土壤源熱泵在嚴寒地區辦公建筑中的應用

金瑋濤

（哈爾濱工業大學建筑設計研究院有限公司，哈爾濱 150090）

0 引言

隨著人民生活水平的日益提高，對于建筑環境方面的要求也逐漸提升。空調系統在當前建筑中十分普遍，為居住環境的改善起到了非常大的作用，嚴寒地區建筑高能耗的問題也日趨突出，因此我們努力尋找更為清潔的能源系統。土壤源熱泵系統就是這樣的暖通空調技術，在節約能源以及降低污染方面具有非常可觀的碳減排能力，是未來我國實現碳中和達到碳達峰的有力支撐。

國內土壤源熱泵的理論研究與工程應用發展較早，已積累了大量的理論和實踐經驗。魯芬豹等［1］確定了隨機因素對地埋管換熱的定量影響，使得在工程中地埋管長度計算更加準確。龔皓玥等［2］通過工程實例中土壤溫度全年監測數據，對地埋管換熱器周圍土壤的溫度恢復及熱堆積現象的影響進行了分析研究。徐東亮等［3］以18個高緯度嚴寒地區土壤源熱泵系統的成功實踐，填補了土壤源熱泵在高緯度地區應用的空白。文中以嚴寒地區辦公建筑為案例，介紹了土壤源熱泵系統的設計思路，提出了幾點在設計中的思考，希望能夠為土壤源熱泵技術在嚴寒地區的進一步應用提供幫助。

1 項目概況

項目位于齊齊哈爾市，是一棟辦公建筑，總建筑面積：40280m2，地上34830m2，地下5450m2。主體建筑為地上七層，地下一層，建筑總高度：33.9m。空調總熱負荷為2351.5kW，空調總冷負荷為2961.7kW。工程以設計負荷為依據，結合該項工程具體地理位置自然條件狀況，經全面分析計算整體建筑物冷熱負荷與地質地溫變化周期的地能保有量及產出量的變化系數，經計算將建筑主體的室內空間和室外地表淺層地下空間，設計成了熱泵的冷凝器和蒸發器，利用循環水泵提供動力，將收集到的低品位熱量源源不斷的送到室內用戶空間，從而實現冬季空調供暖及夏季空調制冷的功能。

2 技術特點

地源熱泵技術通過少量電能驅動，利用低品位的地熱能進行供暖，制冷的技術。地熱能是指地球表層所積蓄的能量，其最終來源是太陽能，具有綠色、清潔、可持續的特征［4］。根據能量來源又細分為土壤源熱泵，地下水源熱泵和地表水源熱泵。土壤源熱泵系統因其在使用上不受水資源的限制，可根據不同地域采用靈活多樣的方式，適用范圍廣而得到了廣泛的應用。土壤源熱泵以土壤中蘊含的能量為熱源，冬季通過從土壤中取熱，對建筑物進行供暖，夏季利用相反的過程從建筑物中取熱，從而降低室內溫度，同時夏季儲存在地下的熱量又能夠為冬季取熱創造條件，如此周而復始形成閉合循環。

3 設計思路

3.1 系統勘察、確定參數

土壤源熱泵系統設計時需要同時掌握建筑物的負荷分布情況以及周圍環境與水文地質信息，因此在常規空調系統設計的基礎上需要對工程地點進行系統性的勘察，收集整理所需的信息。地埋管換熱系統的勘察包括巖土層的結構，熱物性和溫度，地下水的水溫、水位、水質及分布，凍土層的厚度等。其中巖土熱物性參數作為重要的設計依據，必須準確檢測以保證設計的可靠性，避免出現換熱器過大或者換熱能力不足的情況。當地埋管地源熱泵系統應用面積在5000m2以上時，應進行熱響應試驗。在實地勘察的基礎上，確定熱響應試驗測試方案，測試孔的數量和位置，當采用多個測試孔測試時，應對測試結果取算數平均值。一般在試驗前按照正確工藝將獨立單孔換熱器連接到恒溫和恒流循環熱源系統中，在測試孔完成并放置至少48h后方可進行試驗，并做好循環水流量，加熱功率，換熱器進出水溫、運行時間等數據的記錄，確保單位長度孔深換熱能力及總換熱量滿足要求。其次，要對建筑場地的地形地貌、用地范圍和周圍建筑物構筑物整體把控，盡可能避免因其他因素的干擾而影響空調系統施工。

