地源熱泵系統(tǒng)工廠應(yīng)用案例分析

楊亞鵬

常州迅石項(xiàng)目管理咨詢有限公司（213161）

0 前言

地源熱泵制熱要比常規(guī)的電制熱或燃油、燃?xì)庵茻峤?jīng)濟(jì)，制取相同的熱量，地源熱泵的耗電量通常只有電制熱耗電量的1/4 到1/5。因此，地源熱泵市場(chǎng)廣闊。

到2020年，我國(guó)地?zé)峁┡娣e將達(dá)到12.5 億m2，地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到25 萬kW，地?zé)崮苣昀昧窟_(dá)到5 000 萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤，形成地?zé)崮苜Y源評(píng)價(jià)、開發(fā)利用技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備制造、產(chǎn)業(yè)服務(wù)等比較完整的產(chǎn)業(yè)體系。

1 地源熱泵系統(tǒng)概述

地源熱泵是通過輸入少量的高品位能源(如電能等)，實(shí)現(xiàn)陸地淺層能源由低品位熱能向高品位熱能轉(zhuǎn)移的裝置。通常地源熱泵消耗1 kWh 的電能，用戶可以得到4 kWh 以上的熱量或冷量。地源熱泵是以巖土體、地層土壤、地下水或地表水為低溫?zé)嵩矗傻卦礋岜脵C(jī)組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱中央空調(diào)系統(tǒng)。根據(jù)地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)主要包括室外地源換熱系統(tǒng)、地源熱泵主機(jī)系統(tǒng)和室內(nèi)末端系統(tǒng)三個(gè)部分。

地源熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)，不消耗水也不污染水；不需要鍋爐，不需要冷卻塔，也不需要堆放燃料廢物的場(chǎng)地，環(huán)境效益顯著。地源熱泵機(jī)組的電力消耗，與空氣源熱泵相比可以減少40%以上，與電供暖相比可以減少70%以上；其制熱系統(tǒng)比燃?xì)忮仩t的效率平均提高近50%，比燃?xì)忮仩t的效率高出了75%。

2 案例簡(jiǎn)介

本案例為伊維氏傳動(dòng)系統(tǒng)（平湖）有限公司新建廠房，投資者為德國(guó)伊維氏汽車系統(tǒng)兩合公司（iwis motorsysteme GmbH&Co·KG），此公司在業(yè)界享有很高的地位和聲譽(yù)。公司的客戶包括寶馬，奔馳，奧迪，保時(shí)捷等著名的汽車生產(chǎn)商。由于高端汽車整車廠對(duì)汽配產(chǎn)品要求苛刻，伊維氏對(duì)新工廠提出了很高的要求，包括生產(chǎn)車間和儲(chǔ)藏車間都需要做到恒溫。

工廠位于獨(dú)黎公路以北新興一路以東的狹長(zhǎng)區(qū)域，總占地面積為19 480.3 m2。工廠分兩期建設(shè)，一期總占地面積為11 948 m2，總建筑面積約8 000 m2。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了在保證正常需求的同時(shí)兼顧節(jié)能因素，為業(yè)主方提出多種新能源節(jié)能方案，包括地源熱泵、太陽能、風(fēng)能等。最終地源熱泵系統(tǒng)以其地域覆蓋面大、性價(jià)比高、維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)獲得了業(yè)主方的青睞。

在項(xiàng)目開展之前，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開展了地源熱泵巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)。確定單位單U 埋管延米放熱量和取熱量分別為54.7 W/m 和40.2 W/m。管群及地埋管數(shù)量設(shè)計(jì)取安全系數(shù)為1.05～1.1，即在參考單位延米放（取）熱量計(jì)算得到的埋管設(shè)計(jì)數(shù)量后，再乘以1.05～1.1 的系數(shù)。

室外地源換熱系統(tǒng)采用垂直埋管--深層土壤全封閉系統(tǒng)。垂直埋管可獲取地下深層土壤的熱量。垂直埋管通常安裝在地下50～150 m 深處，一組或多組管與熱泵機(jī)組相連，封閉的塑料管內(nèi)的防凍液將熱能傳送給熱泵，然后由熱泵轉(zhuǎn)化為建筑物所需的暖氣和熱水。

地源熱泵主機(jī)系統(tǒng)采用特靈RTWDCH530 機(jī)組。此機(jī)組的出水量在65～125 t 之間，出水溫度最高45 ℃。圖1 是該螺桿機(jī)機(jī)組示意圖。

