地埋管地源熱泵原理及在工業廠房空調工程中的應用

沈禹 劉俊松 劉炳南

機械工業第五設計研究院國際所

地埋管地源熱泵原理及在工業廠房空調工程中的應用

沈禹 劉俊松 劉炳南

機械工業第五設計研究院國際所

本文從地埋管地源換熱系統,地埋管地源熱泵機組系統，高大廠房采用地源熱泵和集中送風相結合的空調方式的優點等三個方面闡述了地埋管地源熱泵的原理、性能和主要特點，特別分析了它在節能減排和改善環境狀況方面的重要作用。明確提出了工業廠房應用集中送風空調與地源熱泵相結合具有廣闊的發展前景。文章最后介紹了一個典型工程實例。

地埋管；地源熱泵原理；工業廠房空調應用

引言

為了在工程設計中更好地落實國家“節能減排”方針，結合現有的工程設計實踐，本文將對地埋管地源熱泵設計相關技術問題予以概述。

1.地埋管地源換熱系統的設計

地埋管系統屬于閉式系統，目前應用較多的有兩種形式，一種是水平地埋管，形式較多，新近開發的有垂直排圈式、水平排圈式和水平螺旋式（見圖1）。

圖1

水平埋管的埋設深度較淺，一般為3～15m，雖然開挖管槽和埋管的費用低于豎直埋管系統，但其占地面積大，在城市工業和民用建筑，末端冷（熱）負荷量較大的場合，限于場地有限，不宜實施。另一種為豎直直埋管，即在地面以下鉆孔，埋入U形管、雙U形管、小直徑螺旋管、大直徑螺旋管，立柱狀、蜘蛛狀和套管式（見圖2）等，按埋管深度H不同分為三種，淺埋型：H≤30m，中埋型：H=30～80m，深埋型：H＞80m。

圖2

近年來在本市應用較多的是單U型和雙U型豎直直埋管，埋深多為80～120m，管材技術要求為：

化學穩定性好，耐腐蝕，承壓高（公稱壓力p≥1.0Mpa）；

導熱系數大，流動阻力小；

工作溫度范圍不低于-20℃～50℃；

埋地部分管道不應有機械接頭，能按設計要求成卷供貨。

目前，工程中大多數采用聚乙烯（PE80或PE-100）或聚丁烯（PB）塑料管。按性價比，聚乙烯較優。地埋管鉆孔徑一般為110～200mm，埋管技術規格和灌漿回填料，工程技術規范均有相應規定。

豎直直埋管的地源熱泵的性能和特點，在設計中應予充分了解、分析和研究，以保障工程使用效果和可靠性。

1.1 地質條件及其影響

豎直直埋管換熱器是由若干根植埋于地下的直埋管組成的，它是熱泵系統的低（高）溫熱源，通過這個換熱器與地下介質，主要是巖土層正常的熱交換，才能保障熱泵系統的正常運行，地下巖土層的吸熱、放熱和蓄熱性能是熱泵系統能夠正常運行的基礎條件，因此對地下的地質構造及其熱物理性能深入分析研究極為重要。

（1)豎直直埋管的地質環境

地球主要由地殼、地幔和地核等幾大部分構成，按照溫度的變化特征，地球表面的地殼層可分為三個帶，即可變溫度帶、恒溫帶和增溫帶。可變溫帶由地表深入到地下一定深度，由于受太陽輻射的影響，其溫度隨晝夜、年份、世紀甚至更長時間，呈周期變化，其厚度為地表以下15～20m；恒溫帶在變溫帶下面，溫度變化幅度幾乎為零，深度為可變溫帶以下20～30m。美國的國內統計資料表明，無地熱異常地區的淺層地下水溫度， 比當地年平均大氣溫度高5℃，即指恒溫帶溫度。恒溫帶以下為增溫帶，隨深度增加溫度升高，其熱量主要來自地球內部釋放的熱能。增溫帶的溫度增加幅度稱地溫梯度，一般地區該梯度為3℃/100m。明顯高于這一溫度梯度的地區稱地熱異常地區，如火山、溫泉等，在地球上分布并不普遍。而淺層地熱能與地表熱能具有普遍性，作為可再生能源，采用熱泵技術予以開發利用，具有廣泛前景。

豎直直埋管的埋深，通常為地下2～4m以下至200m以上，多數埋管為80～120m，主要處于地殼的恒溫帶，有時也稱常溫帶。雖其豎管有一部分埋管處于增溫帶，地下40～50m以下處于增溫帶，存在隨深度增加而上升的溫度梯度，但這個溫度梯度很小，所以按豎管總深度考慮，可以近似地認為其主體是處于恒溫帶。