3.2 準確計算，科學設計

在初步設計階段，需要根據現場勘查，水文地質數據進行科學計算，包含地面設施與深度，可用土地范圍，建筑物的功能等。根據地質情況建立TRNSYS仿真模型，通過模擬確定換熱器的直徑、長度和位置，選擇合適的設備和施工工藝。研究表明地埋管直徑和鉆孔間距對系統運行費用影響較大［5］，在設計過程中應優先確定鉆孔間距，在此基礎上再考慮增大地埋管直徑來增加換熱量。嚴寒地區需特別注意冬季換熱器出口溫度下限值的設定，以防止水溫過低導致熱泵機組結冰，進而影響系統運行的安全性。對于冷、熱負荷計算方面，首先采用負荷估算指標計算建筑物的最大負荷及全年負荷，匹配合適的換熱器，作為建設投資的依據。在后期施工圖階段不僅要考慮建筑外圍護結構和環境的影響，還要考慮人體、燈光設備散熱量以完善負荷計算，利用DeST軟件對負荷進行建模分析，保證計算的準確性。

工程在主體周圍設計8個取能器，各取能器間距＞50m，位置見圖1所示。孔深105～110m，直徑1.8m，取能器下至取能孔底，導熱系數截面積傳熱功率大于等于300kW。熱泵機械壓機動力系統選用5：6齒形智能高效熱泵機械壓機系統4套，能效比大于等于1：6：8，總取熱負荷大于等于2800kW，具備智能聯網及遠程聯控自動控制功能；循環泵選用高效節能、高靜音智能網絡型變頻熱水循環泵，流量大于等于300t/h、揚程40m；具體型號由地源熱泵廠家根據冷、熱負荷計算結果并結合用能特點進行選型見表1。

圖1 取能器位置示意圖

表1 主要設備材料

3.3 保證土壤熱平衡

土壤源熱泵依靠土壤換熱器從地下土壤中提取溫差能，但是土壤作為熱源，冬季釋放的熱量與夏季吸收的熱量一般并不一致，這樣長期不平衡會在土壤中積累，造成溫度偏離初始設計溫度，土壤溫度上升和下降都對系統穩定運行不利，并導致系統運行效率逐年下降。一般情況下，土壤溫度降低1K會使制取相同熱量的能耗增加3%～4%。在設計時，通過建立模型對換熱器周圍土壤溫度場進行模擬，計算在周期循環后土壤溫度與原始地溫的差值，在此基礎上合理設計換熱器的埋深和數量，保證熱泵系統的性能穩定。另外，在必要情況下可采用輔助措施保證土壤的熱平衡。我國北方地區冬季寒冷，供暖期長，采暖需求量大，淺層地表溫度較低，冬季負荷高于夏季負荷，可采用輔助鍋爐、太陽能輔助熱源或等方式對熱能進行補充；輔助冷源則可以采用冷卻塔來輔助散熱。工程地點位于嚴寒地區，存在全年熱負荷大于全年冷負荷的情況，為防止熱泵機組運行效率下降，保證土壤熱平衡，采用了市政熱源作為補充，冬季由空調和散熱器聯合供熱。在運行時依靠多重監測系統收集各取能井溫度數據，對比分析各取能井的溫度變化情況，及時調整運行策略，合理分配負荷，保證系統高效運行。

