重慶某辦公樓復合式地源熱泵系統設計

朱柏山，艾民（中機中聯工程有限公司，重慶　400039）

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重慶某辦公樓復合式地源熱泵系統設計

朱柏山，艾民
（中機中聯工程有限公司，重慶400039）

摘要：該文結合重慶某辦公樓復合式地源熱泵系統設計實例，對復合式地源熱泵系統地埋管換熱器部分的設計過程進行了分析。地溫檢測、管路反沖洗及泄漏檢測系統的設置，確保地埋管換熱器系統安全穩定運行。以上分析對今后重慶地區地源熱泵系統的設計具有指導作用。

關鍵詞：復合式地源熱泵系統；地埋管換熱器；反沖洗系統

0　引言

能源是人類賴以生存和發展的物質基礎。隨著人類文明的進步和社會發展，人類對能源的消耗越來越多，地源熱泵作為一種利用地表淺層能量（太陽輻射）的一種可再生能源，其高效節能、綠色環保、節水省電、運行可靠以及環境效益明顯的特點，被世界各地廣泛應用。對于重慶地區，地源熱泵系統工程實例較少［1］。為解決由于夏季供冷量遠大于冬季供暖量，導致地源熱泵系統向土壤中的排熱量遠大于取熱量，而土壤全年熱量吸熱和放熱的不平衡將導致系統運行周期內土壤溫度明顯上升、系統性能衰減，甚至無法使用［1］的問題，離心式冷水機組加地源熱泵螺桿機組的復合式系統形式成為了一種很好的解決方案［2］。

本文將對重慶某辦公建筑復合式地源熱泵系統地埋管換熱器部分設計過程進行分析，以期對重慶地區地源熱泵系統的設計具有參考價值。

1　工程概況

該項目位于重慶市高新區大楊石組團，總用地面積7110m2，總建筑面積為4.67萬m2，總空調面積為19641m2。該綜合辦公樓由一棟單體高層建筑加裙房組成。該建筑地上21層，地下5層，建筑總高度為91.2m；地下-5F層為設備用房，-4F至-1F為車庫，1F至5F為廚房、餐廳、會議室、檔案室，6F以上為辦公室。項目實景如圖1所示。

大樓采用集中空調形式，全年運行。門廳、報告廳、員工餐廳等大空間區域采用全空氣系統空調形式，辦公及辦公區域內的小會議室采用風機盤管加新風系統形式，新風系統采用全熱新風換氣機組。

根據前期地質勘察報告，項目設置地埋管換熱器系統的地下土壤主要由砂巖和泥巖組成，水文地質簡單，無地下水。

2　空調負荷計算及巖土熱響應實驗

為了驗證復合式地源熱泵系統在項目應用的合理性，在項目方案階段編寫了可行性分析報告，報告通過了專家評審。由于本文篇幅所限，下文只列舉分析報告中的全年動態空調負荷計算及巖土熱響應實驗結果，其作為施工圖設計的重要輸入條件。

該項目采用DeST能耗模擬軟件對建筑全年空調逐時負荷進行逐時模擬分析，并利用鴻業暖通負荷計算軟件進行復核。經過詳細的空調負荷計算［3］，可得到整棟建筑的空調冷負荷為2992kW，冷負荷指標為148.7W/m2；空調熱負荷為1093kW，熱負荷指標為55.6W/m2；全年累計熱負荷635238 kW·h，全年累計冷負荷4373691kW·h。為得到巖土體初始溫度、巖土熱物性參數以及地源熱泵地埋管單位深度換熱量，在設計前期對項目所在地深層土壤進行了巖土熱響應試驗。經過實驗及后期計算，該工程地質條件下采用DN32的雙U管地下換熱器，豎直埋管深度100m，冬季供暖季單位鉆孔長度換熱量為46W/m，夏季空調季平均單位鉆孔長度換熱量為65W/m。

圖1　建筑實景圖

3　地源熱泵設計

地源熱泵系統設計主要是地源側地埋管換熱器設計和用戶側水系統設計，地埋管換熱器的釋熱和吸熱是否達到設計要求，對整個項目空調系統正常運行尤為重要。

3.1地源熱泵系統設備選型

對于重慶地區的建筑，夏季供冷量遠大于冬季供暖量，夏季釋熱量全部由地埋管換熱器帶入地下，勢必會造成初投資大量增加。為了在保證系統全年高效運行的情況下減少初投資的費用，地源熱泵螺桿機組及地埋管換熱器優先滿足冬季負荷，夏季地源熱泵螺桿機組冷量不足的部分由一臺離心式冷水機組補充（系統設備選型參數詳見表1）。

