土壤源熱泵系統節能方案分析

韓 非 （安徽兩淮建設有限責任公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

近年來，淺層地熱能作為熱泵冷熱源應用非常廣泛，能滿足夏季制冷及冬季供暖的需求，土壤源熱泵技術已成為最有發展潛力的采暖空調技術之一[1]。土壤源熱泵系統通過埋管換熱器實現建筑物內部與土壤層熱量交換，從而實現室內溫度調節的要求[2]。消耗少量的電能即可實現從低品位能源向高品位能源轉換，緩解城市熱島效應的同時還能減少污染物的排放，節能減排，清潔環保[3]。

2 土壤源熱泵工作原理

地下一定深度的土壤層幾乎不受太陽輻射干擾，溫度相對穩定，通過在建筑物周圍布置地埋管管路系統，實現與建筑物內部冷熱交換[6]。冬季建筑物供暖通過從土壤中取熱完成，夏季建筑物制冷需向土壤層散熱實現，以土壤層作為熱泵機組的冷熱源，實現建筑物內部的供暖供冷[6]。

土壤源熱泵運行模式：地埋管換熱系統→集水器→地源側水泵→地源熱泵機組→分水器→地埋管換熱系統。

3 工程應用實例

3.1 工程概況

高速·濱湖時代廣場位于合肥濱湖新區徽州大道與方興大道交叉路口，南鄰煙墩路，西鄰西藏路。該建筑群地上建筑面積448390m2，地下建筑面積112309m2，總建筑面積 560699m2。其中，C1# 樓：地下三層為設備用房，地下二層及地下一層功能為酒店輔助用房，1～5為酒店裙房，功能為酒店大堂、餐飲、會議及娛樂用房，裙房建筑面積27056m2，采用土壤源（豎直U型）地源熱泵空調系統，以解決裙房冬季供暖及部分衛生熱水需求，由于地下室范圍及裙房部分由于豎向荷載水平較低，柱墩傳至土體的應力在土體的影響范圍有限，在結構上具有可行性，因此地埋管設置于地下室。

3.2 空調設計方案

酒店裙房地源熱泵空調系統設計及主要設備選擇。

①系統設計：采用常規冷水機組與帶部分熱回收的地源熱泵機組混合運行模式，夏季由地源熱泵機組（帶部分熱回收）機組及常規冷水機組聯合制冷，并提供夏季衛生熱水負荷；冬季由地源熱泵機組（帶部分熱回收）機組供暖，同時由蒸汽鍋爐提供備用熱源；過渡季節及冬季采用高溫型全熱回收地源熱泵機組提供衛生熱水,同時全年由蒸汽鍋爐提供輔助及備用衛生熱水熱源。

②機組配置原則：考慮到五星級酒店的標準，要求制冷系統及供暖設備要有足夠的可靠性，即當其中一臺制冷機或供暖設備故障時，其余的制冷機或供暖設備仍然可以滿足75%的計算冷負荷。

③冷熱源選用2臺熱回收型地埋管螺桿式地源熱泵機組，每臺機組的制冷量為1758kW（500RT），制熱量1800 kW，同時選擇1臺1758kW（500RT）常規螺桿冷水機組，選擇1臺1055kW（300RT）常規冷水機組。冷凍機房設置于地下三層，冷卻塔設置于地下三層，冷卻塔設置裙房屋面。

3.3 地埋管換熱器設計

①地埋管形式及鉆孔數量計算

本工程采用PE管垂直雙U埋管形式，管徑d25，鉆孔深度105m，間距4.0m×4.0m，有效深度100m，鉆孔孔徑150mm。根據實際布管設計實際可實現埋管數量為810口。

②地埋管系統的設計及控制

地埋管換熱系統根據場地情況劃分為116個環路系統，與地埋管分集水器（地下三層冷凍機房）相連接，水平干管直埋敷設于地下2～2.5m處（二層結構板下方），設置全自動落地式定壓補水裝置，循環水泵與熱泵機組采取一對一的運行方式，地源熱泵機組運行臺數則根據其流量的大小自動調節匹配。

③全年土壤熱平衡設計

溫度傳感器及流量傳感器設置于地埋管水系統的供回水總管道上，對地埋管換熱器全年夏季總釋放熱量、冬季及過渡季節總取熱量進行分項計量。夏季制冷工況下，帶部分熱回收的地源熱泵機組的優先使用，根根運行時間切換機組實現土壤層全年熱平衡。

④土壤溫度數據采集設計

本工程設有光纖分布式土壤溫度數據采集系統一套，地埋管區域選取2個數據采集點，不同巖土層結構垂直方向進行溫度數據采集，并進行全年動態分析，便于系統高效穩定運行。

3.4 土壤溫度數據采集系統的深化設計與施工

溫度測量：在場地北部施工三個鉆孔，鉆孔編號為1號孔、2號孔和3號孔，從埋管區域往北每間隔5m設置一個鉆孔，深度為120m，每個鉆孔中從上到下綁扎6個溫度傳感器（間距為20m），在場地東南埋設一個鉆孔，鉆孔編號為4號孔深度為120m，每個鉆孔中從上到下埋設6個溫度傳感器（間距為20m）。

