地源熱泵系統在軌道交通地鐵車輛基地綜合樓工程中的應用分析

劉沖

（西安鐵一院工程咨詢監理有限責任公司，陜西 西安 710065）

地源熱泵系統是以巖土體、地下水或地表水為低溫熱源，由水源熱泵機組、地熱能交換系統、建筑物內系統組成的供熱空調系統。地源熱泵系統根據地熱能交換系統形式的不同，地源熱泵系統分為地埋管地源熱泵系統、地下水地源熱泵系統和地表水地源熱泵系統。本文就地埋管地源熱泵系統在某市某軌道交通車輛基地綜合樓中的應用進行了分析。

1 工程概況

某市地鐵車輛基地綜合樓工程空調系統，本項目為地鐵車輛基地綜合樓，地上11層，地下1層建筑，建筑高44.25m，建筑總面積約為22545m2，由會議室、培訓室、辦公用房、設備用房等組成。

2 綜合樓空調系統冷熱源設計

該綜合樓位于市區，綜合樓夏季空調逐時冷負荷綜合最大值1671kW，按空調區域面積，冷負荷計算指標：169W/m2。冬季空調總熱負荷：821kW,熱負荷計算指標：83W/m2。

根據本工程的場地條件、地質勘察結果和地埋管換熱系統實施的可行性和經濟性，最終選擇綜合樓中央空調系統冷熱源采用兩臺雙工況（制冷、制熱）地源熱泵機組+一臺螺桿式冷水機組（單冷）組合的復合能源方式。夏季工況：制冷量Q=554kW,冷凍水量95m3/h,冷卻水量119m3/h。冬季工況：制熱量Q=577kW；熱水量119m3/h，熱源水量95m3/h。螺桿式主機制冷量810.4kW，冷凍水量125.5m3/h，冷卻水量143.9m3/h。以滿足冬季供熱量為基準選擇地埋管地源熱泵機組，夏季由地源熱泵機組+螺桿式冷水機組向辦公樓提供冷源，冬季由地源熱泵機組向綜合樓提供熱源。

3 地埋管換熱器的設計

3.1 地埋管的設置區域

本車輛基地綜合樓的室外地埋管區域設置在綜合樓南側綠地、食堂西側綠地和足球場東側綠地。該區域具有較好的埋管場地條件。冷水機組配置兩臺冷卻塔散熱，地源熱泵配置地埋管換熱器及冷卻塔加板式熱交換器。通過采取單獨配置一臺冷水機組，地源熱泵配置冷卻塔加板式熱交換器兩個措施來平衡全年土壤的吸熱量與釋熱量，保持土壤的熱平衡。

地源熱泵機組夏季從地埋管或冷卻塔取水，冬季從地埋管取水，機房內通過閥門切換，向辦公樓末端提供冷熱水。地埋管換熱系統聚乙烯（PE）管材及管件用于制冷機房主機冷卻水與土壤的熱交換，夏季從土壤取冷，冬季從土壤取熱，且保證土壤全年的熱平衡。

3.2 地埋管換熱量的取值

對于地埋管地源熱泵系統工程設計而言，最關心的是地埋管換熱系統的換熱能力，這主要反映在地埋管換熱器深度范圍內的綜合巖土導熱系數和綜合比熱容兩個參數上，是一個反映了巖土、地下水流等因素影響的綜合值。由于地質結構的復雜性和差異性，因此必須通過現場試驗得到巖土綜合導熱系數和綜合比熱容等巖土熱物性參數。

在試驗測得巖土綜合導熱系數和巖土初始平均溫度的基礎上，結合地埋管換熱器鉆孔回填材料、鉆孔直徑、埋管類型（單/雙U）、埋管間距、運行份額、運行工況下地埋管中傳熱介質設計平均溫度、運行時間等條件，計算得出測試條件下地埋管換熱器單位孔深換熱量參考值，作為后期設計和施工的依據。

通過對本工程地埋管設置區域進行巖土熱響應實驗（熱物性實驗）結果及建議如下：

3.2.1 實驗結構

工作區0～3.6m為素填層，1.4～11m為粉質黏土，4.1～16.5m為園礫層（厚度為1.5～3.6），6.4～18m為強風化泥質粉砂巖，11.1～100m中風化泥質粉砂巖，鉆探較易。工作區100m以淺地層平均初始溫度為20.3℃，溫度變化19.6～21.9℃。

