土壤源熱泵在揚州某五星級酒店中的設計探討

朱志軍，常 澄

1 工程概況

該項目位于江蘇省揚州市西區四望亭路與揚子江北路交岔口西北角，為商業、酒店建筑，總建筑面積為33018m2，地下一層，地上九層。地下室主要功能區為：車庫、各專業設備間；一至三層為商業、餐飲；四層為酒店功能用房和商場物業用房；五至九層為酒店客房。一至三層建筑面積為13124.79 m2；四層以上建筑面積為12352.49 m2。

該項目商業、酒店原設計采用夏季用水冷螺桿機制取空調冷水，冬季用真空相變熱水鍋爐制取空調熱水，全年用常壓熱水鍋爐制取衛生熱水的方式。后業主經過反復調研和認真考慮，酒店改用土壤源熱泵作為空調系統冷熱源，夏季提供空調冷水，冬季提供空調熱水，一套主機冬夏兩用；常年采用專用土壤源熱泵機組提供生活熱水。這樣，既能保持整個系統節能高效，響應國家能源政策；又能體現該建筑綠色環保的特點。

本文重點總結了該設計過程中的一些經驗和不足，供設計同仁參考和借鑒。

2 地埋管換熱系統勘查和設計

查《江蘇省環境水文地質圖集》，該項目場地位于寧鎮揚丘陵崗地區與長江沖積平原區的過渡地帶，地貌類型屬河漫灘平原。場地在鉆探深度范圍內所揭示的地層均為第四紀松散沉積物，按成因類型、土質特征可分為5層，自上而下分別為雜填土→粉土→粉砂→粉質粘土→粘土，因勘探深度不超過40m，故業主先期委托揚州大學能源與動力工程學院對該地塊土壤的熱物理性能進行了測試。因為土壤是一個由固態的土壤骨架、液態和氣態水以及空氣組成的多相分散體，目前大多數的研究中采用的簡單的復合不穩態導熱，將水分和空氣的輸運過程作用歸結為一導熱系數的附加值來描述土壤中的熱質耦合的作法顯然會帶來較大的誤差，相應的結果土壤源熱泵的埋地換熱器的尺寸偏大，熱泵裝置的初投資加大(埋地換熱器的成本一般占到熱泵系統總成本的20%-30%)。因此目前我省地源熱泵系統工程技術規程第4.2.3條規定了相應做巖土熱響應試驗的條文，主要目的是測定土壤的以下幾個參數：（1） 土壤的初始溫度；（2） 土壤的導熱系數；（3）土壤的比熱容，以便進行土壤換熱器的設計計算，對單位延米換熱量修正后直接用于換熱器工程設計[1]。該場地位于城市中心商業區，場地面積狹小，故優先考慮雙U埋管。本建筑先期條件不足，只能做在本棟建筑物基礎下。如果室外場地容許，筆者建議還是盡可能將地埋管設于室外。巖土熱響應試驗得出的結論如下：

⑴項目所在地土壤初始平均溫度約為18.2℃-18.5℃。

⑵通過恒熱流法現場熱響應測試可得項目所在地下巖土熱物性參數如下： 等效導熱系數為1.52W/(m·K)；容積比熱容為 2370kJ/(m3·K)，單位長度鉆孔熱阻為0.187(m·K)/W。可以此作為地源熱泵系統優化設計參考及系統長期運行時土壤熱平衡校核計算的依據。

⑶通過恒溫法換熱量測試可得：對于本測試孔（80 m埋深、鉆孔直徑135mm、De25并聯雙U型埋管，原漿+黃沙回填） ，換熱進入準穩態階段后，在埋管進口溫度為31.8℃-32.2℃，平均進口溫度為32℃時，埋管鉆孔的單位埋深放熱量為 60.2-65.3W/m，其對應平均值為63.6W/m。

⑷根據測試得到的巖土熱物性值，采用地下換熱器專用軟件計算可得，在管道流速控制在0.4m/s-0.6m/s之間，夏季進水溫度30℃-35℃之間，冬季在5℃-10℃之間的條件下，對于本工程De25管徑、埋深為80m的并聯雙U型埋管，夏季單位埋深放熱量為58-69W/m，冬季單位埋深取熱量為45-57W/m。對于本工程De32管徑、埋深為80m的單U型埋管，夏季單位埋深放熱量為49-62W/m，冬季單位埋深取熱量為37-49W/m。

地下室功能為汽車庫，自行車庫，設備用房和人防用房，按《地源熱泵系統工程技術規程》（DGJ32/TJ89-2009） 公式5.3.9算得鉆孔數量為262個，分A，B，C，D四個區域分別布置了72口、73口、58口和59口換熱井，每個區域布置了兩個窗井，這樣每個窗井內分集水器環路數接近。豎直地埋管環路兩端分別與中間分集水器連接，且同程布置。該地區地下基本上為粘土的土壤結構，且為富含水層，該地區打井下管環節最為困難，這主要因為是砂土結構井壁很容易坍塌，為此必須使用大量的膨潤土護井，膨潤土的比例甚至大于10%[2]。在該地區回填此材料一般為膨潤土和細砂或膨潤土和水泥的混合漿，相關文獻的試驗研究了上述兩種不同回填材料地埋管換熱器的熱響應性能，熱響應性能測試發現回填材料黃沙+膨潤土的傳熱能力優于水泥漿+膨潤土：散熱能力為在地埋管進水溫度35℃時，前者高于后者11%；取熱能力在進水溫度5℃時高5%左右；采用黃沙+膨潤土的地埋管可比采用水泥漿+膨潤土的地埋管提供更大的進出口溫度。所以垂直雙U型管安裝完畢后應立即用回填材料封孔，回填材料宜采用10%膨潤土加90%中細砂制作的復合回填料，導熱系數不小于孔壁導熱系數。回填應反復進行，直至填實。

