地源熱泵復合式系統在海鹽客運中心的應用

侯建松，陳金花

地源熱泵復合式系統在海鹽客運中心的應用

侯建松1，陳金花2

（1.浙江省建工建筑設計院有限公司，浙江杭州310012；2.浙江省建筑設計研究院，浙江杭州310006）

以浙江省海鹽客運中心為研究對象，概述與分析其空調系統方案，介紹地源熱泵復合式系統在該項目中的設計與應用，結合2012～2014年間客運中心實際運行狀況，比較分析結果顯示，相比一拖多變冷媒流量空調VRF系統，土壤源熱泵與冷卻塔相結合的復合式系統更加節能與高效。

地源熱泵；熱平衡；巖土熱物性；客運中心

0 引言

我國對地源熱泵系統能效的研究大多局限于實驗系統測試[1]，研究方法主要為系統實測[2，3]或模型分析[4，5]，得到的結論也多是停留在理論研究或者是工程示范階段，尚缺乏普遍實際工程應用效果的實例與驗證。筆者參與海鹽客運中心的設計、施工及實際運行數據調查，為地源熱泵系統的實際節能與應用提供實踐依據。

海鹽縣隸屬于浙江省嘉興市，地處嘉興平原，土層厚，含水豐富，導熱性能良好，是典型的夏熱冬冷氣候地區。2010年7月海鹽縣被列入國家級可再生能源建筑應用示范縣，2011年7月，嘉興市被列為國家可再生能源建筑應用示范城市。2008年我國制定實施了《民用建筑節能條例》，2011年，浙江省出臺了浙政發〔2011〕56號《浙江省人民政府關于積極推進綠色建筑發展的若干意見》，海鹽縣當地政府相應出臺《海鹽縣可再生能源建筑應用示范縣建設實施方案》，為堅決貫徹落實綠色建筑發展目標，該項目為浙江省首個地源熱泵系統客運中心項目，于2012年12月投入運營。

1 工程概況

海鹽客運中心位于浙江省海鹽縣環城南路和東西大道交叉口，總投資約1.1億，占地45831.5m2，總建筑面積11001.4m2，其中客運站房8230.4m2（地上四層、地下一層），地下為汽車庫及設備用房，一層為售票及候車，二～四層為辦公用房。經負荷計算，夏季空調峰值冷負荷1110.5kW，冬季空調峰值熱負荷690kW。

圖1 海鹽客運中心鳥瞰圖

客運中心占地廣，綠化停車面積大，冬夏季總冷負荷適宜，全年需不間斷運行，較適合應用地源熱泵系統。海鹽又屬典型夏熱冬冷地區，夏季釋熱量需求遠大于冬季吸熱量，單一的土壤源熱泵系統長期運行后由于吸熱散熱不平衡，容易使巖土體溫度逐年升高，系統效率下降且破壞土壤自身熱平衡[6]。為保持系統處于較高效率下運行且保持釋熱量和吸熱量的基本對等，項目采用土壤源熱泵與冷卻塔輔助供冷的復合式系統。土壤源側吸熱量釋熱量選取以系統總熱負荷為依據，系統配置1臺地源熱泵機組+1臺電動水冷螺桿式冷水機組（冷卻塔單聯），地源熱泵機組負責提供客運中心冬季所有熱負荷，電動水冷螺桿式冷水機組與冷卻塔相連僅在夏季工況輔助地源熱泵機組運行。

圖2 空調系統流程圖

2 系統概述

2.1 系統配置

根據負荷計算結果系統配置額定工況制熱量846kW，制冷量778kW地源熱泵螺桿機組一臺，地埋管側水溫夏季25/30℃、冬季5/10℃，提供冬夏兩季的冷熱負荷需求；其中夏季輔助配置一臺額定制冷量為366kW的水冷螺桿式冷水機組，供回水溫度7/12℃，冷卻塔水流量為100t/h。系統采用復合式地源熱泵空調系統，將地源熱泵空調系統與冷卻塔散熱系統進行有機地結合，夏季制冷EER為5.5，冬季制熱COP為4.2，解決單一地源熱泵空調系統在夏熱冬冷地區使用當中的土壤熱不平衡，保證系統運行的穩定和節能性。當地源熱泵機組無法滿足夏季峰值負荷需求時輔助水冷冷水機組聯合運行。圖2為冷熱源系統流程圖，冬夏季及過渡季運行采用電動閥互切運行。