通過對五個測試孔進行穩定熱流測試，巖土體平均導熱系數λ為1.81W/(m·K)。具體數據詳見表1。

表1 測試孔導熱系數表

說明：該數值受外界因素影響可能存在一定的偏差，由于地層的復雜性，該數值只對該項目有效，對周邊地區進行土壤源熱泵系統設計不具有參考價值。

通過穩定工況（模擬夏季工況下，地埋管換熱器進水溫度為35℃）計算，在流量為1.0m3/h時，得到單位深度每延米換熱量為49W/m。

本項目工作區巖土綜合比熱容為2296kJ/(m3·K)。

3.2.2 建議

由于系統建成運行后，測試孔區域地層溫度會發生變化，對周邊地層的溫度場會產生一定影響，為了能夠使系統安全和穩定地運行，應設置1～5個地質環境觀測孔，記錄測試孔區域及周圍地層溫度場的變化情況。地源熱泵系統運行過程中，工程管理人員應做好地源熱泵機組的運行記錄，并及時注意觀測地質環境監測孔內的溫度變化情況。

通過測試計算得出了布管區域內初始溫度為20.3℃，巖土體平均熱導熱系數λ為1.81W/（m·K），巖土綜合比熱容為2296kJ/(m3·K)，對比《地源熱泵系統工程技術規范》GB50366-2005（2009年版）中推薦的每延米換熱量值（見表2），區內計算結果基本一致，建議在今后地埋管熱泵系統實際設計或施工中，充分考慮管徑、埋管間距、建筑物功能、主機選擇以及運行策略、水力平衡、負荷變化、預算等因素。

表2 地埋管換熱指標推薦值

根據車輛基地綜合樓的總平面圖、現場情況、建筑冷熱負荷特點及地下管線情況,參考巖土熱響應實驗熱物性報告，進行地埋管井布點設計。

本工程共設置總井數300口，鉆孔直徑為130mm，地埋井埋管有效深度為100m，地下鉆孔之間間距大部分為5×5m，部分為3.5×3.5m。鉆孔布置共分為3個區。室外地埋管示意圖如圖1。

圖1

地源熱泵系統設計采用垂直雙U型豎直埋管，垂直埋管群井均布于建筑物地外綠化帶內。垂直U型管形式為雙U型De25管，其材質與規格為：SDR11系列聚乙烯(PE100），外徑與壁厚為D25×3.0mm。水平埋管材質與規格為：聚乙烯(PE100），外徑與壁厚位D110×10.0mm。

土壤換熱器循環水設計溫度夏季為30/25℃，冬季為5/10℃，冬季空調熱負荷由地埋管換熱系統承擔。夏季采用地埋管換熱系統為主排熱，冷卻塔為輔助排熱，冷卻塔主要承擔是土壤源熱平衡作用。

地埋管換熱器內循環介質采用水，不加防凍劑，工作溫度應在0～40℃范圍內。豎直地埋管換熱器U型管的組對長度應能滿足插入鉆孔后與環路集管連接的要求，組對好的U型管的兩開口端部，應及時密封。供、回水集管的間距不小于0.6m。

室外地埋管換熱器環路的水平管均采用同程式連接至室外集分水器，每個環路均需設球閥，各區室外集水器與空調機房集水器相連的集合管段上設溫度計與平衡閥，室外分集水器需裝排氣閥并嚴禁出現倒流現象。水平管埋深標高為所在區地面高度-2m。

4 結語

本工程采用地埋管地源熱泵應用有如下優點。

（1）經濟性。綜合樓一般設置軌道交通車輛基地場段內中，室外室外的綠地具有較好的埋管場地條件。地埋管地源熱泵的應用能夠解決場段內冷卻塔的設置問題，從一定程度上減少對外界噪聲污染以及地面景觀因素的影響。同時，采用地埋管地源熱泵時也具有良好的經濟效益。

（2）節能性。冬夏季熱泵機組能效比高，運行費用遠低于傳統的空氣源熱泵系統。同時地埋管熱交換器不需要除霜，減少了結霜和除霜的能耗。

（3）可再生性。土壤有較好的蓄熱性能，冬季通過熱泵從土壤中吸熱，同時釋放冷量，夏季通過熱泵將吸收冷量，釋放熱量，保證打底熱量的平衡。