既然我們設置的豎直直埋管換熱系統是敷設于地下的恒溫層中，我們在夏季供冷時，將室內余熱排放至地下存儲，冬季供熱時，從地下抽取熱量補償室內熱負荷，那么這個換熱系統也是一個蓄熱器。

（2)埋管區域地下熱物性

埋管區域地下巖土層的熱物性對埋管換熱量影響非常大，在設計中充分準確掌握巖土體熱物性參數非常重要，巖土體的熱物性參數包括巖土密度ρ（kg/m3）、含水率ω（%）、孔隙比Φ、比熱容Cp（J/ Kg·K）和導熱系數λ（W/m·℃）等。

埋管管井地質成分不同，熱物性參數不同，其換熱量亦不同，有關資料顯示，埋入頁巖中的井深換熱量為33.79（W/m），石灰巖中為39.31（W/m），砂巖中為63.78（W/m），大理石中為96.52（W/m）。

為了充分了解地埋管區域地質結構，分析管井熱物性，設計前進行地質勘察是非常必要的。應特別指出的是，國家《地源熱泵系統工程技術規范》（GB50366-2005）的2009年版對此作出了補充和嚴格規定，新增了巖土熱響應試驗要求，規范將地熱能資源勘察列為強制性內容。

（3）埋管區域地下水滲流影響

豎直埋管一般都垂直深埋，所以在其穿透的地下巖土層中，或多或少都存在著地下水的滲流，尤其是在沿海地區和地下水豐沛的地區，有的區域甚至有地下水的流動。埋管區域地下巖土地層構造及成分多種多樣，埋管內以水作為熱媒或冷媒與管周圍巖土體換熱，制冷時蓄熱，采暖時從其中吸熱，埋管區域包括埋管和其周圍巖土體不但構成一個龐大的換熱器，同時又是一個耦合的蓄熱器，考慮到地下水的滲流，則應稱其為熱滲耦合過程的地下蓄熱器。

大量研究表明地下水滲流或流動，對地下埋管換熱器的傳熱、蓄熱是十分有利的，它有利于減弱或消除由于地下埋管換熱器放熱不平衡而引起的熱量累積效應，使得巖土層對于地上空調系統供冷、供熱隨時間和季節變化引起蓄熱量和抽吸熱量強度變化的適應能力大為提高，因此，地下水的滲流和流動對熱泵系統運行的穩定性和保持較高能效比具有重要作用。

2.地源熱泵機組系統設計

2.1 概念

這里提出的“地源熱泵機組系統”僅指巖土層內豎直地埋管的地源熱泵系統中以熱泵機組為核心的系統。

工程熱力學講的熱泵概念是通過熱泵機組做功，將低溫位熱源的熱量提升到高溫位，以實現供熱的熱能機械。同樣的機械，通過做功，將低溫位熱源（如空調區域）的熱量提升到高溫位，向高溫位熱源排放，以達到供冷目的，則稱為制冷機。本質上同樣的機械，都是依照逆熱力循環運轉，卻有兩個稱謂——制冷機和熱泵。實際上，這種不同稱謂完全是由于其用途不同造成的，用作供冷稱制冷機，用作供熱稱熱泵。筆者認為，應當統一稱作熱泵。

水泵是將水從低水位提升到高水位的水力機械，熱泵則是將低溫位熱能提升到高溫位的熱力機械。這種簡單的比附形成的觀念，引導我們理解熱泵原理可能是有益的。但是深入分析，還應看到二者明顯區別，水泵遵循水力學規律，其效率小于1，而熱泵則遵循熱力學規律，其效率可以大于1。

當前應用的熱泵有：空氣源熱泵、地下水源熱泵、地表水源熱泵、海水源熱泵、污水源熱泵和土壤（巖土層）源熱泵等多種，本文所討論的是最后一種，它與前面幾種不同點在于前面幾種均為“一端利用”，另“一端排空”，而只有本文闡述的熱泵是“兩端利用”的，空調季供冷，將空調區域余熱通過埋管換熱器儲于埋管區域巖土層中，冬季供熱，則將埋管區域巖土層內蓄積的熱量抽吸出，以滿足供熱區域要求，這種方式與前幾種相比，不會產生“熱島效應”、環境水體生態影響和地下水開采地質影響等后果，不良環境影響很小，同時又是一種可再生能源開發利用的好方式。

2.2 節能效果評價

在供冷工況下，在由電能為動力的壓縮機性能相當條件下，豎直埋管地源熱泵與水冷冷水機組供冷相比，其能耗相當，甚至相對較低，比風冷冷水機組明顯節能。

根據統計資料分析，在供熱工況下，其節能效果明顯。

當前我國電力仍以燃煤火力發電為主，電站效率只有30%～38%，考慮輸配電損失，效率更低。考察供熱方案的能源利用率，可以采用一次能利用率（PER：Primary Energy Rate）作為指標，即所得熱能與一次能源消耗之比，即PER等于熱泵性能系數coph與供電效率的乘積，見表1。