熱泵機(jī)組裝置主要由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和膨脹閥四部分組成，通過讓液態(tài)工質(zhì)（制冷劑或冷媒）不斷完成“蒸發(fā)（吸取環(huán)境中的熱量）→壓縮→冷凝 （放出熱量）→節(jié)流→再蒸發(fā)” 的熱力循環(huán)過程，將環(huán)境里的熱量轉(zhuǎn)移到水中。壓縮機(jī)起著壓縮、輸送循環(huán)工質(zhì)，使其從低溫低壓處到高溫高壓處的作用，是熱泵（制冷）系統(tǒng)的心臟；蒸發(fā)器是輸出冷量的設(shè)備，它的作用是使經(jīng)節(jié)流閥流入的液態(tài)制冷劑蒸發(fā)，以吸收被冷卻物體的熱量，達(dá)到制冷的目的；冷凝器是輸出熱量的設(shè)備，從蒸發(fā)器中吸收的熱量連同壓縮機(jī)耗功所轉(zhuǎn)化的熱量在冷凝器中被冷卻介質(zhì)帶走，達(dá)到制熱的目的；膨脹閥或節(jié)流閥對(duì)循環(huán)工質(zhì)起到節(jié)流降壓作用，并調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的循環(huán)工質(zhì)流量。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，壓縮機(jī)所消耗的功（電能）起到補(bǔ)償作用，使循環(huán)工質(zhì)不斷地從低溫環(huán)境中吸熱，并向高溫環(huán)境放熱，周而往復(fù)地進(jìn)行循環(huán)。

圖1 特靈水冷螺桿機(jī)RTWDCH530 機(jī)組示意圖

地源熱泵的COP 值達(dá)到了4 以上，按照本機(jī)組50 kWh 的耗電量，用戶可以得到大約200 kWh的熱量或冷量。

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的夏季總冷負(fù)荷為950 kW、冬季總冷負(fù)荷為750 kW，冷凍水供水和回水溫度為7 ℃～12 ℃，空調(diào)熱水供水回水溫度為45 ℃～40 ℃。地源熱泵U 型管地埋深度為100 m，夏季放熱量為55 W/m，冬季吸熱量為40 W/m。為了達(dá)到需求的冷熱交換量，共設(shè)計(jì)管井299 個(gè)，所有管井均位于道路、停車場(chǎng)等下方。每8～10 口井為一組，通過橫管聯(lián)通至集水井中。

4 施工安裝

因?yàn)楣S位于狹長(zhǎng)地塊，地源熱泵U 型管埋設(shè)區(qū)域占了很大的面積，并且與雨水管、污水管、消防管和給水管交錯(cuò)，所以施工難度很大。地埋U 型管井的施工大致在項(xiàng)目的中期開始，由一個(gè)施工小組完成所有的打井施工，299 口井大致花費(fèi)了2 個(gè)月的時(shí)間。地埋U 型管井全部施工完成之后，將豎埋管道每8～10 個(gè)為一組，通過橫管集中到了辦公樓附近的集水井中。這個(gè)集水井可以通過手動(dòng)開關(guān)每組U 型管地埋井組（如圖2 所示）。

圖2 地源熱泵U 型管集水井

從集水井出入的管道通往空調(diào)機(jī)房。空調(diào)機(jī)房是整套地源熱泵系統(tǒng)的核心部位。整套設(shè)備在2 個(gè)月內(nèi)安裝到位，包括螺桿機(jī)、水泵、蒸發(fā)器等。

系統(tǒng)壓力測(cè)試完畢之后，進(jìn)入試運(yùn)行階段。試運(yùn)營(yíng)過程中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，室內(nèi)溫度在設(shè)備運(yùn)行30 min 之后可以達(dá)到22 ℃（冬天室外溫度在0～5℃）。整套設(shè)備連續(xù)運(yùn)行48 h 無不良情況。

5 結(jié)語

與伊維氏上海工廠相比，伊維氏平湖新廠的面積增加一倍，但是空調(diào)系統(tǒng)的耗電量基本持平（上海工廠3 000 m2廠房每月7 萬元電費(fèi)，空調(diào)耗電量大致占50%）。整套系統(tǒng)的成本在200～300 百萬元之間，3～5年減少的運(yùn)營(yíng)成本就可以抵扣這套系統(tǒng)的費(fèi)用。地源熱泵的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件非常少，所有的部件不是埋在地下便是安裝在室內(nèi)，從而避免了室外惡劣氣候的影響。機(jī)組緊湊、節(jié)省空間，維護(hù)費(fèi)用低。機(jī)組的自動(dòng)控制程度較高，可實(shí)現(xiàn)無人值守。

我國(guó)是制造業(yè)大國(guó)，制造類企業(yè)是耗能大戶。地源熱泵等新能源系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，不但可以降低工業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，還能促進(jìn)我國(guó)節(jié)能減排事業(yè)的發(fā)展。