2.2 巖土熱響應測試

影響地埋管設計因素主要有巖土熱物性參數、巖土初始溫度、回填材料性質、鉆井幾何尺寸、埋管管材材質與口徑、換熱介質的流速等。其中巖土的熱物性是影響較大。工程選定一個鉆孔測試點，鉆井口徑130mm，采用地源熱泵專業產品“地源空調地埋換熱量測試儀-GE100W”測試巖土熱物性。開啟測試設備循環水泵，記錄地埋管換熱器進出口溫度，運行一段時間后，進出口水溫基本穩定，取地埋管換熱器進出口平均溫度為巖土體初始溫度[1，2]。根據項目巖土勘探資料，成孔深度100m。孔內設兩根DN32單U管（偉星HDPE100，承壓1.6MPa）后用沙子回填。回填48h以后，采用GE100W對單孔進行測試。設定夏季測試工況28/33℃；冬季測試工況5/10℃。單孔的單工況測試時間為48h，合計測試時間不少于為250h，分別得到地下水水溫測量，巖土初始溫度[7，8]測試結果、溫度流量曲線圖及數據、熱物性計算結果。

2.2.1 地下水水溫測量

由圖3可得，當地面以下18m左右深度，地下水水溫維持恒定為18.5℃左右，且之后再不以巖土深度的加深而降低。

2.2.2 巖土初始溫度測試結果

圖3 地下水水溫測量結果（成孔48h后）

土壤源溫度以回填滿48h采用溫度傳感器對埋管內的水溫進行測量，近似作為土壤原始溫度。由圖4可以顯示，巖土初始溫度在18m左右接近平均值，且維持在18.6℃的恒定溫度，與地下水水溫基本一致。

2.2.3 地埋管供回水溫度測試結果

由圖5可以看出，在設定夏季測試工況為28/33℃下，48h內的地埋管供回水溫度的曲線變化在前8h的陡增之后供水水溫度逐漸趨于平穩，埋管出水溫度保持在27.5℃左右，且供回水溫差維持在5℃上下波動范圍內。

圖4 巖土初始溫度測試結果（灌漿完成48h后）

圖5 夏季工況測試溫度曲線圖

圖6 冬季工況測試溫度曲線圖

設定冬季測試工況為5/10℃，圖6顯示地埋管供回水溫度在22h后趨于穩定，冬季埋管出水溫度慢慢接近10℃左右，之后維持恒定，供回水溫差為5℃，與系統運行額定溫差基本一致。

2.2.4 換熱量計算結果

根據供回水溫度及導熱模型求解單U管的熱物性-導熱系數值，通過導熱系數計算換熱量，計算換熱量見表1。

表1 單U換熱量測試結果

2.3 室外埋管布置

地源集合管埋設于地面以下1.8m處，每孔垂直地埋管有效換熱長度80m。考慮車載因素，垂直地埋管設置于客運中心西北面50m綠化及出租車等候區，垂直地埋管系統采用錐型地埋管專用件，孔內的地埋管每米設一個成品間距控制管夾。上述U型管及其端部彎頭和管夾均應在不受陽光照射的條件下室內完成熱熔連接。U型管成品在埋入地源孔前均應帶防陽光保護套。集合管采用PE100聚乙烯管熱熔連接，連接后直至回填土前均應帶防陽光保護套。垂直埋管系統成品加工完成直至使用前必須以系統工作壓力的水充入密封以防止外部沖擊。鉆孔結束并下放好垂直地埋管后隨即用膨潤土和細沙的混合物回填，回填物膨脹凝固需24h以上此前嚴禁下一步施工。埋管完成后分別對地埋管組和系統做充水耐壓和嚴密性試壓檢漏，試驗壓力及其測試要求按GB50366的4.5節相關內容執行。試驗結束后將管內水降壓至工作壓力密封至使用前檢查地埋管系統不漏后才能泄壓。圖7為垂直埋管平面布置圖，根據巖土熱響應實驗報告結果冬季工況單位換熱量按照40w/m計算，以釋熱量與吸熱量平衡為基本原則，按冬季熱負荷定地埋管鉆孔根數，依據當地地勘資料，考慮部分鉆孔不成功或管路不通情況預留1.1的安全系數，最后設計鉆孔240個，孔徑130mm，孔間距4.5m，孔深度82m，孔內換熱單元管為DN32的HDPE100單U管，水平埋管采用同程式布置。

