淺談地源熱泵技術的應用

楊 勇

廈門市閩工工程設備安裝有限公司（361000）

淺談地源熱泵技術的應用

楊 勇

廈門市閩工工程設備安裝有限公司（361000）

針對目前地熱供暖應用的現狀,介紹了一種新的環保節能的空調方式和技術，由于其節能、無污染、效率高等特點，剛一出現就受到業界的廣泛關注并得到迅速發展。這里結合地源熱泵中央空調設計實踐，從地源熱泵原理、負荷設計、空調設計方案等幾個方面進行分析。

地埋熱泵；中央空調系統；技術

1 工程概況

某辦公樓主體建筑為地上20層，設地下室1層，其中地下室車庫按六級平戰結合人防工程設計。該建筑總建筑面積為26 835.76 m2，其中地上建筑面積24 399.28 m2,地下室建筑面積2 436.48 m2，建筑高度為73.8 m。

2 空調室內外設計計算參數

1）夏季:空氣調節室外計算（干球）溫度33.2℃,空氣調節室外計算（濕球）溫度26.4℃,空氣調節日平均溫度28.6℃，室外計算相對濕度最熱月平均78%，室外平均風速1.9 m/s，大氣壓力98.86 kPa。

2）冬季:空氣調節室外計算（干球）溫度-12℃，通風室外計算（干球）溫度-9℃，最低日平均溫度-15.9℃，室外計算相對濕度最冷月平均45%，室外平均風速2.8 m/s，大氣壓力102.04 kPa。

3 空調設計方案

3.1 冷熱源選擇

該辦公樓冬夏季設計計算冷熱負荷見表1。

表1 地源熱泵系統負荷設計參數

根據設計計算冷熱負荷，該工程共設3臺冷水機組（U1～U3），由于項目冷熱需求的不平衡性，因此以冬季制熱工況負荷選定2臺土壤源熱泵機組（U1、U2），設計工況下單臺機組制熱量為804 kW，供冷量為835 kW。土壤源熱泵夏季供冷不足部分另設1臺螺桿式冷水機組（U3），采用冷卻塔散熱，供冷量為835 kW。冷水機組具體參數見表2。

3.2 中央空調機房設計

熱泵機組及配套設備設在一層機房。機房集、分水器各一臺，地埋各系統集、分水器兩臺，機房集、分水器主管與機房管道連接，支管與地埋系統集、分水器主管連接，地埋系統集、分水器支管與地埋管系統支管連接。

3.3 中央空調冷凍水的定壓及補水

供熱空調系統定壓補水方式，主要有膨脹水箱定壓補水、補水泵定壓補水、氣體定壓罐結合補水泵定壓補水等。其中，膨脹水箱定壓補水是最經濟、最簡單的方式,所以現在在民用建筑中大量使用，但是膨脹水箱必須設在系統的最高點，安裝困難，管理不方便，使高位水箱的應用受到了限制。利用補水泵連續補水定壓的系統,其定壓裝置是由補水箱、補水泵及調節器組成，在系統正常運行時，通過壓力調節器作用，使補水泵連續補給的水量與系統泄漏量相適應，從而維持系統動水壓曲線的位置，但這種定壓方式，一般需連續運行，耗電大。利用壓力罐結合補水泵的定壓補水裝置在中央空調中被大量使用，它主要由補水泵、隔膜式氣壓水罐、安全閥、電接點壓力表和電磁閥組成，它的工作原理如下：當系統準備運行時，開啟補水泵，水被送至管網的同時也被送至壓力罐的水室，水室擴大并將罐內的氣體壓縮，罐內的壓力隨之升高，當壓力升高至最高工作壓力時（系統最高點和定壓點之間的高差加上3～5 mH2O），水泵停轉，系統已充滿水，利用壓力罐內的壓力來維持管網的壓力,當系統運行過程中，由于系統漏水或水溫改變導致系統水體積減少時，氣壓罐內的水室縮小，罐內氣體膨脹，壓力降低，當壓力降低至系統最低工作壓力時（系統最高點和定壓點之間的高差加上1 mH2O），水泵開啟，系統進行補水。裝置中的壓力表和電磁閥均是安全保護裝置，當系統超壓時，可通過壓力表和電磁閥將多余的水排出系統。氣壓罐結合補水泵的定壓補水裝置的設備選型計算過程如下:

