地源熱泵系統(tǒng)在軌道交通地鐵車輛基地綜合樓工程中的應(yīng)用分析

劉沖

（西安鐵一院工程咨詢監(jiān)理有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065）

地源熱泵系統(tǒng)是以巖土體、地下水或地表水為低溫?zé)嵩矗伤礋岜脵C組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵系統(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)。本文就地埋管地源熱泵系統(tǒng)在某市某軌道交通車輛基地綜合樓中的應(yīng)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(diào)系統(tǒng)，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(xùn)室、辦公用房、設(shè)備用房等組成。

2 綜合樓空調(diào)系統(tǒng)冷熱源設(shè)計

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

根據(jù)本工程的場地條件、地質(zhì)勘察結(jié)果和地埋管換熱系統(tǒng)實施的可行性和經(jīng)濟性，最終選擇綜合樓中央空調(diào)系統(tǒng)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(fù)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(shè)計

3.1 地埋管的設(shè)置區(qū)域

本車輛基地綜合樓的室外地埋管區(qū)域設(shè)置在綜合樓南側(cè)綠地、食堂西側(cè)綠地和足球場東側(cè)綠地。該區(qū)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(nèi)通過閥門切換，向辦公樓末端提供冷熱水。地埋管換熱系統(tǒng)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(tǒng)工程設(shè)計而言，最關(guān)心的是地埋管換熱系統(tǒng)的換熱能力，這主要反映在地埋管換熱器深度范圍內(nèi)的綜合巖土導(dǎo)熱系數(shù)和綜合比熱容兩個參數(shù)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(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和差異性，因此必須通過現(xiàn)場試驗得到巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)和綜合比熱容等巖土熱物性參數(shù)。

在試驗測得巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)和巖土初始平均溫度的基礎(chǔ)上，結(jié)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(zhì)設(shè)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(shè)計和施工的依據(jù)。

通過對本工程地埋管設(shè)置區(qū)域進行巖土熱響應(yīng)實驗（熱物性實驗）結(jié)果及建議如下：

3.2.1 實驗結(jié)構(gòu)

工作區(qū)0～3.6m為素填層，1.4～11m為粉質(zhì)黏土，4.1～16.5m為園礫層（厚度為1.5～3.6），6.4～18m為強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，11.1～100m中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，鉆探較易。工作區(qū)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(wěn)定熱流測試，巖土體平均導(dǎo)熱系數(shù)λ為1.81W/(m·K)。具體數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 測試孔導(dǎo)熱系數(shù)表

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

通過穩(wěn)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(qū)巖土綜合比熱容為2296kJ/(m3·K)。

3.2.2 建議

由于系統(tǒng)建成運行后，測試孔區(qū)域地層溫度會發(fā)生變化，對周邊地層的溫度場會產(chǎn)生一定影響，為了能夠使系統(tǒng)安全和穩(wěn)定地運行，應(yīng)設(shè)置1～5個地質(zhì)環(huán)境觀測孔，記錄測試孔區(qū)域及周圍地層溫度場的變化情況。地源熱泵系統(tǒng)運行過程中，工程管理人員應(yīng)做好地源熱泵機組的運行記錄，并及時注意觀測地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測孔內(nèi)的溫度變化情況。

通過測試計算得出了布管區(qū)域內(nèi)初始溫度為20.3℃，巖土體平均熱導(dǎo)熱系數(shù)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(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》GB50366-2005（2009年版）中推薦的每延米換熱量值（見表2），區(qū)內(nèi)計算結(jié)果基本一致，建議在今后地埋管熱泵系統(tǒng)實際設(shè)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(yù)算等因素。

表2 地埋管換熱指標推薦值

根據(jù)車輛基地綜合樓的總平面圖、現(xiàn)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(yīng)實驗熱物性報告，進行地埋管井布點設(shè)計。

本工程共設(shè)置總井?dāng)?shù)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(qū)。室外地埋管示意圖如圖1。

圖1

地源熱泵系統(tǒng)設(shè)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(nèi)。垂直U型管形式為雙U型De25管，其材質(zhì)與規(guī)格為：SDR11系列聚乙烯(PE100），外徑與壁厚為D25×3.0mm。水平埋管材質(zhì)與規(guī)格為：聚乙烯(PE100），外徑與壁厚位D110×10.0mm。

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

地埋管換熱器內(nèi)循環(huán)介質(zhì)采用水，不加防凍劑，工作溫度應(yīng)在0～40℃范圍內(nèi)。豎直地埋管換熱器U型管的組對長度應(yīng)能滿足插入鉆孔后與環(huán)路集管連接的要求，組對好的U型管的兩開口端部，應(yīng)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(huán)路的水平管均采用同程式連接至室外集分水器，每個環(huán)路均需設(shè)球閥，各區(qū)室外集水器與空調(diào)機房集水器相連的集合管段上設(shè)溫度計與平衡閥，室外分集水器需裝排氣閥并嚴禁出現(xiàn)倒流現(xiàn)象。水平管埋深標高為所在區(qū)地面高度-2m。

4 結(jié)語

本工程采用地埋管地源熱泵應(yīng)用有如下優(yōu)點。

（1）經(jīng)濟性。綜合樓一般設(shè)置軌道交通車輛基地場段內(nèi)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(yīng)用能夠解決場段內(nèi)冷卻塔的設(shè)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(jīng)濟效益。

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