施工方法：將d32的HDPE管置于已施工好的鉆孔中（孔深120m）中，并在管中充注滿水，將來用溫度探頭從上到下進行測量，綁扎的溫度傳感器溫度可以直接接入或暫時存儲，預埋套管，用于溫度傳感器的維護和檢修。

3.5 地埋管管材選型及預制

①管材及連接要求管材及管件均采用高密度聚乙烯PE管（1.6MPa)，它具有良好的耐腐蝕性和化學穩定性，能滿足系統長期使用的需求。

②管道安裝前須清除管內污垢及雜物,用水沖凈，安裝中的管口應臨時封閉。

③水平干管坡度不小于0.002。

④井下PE垂直管預制。

4 系統冷熱源方案選擇與分析

合肥地區根據氣候分區屬于夏熱冬冷地區，全年平均氣溫15.7℃，建筑物夏季冷負荷約為冬季熱負荷的1.7倍，夏季制冷時間約為120 d，冬季供暖時間約為90 d。冷熱源機組應夏季供冷，冬季供暖，工作時間為全天24h運行。通常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，一般是集中設置冷熱源。根據我省能源現狀，確定幾種常見的冷熱源方案，并與土壤源熱泵進行分析比較[6]。

土壤源熱泵系統年運行費用主要分為系統運行電能消耗產生的費用、設備維修費保養費用以及監管人員工資等。而常規冷水機組系統加上燃氣鍋爐年運行費用主要由包括集中供熱費用、系統運行電能消耗產生的費用、設備維修費保養費用以及監管人員工資等（為方便計算，設備的折舊費忽略不計）。系統年運行費用主要包括電費、水費和燃料費用，其中補水量按系統循環水量的2%計算。由于機組實際上大部分運行時間都是處于部分負荷運行狀態，因此機組夏季運行按 100% 負荷 10d、80% 負荷 20d、60%負荷40d、40%負荷20d、20%負荷10d計算；冬季運行按100%負荷10d、80%負荷 30d、60% 負荷 30d、40% 負荷30d、20%負荷10d計算。

冬季工況以2016年冬季為例，供暖期為12月5日至次年的3月15日共101d。夏季工況以2017年夏季為例，供冷期為6月1日至9月15日，共107d。合肥市目前居民用水價格為2.45元/m3，民用天然氣價格為2.33元/m3，系統運行時間段內的平均電價為0.48元/kW·h。

方案一：土壤源熱泵冬季工況由監測系統監測到系統耗電量5.702×105 kW·h，因此冬季使用的電費為27.37萬元；土壤源熱泵系統在投入后管理和定期維修保養，按兩名維保人員計算，工資1800元每月，冬季運行人員工資費用總計1.44萬元；該系統年冬季的維修費為0.65萬元，冬季總運行費用為29.46萬元。夏季系統總耗電量魏1.39×106kW·h，運行電費為66.83萬元；人工費按0.72萬元計算，2017年夏季無維修費用，運行費用總計67.55萬元。

方案二：冬季工況采用電動冷水機組+燃氣鍋爐系統對該工程進行供熱，冬季采暖燃氣鍋爐的運行，耗電量8.01×104kW·h,總供熱費3.85萬元。夏季工況系統耗電量1.73×106，合計83.05萬元。將兩種方案的初投資及年運營費用匯總。

方案一的系統投入初投資雖然較高，但其總運行費用最低，方案二初投資最小，但需要單獨設置鍋爐房，夏季冷水機組運行費用與空氣源熱泵相差不多，冬季燃氣鍋爐運行費用最高，總的運行費用是兩種系統中最高的。結合能源價格及環境污染排放，方案二的系統配置相比方案一不利。

5 結論

綜上所述，土壤源熱泵雖然由于地埋管換熱系統比較復雜，初次投資高于傳統中央空調系統，但傳統中央空調的運行費用遠高于土壤源熱泵，一般4～9年時間就可以將增加的初投資部分收回[4]。雖然影響土壤源熱泵系統使用經濟性的因素有很多，如國家能源政策、能源價格、建筑環境、使用者以及氣候條件等。采用土壤源熱泵系統供暖在幾種供暖方式中能量轉換系數最大，因此在運行費用的節省上也具有一定的優勢。傳統中央空調壽命一般在12年左右，而土壤源熱泵的地下換熱系統由于采用高強度的材料，埋地壽命可達50年。本文對土壤源熱泵在合肥地區應用進行研究，使土壤源熱泵這一利用可再生能源的新技術在合肥地區進一步推廣具有很大的價值，同時為為安徽省相關政策和發展規劃提供參考。