表2 冷水機組主要參數

1）補水泵的選擇

系統內的水，當熱水或冷熱兩用時，應采用軟化水，當軟化水壓力不能直接供入水箱時，應另設水泵補水，補水泵的自動補水量可按系統循環水量的1%考慮,事故補水按系統循環水量的3%考慮，直接補入循環水泵的入口處，補水泵的揚程應按補水點與系統最高點的高差加上3～5 mH2O的富裕量考慮。

2）壓力罐的選擇

氣壓罐的最高工作壓力應大于補水泵的揚程。罐體的容積應按罐體內的水容積選擇，罐體內的水容積應按膨脹水箱的容積選擇，即罐內的水容積應能夠容納水系統的膨脹量。

式中:V—膨脹罐體內的水容積（L）；P2—系統在高溫時水的密度（kg/L），熱水時為熱水供水的溫度，冷水時為系統運行前水的最高溫度，可取35℃；P1—系統在低溫時水的密度（kg/L），熱水時可取20℃，冷水時為冷水供水溫度，可取35℃；VC—系統內單位水容積（L/kW）之和；Q—系統的總能量或總熱量（kW）。

3.4 空調水系統與末端裝置

中央空調系統可以分為三類:中央空調水系統、氟系統和風系統。水系統中央空調以水為冷媒，比傳統氟系統空調更舒適。水系統中央空調一般用于大型建筑或大戶型住宅和別墅,主要產自美系品牌，以高端住宅為主。

4 地埋管換熱器系統設計

地下埋管換熱器是地源熱泵系統的關鍵組成部分，其選擇的形式是否合理，設計是否準確，關系到整個地源熱泵系統能否滿意要求和正常使用。土壤的初始溫度、類型、傳熱特性以及密度和濕度等是影響埋管換熱器設計的重要參數，因此做好施工場地的地層勘察和土壤熱物性測試工作非常重要。同時，建筑物全年累計的冷熱負荷通常是不均衡的。因此在埋管換熱器的設計中，必須要確定的是依據冬季熱負荷還是夏季的冷負荷來計算換熱器長度。另外，建筑物的冷熱負荷都是隨著環境溫度的變化而變化的，所以運用動態負荷計算軟件來分析建筑物的全年逐時負荷非常重要。

根據該區域的地質資料表明，工程場區松散沉積層巖性主要為黏性土、砂土（細沙、粉砂）和粉土，且分布層位較穩定,可鉆性較好。在工程場區130 m深度范圍內，賦存多層地下水，存在較強的地下水滲流作用，有利于地埋管換熱器的傳熱并可減弱地埋管換熱器吸放熱不平衡現象。該工程130 m地層導熱系數和建議取值如表3所示。

表3 地層熱物理性參數取值

地源熱泵系統最大釋熱量與建筑設計冷負荷相對應。包括:各空調分區內地源熱泵機組釋放到循環水中的熱量（空調負荷和機組壓縮機耗功），循環水在輸送過程中得到的熱量，水泵釋放到循環水中的熱量。將上述三項熱量相加就可得到供冷工況下釋放到循環水中的總熱量。

4.1 熱泵系統吸熱量與建筑設計熱負荷對應

地源熱泵系統最大吸熱量與建筑設計熱負荷相對應。包括:各空調分區內地源熱泵機組從循環水中吸收的熱量（空調熱負荷，并扣除機組壓縮機耗功）,循環水在輸送過程中失去的熱量并扣除水泵釋放到循環水中的熱量。將上述前兩項熱量相加并扣除第三項就可得到供熱工況下循環水的總吸熱量。