表1　復合式地源熱泵系統設備選型

地源熱泵螺桿機組是冬夏兩用型機組，夏季機組冷凝器將建筑的熱量通過地埋管換熱器釋放到土壤中，冬季作為機組的蒸發器通過埋管換熱器從土壤中吸熱，機組冬夏季節的轉換通過水系統側閥門調節改變井水、空調循環水的流通路徑，實現制冷、制熱工況的轉換。冬夏季水系統原理圖如圖2和圖3。

圖2　夏季系統原理示意圖

圖3　冬季系統原理示意圖

3.2地埋管系統設計

目前埋管形式主要有水平埋管和豎直埋管兩種形式。

水平埋管。由于水平管的埋深較淺，其埋管換熱器性能不如豎直埋管，而且施工時占用場地大。在實際使用中，往往是單層與多層互相搭配：螺旋管傳熱性能優于直管，但不宜施工。由于淺埋水平管受地面溫度影響大，埋管區域面積過大，故該工程不予考慮［2］。

豎直埋管。根據埋管形式的不同，一般有單U形管，雙U形管，小直徑螺旋盤管和大直徑螺旋盤管，立式柱狀、蜘蛛狀、套管式等形式；按埋設深度不同分為淺埋、中埋和深埋。目前使用最多的是U形管、套管和單管式。

豎直埋管的埋設深度應根據當地地質情況、工程及場地的大小、投資及使用的鉆機性能等情況綜合考慮。其中有幾點應注意到：（1）鉆60m以內的鉆機成本少，費用低，如果大于60m，其鉆機成本會提高；（2）井深100m以內，可用國產普通型承壓（承壓1.2MPa）塑料管，如深度大于100m，需采用高承壓塑料管，其成本大大增加。

根據工程情況，鑒于需地下換熱量較大，且受到埋管面積限制，因此考慮到充分利用較深地層的換熱能力，故選用雙U型換熱器形式，埋管深度設計為100m，并輔助設計冷卻塔以進行夏季負荷調峰，降低地埋管費用和平衡冬夏提取和排入地下的熱量。

地埋管換熱器長度計算，主要是在參照機組實際運行供水溫度條件下做的巖土熱響應實驗所得的雙U管單位井深換熱量和建筑空調熱負荷兩個條件下確定地埋管長度。巖土熱響應實驗結果可知，冬季DN32的雙U管單位井深換熱量為46W/m，考慮到工程安全余量的因素，本項目冬季雙U管單位井深換熱量取43W/m。根據所列參數，計算可以得，地埋管需要的總長度為25419m。

通過實地測量，確定滿足地埋管要求的場地面積為4453m2，多次布孔方案對比，最終確定設置251個孔數的地埋管，單孔埋管深度為100m，孔間距為4.5m×4m，布置區域位于建筑車庫投影區內，垂直埋管采用分區設計，分為2個區，總共設置10組地埋管組，每個管組包含7～34個地埋孔，每個管組均采用同程式敷設管道。具體布置位置詳見圖4-圖6。

圖4　負二層地源熱泵布管位置

圖5　負四層地源熱泵布管位置

3.3地埋管水利計算

為保證地埋管系統及時排氣和加強換熱，《地源熱泵系統工程技術規范》GB50366-2009中推薦雙U管形地埋管流速不宜小于0.4m/s。同時，相關地埋管中水的流速對地埋管換熱影響的研究也表明，當地埋管流速大于0.4m/s之后，隨著介質（水）與土壤換熱時間的縮短，熱流量隨流速變化更加緩慢?？紤]到增加流速需要加大循環泵的揚程以及運行費用的增加等成本因素，換熱器內設計流速取0.4～0.6m/s［4］較為合理。

根據該項目土壤熱響應實驗結果及地埋管系統循環水泵揚程及運行費用等因素，雙U管設計流速取0.5m/s。

由以上所確定的參數，通過各環路詳細水利計算，最終確定各環路地埋管管徑及地源熱泵地源側循環水泵的揚程。

圖6　負五層地源熱泵布管位置

4　其它設計

復合式地源熱泵系統地埋管換熱器的安全穩定運行，對空調系統至關重要，在設計中考慮相關輔助措施是很有必要的。

（1）為保證地埋管換熱器運行安全可靠，在設計過程中預留兩個地埋管豎井作為溫度檢測井，檢測地下土壤溫度變化。測試井每10m設置一個測點，測點數據通過數據線連接至這冷機房內的地溫測試儀中。在地源熱泵系統運行過程中，根據地溫儀所測數據，判定地溫是否超過規定數值。當地溫升高超過規定數值，空調控制系統立即調整離心式冷水機組和地源熱泵螺桿機組的運行策略，保證地溫保持在合理范圍內。

