淺議地源熱泵技術在京唐港區36號至40號煤炭泊位工程的應用

董　川

（京唐港首鋼碼頭有限公司河北唐山063611）

淺議地源熱泵技術在京唐港區36號至40號煤炭泊位工程的應用

董川

（京唐港首鋼碼頭有限公司河北唐山063611）

本文以唐山港京唐港區36號至40號煤炭泊位工程地源熱泵項目為實例，詳細介紹了地源熱泵系統在唐山港京唐港區的應用歷史、工作原理、系統優點、施工工藝、質量控制以及經濟指標等，為環渤海地區應用地源熱泵技術起到了一定的示范作用。

地源熱泵；工作原理；系統優點；工藝；質量控制

1　引言

現在生態失衡與能源過度開發等問題已經變成困擾與制約社會進步的關鍵因素。從國內能源消耗的結構方面來說，建筑領域損耗的能源達到整體30%，而且在建筑能源消耗中，空調能源消耗更是占到了50%左右，伴隨公眾的環境保護觀念加強以及循環經濟的推廣，環保與節能已變成建筑空調領域的主要探究方向，利用可再生資源及提高能源利用率是解決建筑能源消耗量大的主要途徑，地源熱泵技術則是解決這一問題的新型能源綠色環保產品。

地源熱泵是對地下熱能有效運用的方式，其運用極少的能源（諸如電能等），把低溫轉變成高溫，進而構成能夠提供熱量同時又能夠進行制冷的有效節能系統。

2　唐山港京唐港區簡介

唐山港京唐港區位于唐山市東南方向約80km處，它是于1989年開始建設，屬于該市最早的國家級對外開放港口。目前貨種以煤炭、礦石、鋼材、散雜貨、集裝箱為主，2014年全港實現貨物吞吐量2.15×108t。隨著“京津冀一體化”上升為國家戰略，京唐港區成為承接京津產業轉移和功能疏解的重要平臺，為發展注入新活力，并且根據《唐山港總體規劃》，可開發利用岸線總長44.5km，已建成岸線8.145km，占可開發利用岸線的18%，該港區的未來前景非常好。

3　地源熱泵技術在唐山港京唐港區應用情況

該地區在冬天通常是采用燃煤或者城市供熱的方式來取暖，而夏天多是使用空調來實現制冷。因為冬天燃煤會產生各種廢氣、粉塵等污染物，它們污染了冷卻塔，造成夏天空調效果差，耗電量增多，使當地的電能供應壓力大，無法滿足實際的用電需求，并且在生產作業港區內鋪設城市供熱管網極為困難。因此，近10年京唐港區新建項目空調系統的構建是順應政策、努力落實構建環保、低碳港口的目標，基于此出發點，挑選了高效節能的地源熱泵技術。主要應用于以下工程項目：（1）2007年建設的京唐港區3000萬噸煤炭泊位工程；（2）2007年建設的唐山港京唐港區16號至19號泊位工程；（3）2011年建設的京唐港首鋼碼頭有限公司一期工程；（4）2013年建設的唐山港京唐港區集裝箱場站工程；（5）2014年建設的唐山港京唐港區36號至40號煤炭泊位工程；（6）2014年建設的唐山港京唐港區26號至27號集裝箱泊位工程。

下面就唐山港京唐港36號至40號煤炭泊位工程地源熱泵項目為實例，介紹該項目地源熱泵空調系統工作原理、系統優點、施工工藝、質量控制以及經濟指標等。

4　工程概況

唐山港京唐港區36號至40號煤炭泊位工程位于河北省唐山市海港經濟開發區14#路南段，其中地源熱泵空調系統包含后方輔建區、前方輔建區辦公生活區域，滿足3萬多平米建筑的夏季制冷冬季供暖及提供生活熱水。整個地源熱泵系統工程由中交第一航務工程勘察設計院有限公司負責設計，河北建設集團有限公司負責施工，開工時間為2014年5月30日，完工時間為2014年11月30日。