3 空調系統設計

本項目集中地源熱泵系統的總冷負荷大于總熱負荷，又因為制冷工況運行時間大于制熱運行時間，以至于放熱量遠遠大于取熱量，長期運行后，地下土壤/巖石溫度將逐漸上升（術語稱為熱堆積），制冷工況下的放熱功率會呈現衰減的趨勢，系統制冷工況的出力勢必會越來越小，當地下溫度上升到一定程度時，系統便無法運行。因此完全采用土壤熱泵系統供冷供熱不能滿足長期運行的需要，需有其他輔助的方式來進行調節，才能保證系統的長期穩定運行。該工程一是采用復合型冷源解決這個問題，土壤換熱器滿足冬季100%負荷，夏季采用冷卻塔進行輔助冷卻保持土壤熱平衡。二是考慮熱回收，本酒店有標準客房180間，有全年的熱水需求，因此考慮2臺地源熱泵高溫熱水機組提供全年24小時60℃衛生熱水，這樣也能解決熱平衡問題（見表1）。

表1 用水統計結果表

總計如下：小時用水量：10.44(m3/h)，設計小時耗熱量：596743.94 W。按照建筑給水排水設計規范(GB50015-2003)表5.4.10規定蓄熱水罐容積≥90minQrh，Vr=10.44×1.5=15.66m3，實際設計18m3，兩個容積為9m3的蓄熱水罐。

酒店部分空調面積約為7651m2，空調計算冷/熱負荷為：1423kW/698kW。機組選型綜合考慮供冷、供熱及供衛生熱水三聯供，同時考慮入住率等因素，根據負荷變化，選擇4臺地源熱泵機組，其中2臺為全熱回收熱水機組，2臺地源熱泵空調機組。空調單臺制冷量為704KW，制熱量為763KW，熱泵熱水機制熱量為695.2KW。

這里生活熱水的熱回收采用“系統熱回收”，即專門配置高溫熱水熱泵機組，與空調機組的地源側供、回水聯成一個大系統，根據空調機組夏季制冷、冬季供暖和春秋季停用三種不同情況，采用方便靈活的調控手段和不同季節的不同熱回收方式，實現一年四季的“系統熱回收”。這樣既完全解決了酒店一年四季的生活熱水需求，又有效地解決了地下熱平衡問題。

4 適宜性評價

這里對該系統做適宜性評價，評價體系見圖1。一次能源利用率=（系統供熱量+系統供冷量）/系統全年消耗的一次能耗

對于以電能驅動的熱泵系統和水冷冷水機組制冷系統：

式中∑Q——供熱季節總的供熱（冷）量（KWh）；

P——熱泵供熱（冷）季內消耗的電能（KWh）；

η1——發電效率，采用火電發電效率，取35%；

η2——輸配電效率，取90%;

Pg1——鍋爐系統消耗的電能（KWh）；

N——燃氣（或煤）耗量（m3）或（Kg）；

Qdw——燃氣（或煤）的低位發熱值（KJ/m3）或 （KJ/Kg）

投資回收期：β=(IHP-IB)/(CB-CHP)

式中IHP——土壤源熱泵系統的初投資（元）；

IB——常規冷熱源系統的初投資（元）；

CHP——土壤源熱泵系統的年運營費用（元/年）；

CB——常規冷熱源系統的年運營費用（元/年）；

標煤替代量：供熱季節標煤替代量Thce=(H1-H2)/Hce

式中H1——常規系統供熱季的一次能耗（KJ）；

H2——土壤源熱泵系統供熱季的一次能耗（KJ）；

Hce——標準煤的發熱值，29307 KJ。

按照上述公式得出結果見表2。

表2 投資回收期計算表

5 結語

地源熱泵空調在做好地質資料詳細勘察和熱響應試驗的前提下，做好地埋管系統和空調系統的設計，應該既能滿足建筑物的空調舒適度，又能充分提高地源熱泵系統運行的經濟性和可靠性，帶來極大的社會效益和經濟效益。在對土壤源熱泵空調實際運行經驗總結的基礎上，條件許可時可大力推廣其實際工程應用，為我國可再生能源利用和節能減排事業做出其獨特的貢獻。

[1]中國建筑科學研究院.GB50366-2005,地源熱泵系統工程技術規范[S].

[2]徐偉.地源熱泵技術手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2011.

[3]馬最良.地源熱泵系統設計與應用[M].北京:機械工業出版社,2007.