表1 各種供熱方式一次能源利用率

注：燃油、燃氣鍋爐供熱是指熱效率很高的單戶供應型，如城市集中供熱由于管網熱損失和大型循環泵耗電效率會更低。

高效發電指天津濱海新區在建的北疆電廠，其發電煤耗為269g/kwh，供電煤耗288g/kwh，發電效率45.6%，且全年熱電聯產，年產淡水6570萬噸，副產原鹽50萬噸，節約鹽場用地22(km)2，利用粉煤灰加廢電石灰制150×104m3/a墻體材料。

2.3 進一步提高能效的措施與展望

如在地埋管換熱器系統與建筑物內系統間設一條連通管，在進入空調季初始階段，不開啟壓縮機，利用地源換熱器儲存的冷量，補償室內空調冷負荷；在進入采暖季初始階段，不開壓縮機，利用地源儲存的熱量，補償室內采暖熱負荷，有利降低能耗。

選擇性能適宜且變頻性能良好的壓縮機，不但保障系統平穩可靠運行，且會獲得明顯節能效果。

完善的自動控制系統設置非常必要。為積累運行經驗，有利及時調節系統運行性能，應考慮在自控系統內設置完善的數據記錄裝置。

現有資料表明，進一步改善和提高包括工質在內的先進熱泵機組研發備受關注，今后還會有更為高效節能的熱泵機組進入市場。這將會推動地源熱泵發展，進一步實現“節能減排”發揮重要的作用。

3.建筑物內系統設計

在高大的工業廠房內，應用地埋管地源熱泵，實踐說明是適宜的，這是因為：

（1) 由于豎直埋管換熱器通常埋深為地下2.5m以下，其占地面積僅為供冷（熱）面積的15%左右，在廠區內除重載（＞10t）車道以外的區域內，選擇適宜位置通常并不困難。因埋管較深，對其上開辟廠區綠地，輕載道路，以及露天或半露天庫房等，通常沒有妨礙。

（2)經多年探索研究，我院提出的“高大工業廠房集中送風空調”技術，經工程實踐證明是成功的。這項技術的核心概念為：鑒于空氣為含熱量很低的物質，為節能不宜處理后遠距離輸送，宜在空調空間現場對其冷卻或加熱，以補償相應負荷量；在工業廠房高大空間內，以較少空氣流量和較小能耗，在工作地帶形成一個均勻而穩定的空氣流場是達到空調設計標準的關鍵。

高大工業廠房集中送風空調的關鍵設備為已研發推向市場多年的“集中送風空調冷暖機組”，該機組空調季冷媒溫度為7～12℃，采暖季熱媒溫度為60～40℃，實踐說明，這樣的溫度要求與豎直埋管地源熱泵在其性能系數cop≥4.0的條件下，是完全可以滿足的，因此，高大工業廠房集中送風空調系統，選擇豎直埋管熱泵系統供冷或供熱是適宜的，也是有廣泛應用前景的。

4.工程實例

約翰·克蘭科技（天津）有限公司是一家生產高壓密封件的外資企業，地處本市華苑產業園區，2008年新建廠房和辦公樓等共4200m2，空調冷負荷717kw，熱負荷503kw，另有部分熱水供應熱負荷，空調冷媒溫度7～12℃，熱媒溫度50～40℃，采用豎直埋管地源熱泵系統供冷、供熱。設計方案和數據如下：

埋管豎井130口，井深100m，選擇雙U型PE32管；

熱泵機組采用2臺430kw螺桿熱泵機組和1臺50kw模塊熱泵機組；車間采用集中送風空調系統，辦公樓為帶熱回收裝置新風機加風機盤管系統，且按劃分內外區方式設計系統，以保障空調環境的舒適性。

該工程地源熱泵空調系統經三年運行證明，完全達到設計要求，廠房及辦公樓夏季室內溫度為26℃，冬季20℃，更衣室、淋浴室冬季溫度≥25℃，生產廠房內質量控制室全年溫度16～24℃。

[1]趙軍 戴傳山主編.地源熱泵技術與建筑節能應用.中國建筑工業出版社 ,2007年9月第一版

[2]陸耀慶主編.《實用供熱空調設計手冊》第二版 .中國建筑工業出版社, 2008年5月出版

[3]劉俊松, 沈禹, 劉炳南, 康建華 ,張宗義.高大廠房的集中送風空調.工程設計與應用研究機械工業第五設計研究院出版, 2006年第二期

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.08.077