3 系統運行經濟及社會環境效益分析

圖7 垂直埋管平面圖

系統配備了實時能效顯示系統，可對系統能耗進行監控和采集，實時分析能效比、費效比、系統節能量和減排量，為整個海鹽縣地源熱泵技術的推廣提供了先進經驗和良好的示范效果。項目于2012年12月投入運行，至今運行情況良好，節能效果顯著，采集監測系統中有效數據，制作整理2013.5月到2014.1月地源熱泵螺桿機組實際運行狀態中，主機側進出口溫度曲線圖如圖8、圖9及圖10所示。

圖8 2013.5-2013.7月主機側進出水溫度

圖9 2013.8-2013.10月主機側進出水溫度

圖10 2013.12-2014.1月主機側進出水溫度

根據建設部2005年4月4日出臺的《公共建筑節能設計標準》，節能“基準建筑”是“20世紀80年代改革開放初期建造的公共建筑”，按該地區公共建筑傳統的圍護結構，在保證一般房間冬天20攝氏度、夏天25攝氏度的條件下，采暖熱源設定燃煤鍋爐，其效率為0.55；空調冷源設定為水冷機組，螺桿機組能效比3.8，計算出一個全年采暖、空調能耗，以此作為基礎能耗，視為100%。參考建筑設計若方案為普通VRF空調系統，系統能效比（制熱COP為3.0左右，制冷EER為3.2左右）。實際地源熱泵復合式系統夏季制冷EER最高可達5.0，冬季制熱COP最高可達4.2。

按我國目前發電能力，每發一kWh電，需消耗標煤0.35kg，產生排放見表2，推計算得出客運中心采用復合式地源熱泵空調系統所帶來的實際環境效益見表3。按照商業用電0.955元/kWh計算，2012.12～2014.3月正式投入使用期間節省電能約為52.7萬元。

表2 每1kwh電與排放物間折算

表3 系統運行能耗統計（2012.12～2014.3）

4 結語

本文針對浙江省海鹽客運中心的空調系統項目，探討分析了采用復合式地源熱泵中央空調系統的空調方式，地源熱泵與冷卻塔散熱系統有機地結合。經過單點巖土熱響應實驗確定土壤層初始平均溫度、地下水平均水溫，溫度流量等計算獲得巖土熱物性值，最后復核確定垂直埋管根數及管深。系統自運行日起狀況穩定，節能效果明顯。相比傳統的VRF空調系統，投資略高，但年節省電量約為33萬KWh，折合標準煤可節省約115t，減少二氧化碳、二氧化硫、煙塵等排放約500t左右，從而使地源熱泵系統潛在的社會效益、環境效益和經濟效益得以全面體現。

[1]胡平放，於仲義，孫啟明，等.地埋管地源熱泵系統冬季運行試驗研究[J].流體機械，2009，37（1）：59～63.

[2]成恒生，龔偉申，劉向龍.地源熱泵系統在滑動低區的應用研究[J].湖南大學學報：自然科學版，2009，36（12）：27～30.

[3]黃忠，劉憲英，霍建輝，等.重慶某江水源熱泵空調工程[J].暖通空調，2008，38（2）：101～105.

[4]崔文智，姜寶石，項勇.水源熱泵機組的節能效果[J].暖通空調，2012，42（2）：92～94.

[5]白雪蓮，張言軍，王厚華.地表水水源熱泵水輸配系統的能效分析[J].土木建筑與環境工程，2010，32（60）：86～91.

[6]GB50366-2005，地源熱泵系統工程技術規范[S].

[7]王書中，由世俊，張光平，等.熱響應測試在土壤熱交換器設計中的應用[J].太陽能學報，2007，28（4）：405～410.

[8]王華軍，齊承英.地下熱響應實驗中土壤初始溫度的探討[J].暖通空調，2010，40（1）：95～98.

Application of GSHP Hybrid System in Haiyan Passenger Transport Center

HOU Jian-song1，CHEN Jin-hua2
（1.Zhejiang Construction Investment Group Corporation，Ltd，Hangzhou 310012，China；2.Zhejiang Province Institute of Architectural Design and Research，Hangzhou 310006，China）

Based on the project of Zhejiang Haiyan Passenger Transport Center，analyze and introduce its air conditioning system scheme，elaborate the designation and application of ground-source heat pump system.Combined with the practical implementation of 2012-2014 between the terminal operating conditions，comparative analysis shows compared to VRF air conditioning system，the joint operation system of GSHP and cooling tower water system is more efficient can save more energy.

ground-source heat pump；thermal balance；geotechnical thermal properties；passenger transport center

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.01.016

TU831

B

2095-3429（2015）01-0066-05

2015-01-06

修回日期：2015-03-18

侯建松（1971-），男，江蘇人，本科，高級工程師，副總工程師。