淺層土壤源埋管的配置及其適用調峰源分析

□文/張巧麟 王 硯 李 君

天津市地熱資源豐富，屬于淺層地熱能適宜利用區域。淺層土壤源埋管是淺層地熱能應用的一種形式，具有四季溫度恒定、適中的特點。地源熱泵系統依靠土壤源埋管從地下土壤中提取能量，雖然熱泵機組的熱源和熱匯都是擴散半徑范圍內的土壤，但土壤源埋管夏季累計向土壤的放熱量與冬季從土壤的取熱量并不一致，這樣長期取放熱量不平衡的堆積會超過土壤自身對熱量的擴散能力，造成其溫度不斷偏離初始溫度并導致冷卻水溫度隨之變化和系統運行效率逐年下降，這就是熱失衡問題[1]。

土壤源埋管的熱失衡導致土壤溫度變化，不僅影響系統效率和性能，還影響地源熱泵的穩定性和安全性。長期的熱失衡會導致土壤溫度越來越高，最終再也無法從土壤中提取任何能量并且影響土壤的生態環境。熱失衡問題的解決方法是減小土壤源埋管換熱器的密集度和冷熱負荷的不平衡率，即合理配置土壤源埋管數量及布局并通過設置調峰冷熱源保證系統的安全可靠性。

1 淺層土壤源埋管的配置

天津市某大型集中能源項目采用淺層土壤源埋管為主要冷熱源，復合以冰蓄冷三工況系統為建筑供冷、供熱，總服務面積約為20萬m2。綜合考慮綠色建筑要求及項目安全性和經濟性，技術方案確定為帶有冷熱調峰復合以冰蓄冷技術的地源熱泵系統。

根據負荷分析，年冷量為14 500 MW·h/a，供熱量為15 900 MW·h/a。埋管既要保證充分利用土壤資源，緊湊布置；又要防止埋管間的熱干擾，采用5 m×5 m間距矩形布置方案，埋管形式采用雙U型垂直埋管，深度為120 m。由于淺層地能屬于可再生能源，因此應最大化利用，總埋管數量為1 993口。

室外埋管采用垂直土壤換熱器+水平集管+分、集水器的連接方式，即若干個垂直土壤換熱器經同程布置得水平集管連接后分別接至分、集水器，經分、集水器匯流后通過水平干管接至能源站，水平干管異程布置。

2 配置調峰冷熱源的必要性

根據土壤熱平衡性分析，土壤側排熱量為17 624 MW·h/a，取熱量為2 140 MW·h/a。土壤側存在熱不平衡現象，排熱量大于取熱量，熱調峰時不平衡率為31.1%。因此適度引入冷熱調峰設施，對系統包容負擔建筑的未知因素及對地溫調節的及時反應性均是十分必要的。

通常將在地源熱泵系統中起輔助供熱作用的裝置稱為調峰熱源。淺層地能排熱量大于取熱量，從土壤熱平衡角度來說并不需要熱調峰能源。但是從系統包容性來說，淺層地能負擔的公共建筑負荷規律變化大，其冷熱需求的不確定性較大，設置調峰熱源將使系統具有更好的適應性與靈活性。對于冬季地源側5℃/8℃的參數，常規地源熱泵機組的供水參數一般為45℃，鑒于原單體設計供水溫度45℃，能源站與單體建筑為間接連接，勢必需要提高能源站供熱參數，故設置調峰熱源是必須的。

通常將在地源熱泵系統中起輔助排熱作用的裝置稱為調峰冷源。本項目淺層地熱能土壤熱平衡分析中系統排熱量大于系統取熱量，土壤熱不平衡達到31.1%。因此，必須設置調峰冷源以彌補土壤熱不平衡現象。

3 調峰熱源的分析及設置

調峰熱源裝置從彌補因淺層地能放熱能力不足而導致的系統供熱能力不足的角度，所起的是調峰作用；從實現地源熱泵系統地源側季節（年）熱平衡的角度，所起的是輔助作用。

適合本項目的調峰熱源有市政熱網、燃氣熱水機組及深層地熱。由于能源站距地鐵直線距離不足100 m，為避免深井的施工、運行對地鐵運營造成影響，故深層地熱方案不被接受。相對于市政熱網的收費模式，燃氣熱水機組是一種經濟性更好的調峰熱源形式。因此本項目確定采用真空燃氣熱水機組作為調峰熱源，調峰熱負荷比例為25%。

4 調峰冷源的分析及設置

調峰冷源裝置從彌補淺層地能吸熱能力不足的角度，所起的是調峰作用；從實現地源熱泵系統地源側季節（年）熱平衡的角度，所起的是輔助作用。

本項目空調制冷系統的非土壤渠道排熱方式有，冷卻塔、淺層地下水兩種形式，而天津地區針對淺層地下水資源的開采嚴格限制且僅將其作為排熱用，代價過大。由于采用冷卻塔作為調峰冷源的技術可靠、經濟性好，因此確定冷卻塔為本項目的調峰冷源。盡管存在景觀處理問題，但因其僅起輔助作用，容量較小，通過恰當的設置方式（如采用下沉式安裝方式）可以將其對景觀的影響降至最低。見圖1。

圖1 采用下沉式安裝方式的冷卻塔

5 結論

在考慮了系統安全性、包容性及對淺層地能的影響等因素后，輔助以冷卻塔作為冷調峰，真空燃氣熱水機組作為熱調峰是完全適合本項目的。在大規模應用淺層土壤源埋管規劃之初，應該對土壤熱物理性進行檢測，根據土壤特性及負荷需求進行埋管的配置并根據項目規劃條件及周邊資源情況配置與項目相適用的調峰冷熱源。

系統設計前應對擬建項目進行全年動態負荷預測及土壤溫度場的數據模擬，有必要的情況下進行熱響應試驗，掌握負荷特性及取放熱量分布情況，再進行項目設計工作。

采用復合式系統是解決土壤熱失衡問題的途徑，根據系統構成制定地埋管的全年取放熱平衡方案，有助于從根本上減少土壤熱失衡現象，設置有效的土壤溫度監測系統和相應的調節控制系統是實現這一措施的關鍵[1]。

在埋管區域中設置地溫監測系統，實時監測供能過程中地溫變化情況及過渡季的地溫恢復情況，一旦溫度發生很大變化，應該啟用輔助調峰設備進行熱平衡。

除了在設計階段解決熱失衡問題，還應當更加注重和加強對土壤源埋管系統運行管理的把控。不科學、不合理的運行管理會引起或放大土壤冬夏季取放熱量的不平衡率，導致設計時采取的熱平衡措施失效。對大規模應用土壤源埋管的系統，要做好系統的監控及計量工作，根據累積的運行數據及負荷預測，制定全年的運行模式，以減少不必要的系統效率下降。