根據以上公式（1）和（2）可以得出最大釋熱量為2 239 kW，最大吸熱量為1 233 kW。

4.2 地埋管管徑的選擇

選擇地埋管管徑時必須滿足幾個原則:1）管道要大到足夠保持泵最小輸送功率,減少運行費用；2）管道要小到足夠使管道內保持紊流，以保證循環液體和管內壁之間的傳熱；3）系統環路的長度不要過長。地埋管的管徑選擇要考慮到按U型管的所需長度，成盤供應，以減少埋管接頭數量，所需管件能低價供應，降低工程成本。

4.3 地埋管管材的選擇

從眾多工程項目施工中得到：地埋管的管徑在Ф20 mm～Ф50 mm時，以PE80-SDR11-Ф32（GB/T 1 3663-2000）為最佳。在換熱器的換熱量小的工程中，在保證質量的條件下，盡量選用薄壁管，以提高換熱效果。孔深100 m以內用壁厚為2.3 mm的聚乙烯管；孔深300 m以內用壁厚為3.0 mm的聚乙烯管。影響地耦管長度的因素有換熱器的換熱量、管的材質、土壤的結構、埋管的形式以及連接方法等。

4.4 地埋管換熱器的連接

在實際工程中，地埋循環管多為并聯連接到大直徑的集管上，連接時均采用同程回流式系統。在此系統中，流體有足夠的流量流過各并聯支埋管并且流程相同，因此，各埋管支路的流動阻力、流體流量和換熱量比較均勻。在該工程中，采用多個分支同程回流系統，再并聯成總同程回流系統，每個分支系統均有管道平衡井。

5 系統冷熱源方案的選擇與分析

該辦公樓工作時間為8:00～18:00，在末端裝置確定的情況下，各對比方案之間的經濟性差異主要是系統冷熱源不同引起的,冷熱源一般是集中設置。根據我國能源現狀,確定了幾種常見的冷熱源方案，并與土壤源熱泵系統進行分析比較。方案1:水冷冷水機組+市政供熱。方案2:風冷螺桿式熱泵機組。方案3:地源熱泵。這里就以上三種方案的技術特點、經濟性、環保性進行了分析比較，用以確定適合該項目的空調方案。

5.1 初投資比較

各方案初投資見表4。由表4可知，方案3地源熱泵系統的初投資最大,其次是方案2，方案1的初投資最小。造成土壤源熱泵系統初投資高于其他系統的主要原因是鉆孔費占系統比例較大，約為系統初投資的30%。由此可見，要降低方案3初投資主要是要降低系統鉆孔費用的。

表4 各個方案系統初投資比較

5.2 年運行費用比較

經比較，方案1的年運行費用最高，其次是方案2，方案3的年運行費用最低。圖2為各種方案初投資及運行費用比較圖。

圖2 各種方案初投資及運行費用

5.3 投資回收年限的計算

根據動態回收期公式:

式中:P′為動態投資回收期；CI為地源熱泵系統比普通中央空調系統節省的電費；CO為地源熱泵系統比普通中央空調系統費增加的投資；ic為基準收益率,取一年期利率4.14%。從公式4和圖2中可以得出，方案3同方案1和2比較，采用地源熱泵系統的投資回收期為4.7或8.5年。

綜上所述，土壤源熱泵系統雖然室外部分比較復雜，初次投資高于普通空調系統，但普通空調的運行費用遠高于土壤源熱泵系統，一般4～9年時間就可以將增加的初次投資收回。普通空調壽命一般在15年左右,而土壤源熱泵的地下換熱器由于采用高強度惰性材料，埋地壽命至少50年。因此，從使用壽命和運行費用來考慮土壤源熱泵系統的經濟性是高于普通空調系統的，鑒于機組長期運行費用的節省和國家對節能環保工程的政策優惠，采用土壤源熱泵系統比較經濟。