（2）地埋管換熱器運行過程中，地埋管管網中會集聚污物，如不及時清理將會阻塞管網，嚴重影響系統正常運行。為保證污物及時排出系統，在地源熱泵地源側設計中設置了反沖洗系統。反沖洗系統在非空調季節系統維護啟動時，來自于地埋管分水器的反向高速水流沖刷地埋管系統，把污物帶至地埋管集水器，然后從集分水器底部泄水管排入機房排水地溝。

（3）地埋管換熱器各環路在運行過程中，有可能部分管道接口密封不嚴［5］，導致某環路發生泄漏，如不能及時發現，不但增加運行費用，而且影響系統安全運行。為了及時檢測到地埋管換熱器各環路中循環水是否泄漏，在地源側膨脹水箱的補水管上設置流量表，檢測地源側補水量是否出現異常。當補水量異常，流量表反饋信號到控制中心，控制中心確認后，關閉空調系統，對地埋管換熱器各環路進行檢查。

（4）地埋管換熱器管路深埋地下，如果在建筑施工及后期場地開挖過程中管路被損壞，整個地埋管換熱器系統有可能無法使用。為確保地埋管換熱器系統施工安裝完成后不被人為損壞，項目在施工過程中要求施工方在地埋管豎井及管溝區域設置警示標志，并安排相關人員現場巡查。項目竣工后，在地埋管豎井及管溝區域設置警示標志，防止場地開挖過程中損壞地埋管網。

5　運行策略分析

地源熱泵系統運行策略是否合理，不但影響空調系統運行效率，而且影響空調系統能耗及系統檢修周期和使用壽命。

由于重慶地區5-8月室外溫濕度較低，離心式冷水機組能效高，空調系統優先運行離心式冷水機組；在9月室外溫濕度較高的時候，離心式冷水機組能效比降低，此時利用地源熱泵能效高的特點，地源熱泵機組與冷水機組同時運行；10-11月份室外溫濕度逐漸降低，當土壤溫度高于限定值時，只開啟離心式冷水機組，停止向土壤釋熱防止土壤溫度繼續升高；當土壤溫度低于限定值時，只開啟地源熱泵機組，增加向土壤的釋熱量保證冬季空調系統所需的熱量；在12月至次年2月，開啟地源熱泵機組，對整棟塔樓進行供熱。

6　結論

（1）項目選用豎直雙U管的埋管形式以及豎直埋管深度100m，不但可以節省建設初投資，也保證了地埋管換熱器換熱能力。

（2）埋管換熱器中水的流速選取較常規水系統的要大，使管中產生湍流，保證地埋管高效換熱。

（3）復合式地源熱泵系統的溫檢測系統可以檢測地溫情況，并根據地溫調整空調系統運行策略；管路反沖洗系統和泄漏檢測系統可確保埋管換熱器各環路不被阻塞，地埋管換熱器某環路發生泄漏被及時發現。以上三個系統的設置，可以確保系統安全穩定運行。

參考文獻：

［1］李娟，寇秀培，趙建成.垂直埋管式地源熱泵的實例應用及經濟性分析［J］.建筑熱能通風空調，2007，26（3）: 41-44.

［2］馬最良，呂悅.地源熱泵系統設計與應用［M］.北京：機械工業出版社，2006：197-198.

［3］中國建筑科學研究院.GB 50736-2012民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2012.

［4］付文彪，蔣綠林，紀洪林，等.地源熱泵設計中兩個重要參數的實驗研究［J］.暖通空調，2009，39（2）: 118.

［5］中國建筑科學研究院.GB 50366-2009地源熱泵系統工程技術規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2006.

責任編輯：孫蘇，李紅

Design of Hybrid Ground-coupled Heat Pump System for an Office Building in Chongqing

Keywords:hybrid ground-coupled heat pump system；ground heat exchanger；backwashing system

Abstract:Based on the design case of hybrid ground-coupled heat pump system for an office Building in Chongqing，the design process of its ground heat exchanger is analyzed.Temperature detection，pipeline backwashing and leak detection system are set up to ensure the stable operation of the buried pipe in the heat exchanger system.The analysis is expected to offer some references for related field in Chongqing.

中圖分類號：TU243.2

文獻標識碼：A

文章編號：1671-9107（2016）04-0009-03

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.04.009

收稿日期：2016-2-29

作者簡介：朱柏山（1981-），男，甘肅金昌人，研究生，工程師，主要從事暖通設計工作。