùn)行情況進(jìn)行分析研究，對(duì)地埋管地源熱泵技術(shù)的推廣提供有效的參考及建議。

1 項(xiàng)目介紹

位于河南省三門峽市職教園區(qū)，占地面積約1143 畝，建筑總面積41.5 萬(wàn)平方米，供暖制冷面積39.9 萬(wàn)平方米。共有20 棟樓，各個(gè)建筑具體面積見(jiàn)表1。

表1 各個(gè)建筑具體面積

2 地埋管地源熱泵系統(tǒng)情況

學(xué)校有大量的操場(chǎng)和綠地，且地面無(wú)荷載，為地埋管地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用提供了良好的場(chǎng)地環(huán)境，因地制宜采用地埋管地源熱泵技術(shù)。地埋管地源熱泵系統(tǒng)是一套復(fù)雜的制冷供暖系統(tǒng)( 圖1、圖2)，主要分為三個(gè)部分：室外地源換熱系統(tǒng)、地源熱泵機(jī)組、室內(nèi)末端系統(tǒng)。地埋管地源熱泵系統(tǒng)的工藝流程如圖3所示。

圖1 地埋管地源熱泵系統(tǒng)冬季采暖工質(zhì)循環(huán)示意

圖2 地埋管地源熱泵系統(tǒng)夏季制冷工質(zhì)循環(huán)示意

圖3 地埋管系統(tǒng)工藝流程圖

地源井4900 孔，井深150m，井直徑0.15m，井間距4.5m。埋地?fù)Q熱管規(guī)格為De32 的雙U 型PE 高密度聚乙烯管。中央空調(diào)主機(jī)共設(shè)置3 個(gè)機(jī)房，南區(qū)2 個(gè)機(jī)房，分別配置3 臺(tái)中央空調(diào)主機(jī)和2 臺(tái)中央空調(diào)主機(jī)，北區(qū)1 個(gè)機(jī)房，配置3 臺(tái)中央空調(diào)主機(jī)。主機(jī)機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)制冷量1799kW，標(biāo)準(zhǔn)制熱量1959kW。機(jī)組地源側(cè)冬季進(jìn)水溫度為14℃，出水溫度為7℃；夏季進(jìn)水溫度為23℃，出水溫度為28℃。機(jī)組用戶側(cè)冬季供水溫度為42℃，回水溫度為37℃；夏季供水溫度為9℃，回水溫度為13℃。供暖季室溫達(dá)到18 ～22℃（教室18℃，宿舍22℃），供冷季室內(nèi)溫度達(dá)到25 ～27℃（教室27℃，宿舍25℃）。

3 地源熱泵關(guān)鍵技術(shù)

地埋管地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用效果關(guān)鍵在于埋管與土壤的換熱效率，為保障充分換熱，需做到以下幾個(gè)方面。

3.1 選取回填料

地埋管下管后，對(duì)井孔進(jìn)行回填。把鉆井時(shí)取出的泥沙漿直接回填，會(huì)造成回填不密實(shí)，影響地埋管的換熱效率?；靥盍吓c埋管緊密接觸，回填料的導(dǎo)熱能力直接影響埋管的換熱能力。因地質(zhì)結(jié)構(gòu)和回填料的膨脹能力不同，回填料的凝固強(qiáng)度等級(jí)也不同，回填料對(duì)埋管的擠壓力也不同。因此，依據(jù)地質(zhì)報(bào)告，配比選擇回填料，是保證地埋管地源熱泵技術(shù)高效應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。項(xiàng)目回填料根據(jù)熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)顯示的地質(zhì)條件，由膨潤(rùn)土和細(xì)砂的混合漿料，膨潤(rùn)土的體積比例占5%?；靥盍霞尤肱驖?rùn)土后，導(dǎo)熱系數(shù)高于本地區(qū)地質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，避免回填料對(duì)地質(zhì)層導(dǎo)熱系數(shù)的破壞，并且對(duì)環(huán)境無(wú)污染。

3.2 回填方式

回填采用井底反漿回填，國(guó)產(chǎn)泵壓力較小，回填一半時(shí)不能繼續(xù)回填，另一半只能采用人工回填的方式。人工回填，回填壓力不足，空隙多，影響換熱效果，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

項(xiàng)目采用德國(guó)進(jìn)口高壓力的柱活塞泵，具有很大的回填壓力，由井底部位注入回填料向上反填，逐步排除空氣，確保回填密實(shí)，無(wú)空腔，保證了傳熱效果。

3.3 U 型管專用接頭

地埋管整體呈U 型，由兩根地埋管和U 型彎管接頭組成。U 型彎管接頭，不得采用直管管道煨制彎管接頭，也不得采用兩個(gè)90°的彎管對(duì)接的方式構(gòu)成U 型彎管接頭。