后方輔建區位于堆場西北端，包括辦公樓、宿舍樓、邊檢樓、后方綜合服務中心、2#變電所及除塵泵房、8#變電所及供水調節站工程，空調建筑總面積25400m2，要求夏天制冷、冬天供熱，同時供給生活熱水。在設定空調負荷程度時，要保留大約15%的富裕空間，其制冷情況下的負荷為2400kW，供熱情況下的負荷為1900kW；生活熱水則參照160名員工洗浴的用量來供給，機組供熱根據4h來計算，其負荷則是128kW。

前方輔建區位于堆場西南端，包括前方侯工樓、綜合庫、商檢用房及維修車間，空調建筑總面積8500m2，需要夏季制冷、冬季制熱，同時供應生活熱水。在設定空調負荷程度時，要保留適當的富裕空間，其制冷情況下的負荷為720.4kW，供熱情況下的負荷為787.2kW；生活熱水則參照160名員工洗浴的用量來供給，機組供熱根據4h來計算，其負荷則是128kW。

設置空調系統在夏天供應的水溫是7/12℃，冬天是40/45℃，生活熱水供應的溫度是60℃。

5　工作原理

地源熱泵大體上包含地表與地下水，以及地埋管三個系統。其中，第三個系統又被叫作地源熱泵系統，其主要是采用地表層的土為熱源，利用埋在地下的管道，構成地熱與水循環系統兩種轉換熱能的裝置，這是現在比較常見的地源熱泵系統。

制冷的原理：主要是將熱轉換裝置埋在地下，利用水在PE管中流動，形成封閉循環體系，進而完成與地表土之間的熱量傳遞過程，達到有效的制冷降溫作用，并且其機組運作生成的余熱，不但能夠用于加熱，提供生活熱水，還能夠把熱量傳遞至天然土壤中，續存熱量，以備冬季使用。

制熱的原理：是利用地下埋藏的封閉式管道，讓土中的熱能傳遞至室內，同時運用適度的高溫，借助于風機盤管釋放到室內，還能夠供應生活熱水；并且將剩余的冷量儲存起來，留給夏天使用。地表土壤是個非常好的能源儲存庫，如此便可以達到能量的季節轉換。

6　設計情況

土壤換熱器系統直接影響整個地源熱泵系統的構建情況，而土壤的導熱性與熱阻是該系統構建過程中必須重點考慮的兩個方面。所以，在開始設計此系統前，必須要對土壤的熱物性進行檢測，采用實地鉆鑿探測的方式取得有關的信息數據。該項目是利用相應的儀器檢測實地土壤的換熱性能，同時根據相關工程的換熱性數據，對該系統的設計實施統籌規劃：后方輔建區空調機房配置2臺WXFXHP-57TRG地源熱泵機組、440個埋深120m的雙U型埋管換熱器，埋管間距5m；前方輔建區空調機房配置2臺WCFXHP-18SRG地源熱泵機組、180個埋深120m的雙U型埋管換熱器，埋管間距5m。

7　該項目地源熱泵系統的施工品質監管

土壤換熱器系統的構建作為該項目的重要工藝環節，其構建的品質優劣將決定整個項目是否能夠平穩可靠的運作，而且此環節的施工只要完成就沒有辦法進行更改或者修補。

7.1地源系統工程為隱蔽性工程的特殊性

7.1.1高密度PE管原材質量方面：（1）產品出廠時要有產品合格證明；（2）原材進場后，當場抽取樣品進行檢測，同時對其規格等進行現場檢查；（3）符合標準的PE管，必須在出廠之前將管底連接，再實施打壓測試；（4）材料運送過來后，在埋管之前也要實施打壓測試，同時維持壓力超過1h，只有符合要求的PE管，才能夠使用，埋入事先打好的孔中；（5）PE管插入孔中以后，在埋之前，實施第二次打壓測試，待結果符合要求之后，才能夠填料；倘若結果不符合標準要立即取出，更換符合標準的PE管。