地埋管均為高密度聚乙烯管（PE 管），管道內(nèi)的水不會(huì)產(chǎn)生水垢，但機(jī)房?jī)?nèi)的管道為鋼管，水流經(jīng)機(jī)房后再回到地埋管，會(huì)存在水垢。如果產(chǎn)生水垢，因?yàn)榭照{(diào)系統(tǒng)運(yùn)行最高溫度不高于50℃，在溫度低于60℃時(shí)，水垢都比較松散，水循環(huán)可以帶走一部分。此時(shí)，U 型管接頭位置處于整個(gè)系統(tǒng)的最低端，水流帶不走U 型管底的水垢，造成U 型管水垢堆集。

項(xiàng)目采用德國(guó)專利技術(shù)的雙U 型管專用接頭，如圖4 所示，與垂直管道電熔連接，接口強(qiáng)度大于管材本身的強(qiáng)度，確保地埋管為一個(gè)整體，不存在機(jī)械連接存在的漏水隱患和采用金屬管件存在腐蝕而影響使用壽命的問(wèn)題。同時(shí)，在保證U 型彎強(qiáng)度的前提下將管線阻力降至最低。接頭上部有一個(gè)沉淀腔，可以對(duì)水垢進(jìn)行沉淀，有效容納系統(tǒng)的沉積物，保證使用效果。

圖4 雙U 型管專用接頭

3.4 U 型管間隔熱

U 型管一端進(jìn)水，另一端出水，水流經(jīng)U 型管的過(guò)程，即為水和地埋管換熱的過(guò)程，地埋管再把熱量傳遞給與之接觸的土壤，從而實(shí)現(xiàn)水和土壤的換熱過(guò)程。水在U 型管內(nèi)流動(dòng)，隨著流動(dòng)距離的增加，水溫逐漸上升（冬季）或下降（夏季），U 型管兩根支管之間有溫差，易發(fā)生熱回流現(xiàn)象。為保證換熱效果，下管時(shí)采用分離定位管卡進(jìn)行分離定位，U 型管兩根支管之間保持距離3 ～4m。

4 運(yùn)行能耗分析

項(xiàng)目運(yùn)行情況如表2 所示。其中，當(dāng)?shù)毓┡召M(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為：非居民用戶一個(gè)采暖期的采暖價(jià)格為32 元/m2（折合0.267 元/m2·天）。當(dāng)?shù)刂评錈o(wú)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，參考供暖收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。運(yùn)行周期內(nèi)總耗電量是中央空調(diào)主機(jī)耗電量和系統(tǒng)循環(huán)水泵耗電量之和。學(xué)校按執(zhí)行居民電價(jià)的非居民用戶，當(dāng)?shù)匾?guī)定電價(jià)為0.62 元/度。

表2 項(xiàng)目運(yùn)行情況

法定運(yùn)行費(fèi)用=單位建筑面積運(yùn)行費(fèi)×建筑面積×運(yùn)行周期。

實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用=運(yùn)行周期內(nèi)總耗電量×電價(jià)。

節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用=法定運(yùn)行費(fèi)用-實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用。

供暖季節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用=0.267 元/m2· 天×399300m2×80 天-353434kW·h×0.62 元/kW·h=8309919 元。

制冷季節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用=0.267 元/m2· 天×399300m2×30 天-93110kW·h×0.62 元/kW·h=3140665 元。

年節(jié)能效益=供暖季節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用+制冷季節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用=1145 萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目采用地埋管地源熱泵技術(shù)，在選取回填料、回填方式、U 型管專用接頭、U 型管間隔熱等關(guān)鍵技術(shù)選用了成熟的解決方式，應(yīng)用效果良好，節(jié)能效益顯著。針對(duì)地埋管地源熱泵技術(shù)在大型公共建筑群的應(yīng)用，提出以下建議。

（1）大型公共建筑群的建筑間有大量的空地，地面無(wú)荷載，為地埋管技術(shù)提供了良好的場(chǎng)地環(huán)境，且地埋管受季節(jié)變化干擾小，基本沒(méi)有地域限制，應(yīng)用廣泛，應(yīng)大力推廣應(yīng)用。

（2）北方地區(qū)冬季土壤溫度低時(shí)，且打井較淺時(shí)，需要使用電力輔助加熱，增加運(yùn)行費(fèi)用。

（3）目前，地?zé)崮艿拈_(kāi)采利用主要在淺層地表（深度在200m 以內(nèi)），隨著淺層地?zé)崮艿拇罅繎?yīng)用，技術(shù)日趨完善，隨后應(yīng)積極開(kāi)發(fā)利用中深層地?zé)崮?。但隨著打井深度的增加，地質(zhì)情況變得復(fù)雜，打井的施工難度會(huì)隨之增加。