7.1.2打設換熱孔前根據設計圖紙在現場利用全站儀測放出每個換熱孔的精確位置，根據圖紙合理布置換熱孔間距，并且規劃主管線路及相應的分集水器井井位，并且做好施工記錄，精確記錄每個換熱孔及井位的坐標。

7.1.3鉆井施工過程中，應根據不同的地質情況，采取不同的施工工藝。施工時每根鉆桿反復幾次上下拉動，使孔完全打透。根據孔口測量的自然地面標高計算換熱井所需鉆孔的深度。根據管道外露長度計算該孔實際埋管長度，滿足設計要求，鉆孔深度誤差不大于50mm，垂直度小于1%孔深。管材采用成品D32雙U頭，廠家直接與管道熔接完畢,單孔4根整盤供應，每根的長度應滿足設計長度,現場試壓合格方可使用，杜絕現場熔接造成U頭縮孔，增大阻力。

7.1.4制作完成的U型管在插入井前，應做第一次水壓試驗。根據設計圖紙及《地源熱泵系統工程技術規范》的要求，下管前管道需做嚴密性試驗，本工程系統最大工作壓力為1.4MPa,試驗壓力為1.8Mpa，在該試驗壓力下,穩壓15min,壓降不大于3%，不滲不漏為合格。同時做好水壓試驗記錄，便于查看，并報項目監理部審核批準，做好隱蔽工程檢查記錄，方進行下道工序的施工。

7.1.5填料的密實程度將決定換熱孔的工作效率，想要有效增強材料填充的密實度：（1）必須控制好填充時的速度，順著孔壁的周圍勻速緩慢的填充，降低由于填充速度太快而導致孔內部材料間存在空隙；（2）采用多批次填充的方式，在填充期間對孔內注水，這樣可以防止填充材料在孔內形成過大的縫隙，保障填充的密實性。

7.2土壤換熱器的聯絡

該工程需要的換熱器數目龐大，覆蓋面較大，要保證每個換熱孔內的水流動的量與速度相同，完成換熱工作，整個系統內的換熱器與分支管道要采用相同的方法進行連接，從而確保此系統的穩定運作。

另外，將水平分布的供、回水管分別鋪設，同時使用同一個管溝，如此就能防止管道間由于熱量短路而造成損失，還可以有效減少溝渠的開挖工作量，降低了施工費用及縮短了工期。

8　該項目地源熱泵系統環保及經濟分析

地源熱泵系統在京唐港區36號至40號煤炭泊位工程項目中的實施更好體現了地源熱泵系統高效、節能、綠色、環保的理念：前、后輔建區域項目在2014年末構建完成，到現在已經運轉了一年；所有設備運行安全穩定，空調效果明顯，符合房屋內溫度與濕度方面的相關標準。

通過核算此項目的投入支出得知，前、后的輔建區域每年的運作成本大概是23.2萬元，折算到每平米大概是35元，這要比運用過去的燃煤與空調制冷方式節約了大概30%的費用。該系統不但運作成本比較低廉，而且對環境的污染程度比較小。此項目利用熱泵機組能夠由地下獲取5.6×107kW·h的熱能，這與燃燒1.45×103t的煤多產生的熱能相等，年均降低CO2的排放量大概有3.4×103t，SO2大概有20t，粉塵大概有15t，這極大程度的改善了當地的環境。

9　結語

地源熱泵技術在北上廣等經濟增長較快的城市推廣和使用的比較早，而河北等地使用的比較遲，目前正處于發展時期。該項目的有效落實，將為地源熱泵中央空調系統在當地的推廣與日后發展發揮積極的促進作用。

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董川（1987—），男，本科，河北唐山人，助理工程師，主要從事建筑工程研究。