3.4 水蓄熱系統

夏季空調的大量使用導致用電高峰期電量緊缺，地方出臺峰谷電價推薦用戶削峰填谷，為保證熱泵機組的正常運行，降低運行成本，響應政策的號召，進一步達到節能的目的，工程中設計了8個蓄水池，配套4個儲能控制器和5臺變頻熱水循環泵見圖2。運行控制策略為：在夜間最大化利用低谷電價將冷量或者是熱量保存在儲能器當中，在白天空調負荷較高時優先利用儲存的能量，其余部分再通過取能器獲得。這樣一方面可以提高熱泵機組在滿負荷狀態下運行的時間，另一方面利用的峰谷電價的差額降低的機組的運行費用，提高機組運行的經濟性。該系統與無蓄能的常規地埋管地源熱泵系統相比，初投資節省約10%年運行費用節省約25%，設備裝機容量降低7%，鉆孔數量降低8%，節省地埋換熱孔布置面積1500m2，經濟效益顯著。

圖2 熱泵主控機房系統

4 嚴寒地區熱泵技術設計思考

嚴寒地區由于其所處緯度較高，冬季寒冷且持續時間長，夏季相對短暫而溫和，全年冷負荷和熱負荷不能完全平衡，熱泵機組長期運行會在土壤中積累冷量，容易出現土壤溫度偏離設計溫度的情況，最終導致機組性能系數降低，冬季供熱能力不足。另一個問題是嚴寒地區冬季室外溫度低，建筑熱負荷較高，為保證人民正常的生產生活需要，對熱泵機組的高效穩定運行提出了更高的要求。

針對以上的問題，在設計上有幾點思考。從熱源角度考慮，冷熱負荷不均衡的情況可通過降低熱泵機組承擔的熱負荷來改善，采用太陽能輔助供暖，生物質鍋爐房輔助供暖等手段可在冬季對建筑物內的熱量進行補充，同時具備一定的調峰作用；從運行角度考慮，為保證系統高效穩定運行可采用高負荷間歇運行的方式，地埋管處土壤在間歇期能夠有充足的時間向周圍土壤導熱，恢復土壤本身的溫度場，保證地埋管附近土壤在熱泵機組運行時的溫度。還可以增加蓄熱系統，通過合理設計蓄能用能時間，保證各取能井滿足高效間歇運行，盡可能提高機組運行效率，利用峰谷電價的差值，降低運行費用。從系統末端形式考慮，嚴寒地區熱負荷本身較大，而在相同的熱負荷下，采用散熱器采暖對水溫要求較高，相較而言，采用地面輻射采暖的方式對于水溫要求要低很多，地面輻射采暖供水溫度一般為35～45℃，比散熱器供水溫度低15～25℃，顯然較低的供水溫度對于熱泵機組高效運行更為有利。總之，土壤源熱泵技術在嚴寒地區使用中存在自身特點，需要通過采用相應的技術措施保證熱泵穩定高效運行，這樣才能讓熱泵技術在節能減排方面發揮出最大的作用。

5 應用前景

土壤源熱泵受到環境因素的約束較少，通過輔助加熱措施能夠很好的適應嚴寒地區，對于未來拓展節能減排工作思路具有非常好的指導作用。項目投入使用5年以上，實際運行效果良好，室內溫度、濕度等均達到設計要求，并多次接受相關單位進行參觀考察，可以作為土壤源熱泵技術在嚴寒地區應用的成功案例。因此，未來在提升暖通空調技能技術水平以及節能方面的技術優勢的過程當中，需要充分考慮到土壤源熱泵技術，并且加大這方面的研究力度，使得土壤源熱泵技術支持下的暖通空調節能目標得以實現，滿足其各方面的實際需求。并且在此基礎之上，讓暖通空調的節能技術在實際過程當中的應用更加豐富，推動我國建筑暖通空調技術的進一步發展。

6 結語

（1）嚴寒地區建筑冷、熱負荷差別較大，在應用土壤源熱泵技術時，需要通過建模對全年負荷準確計算，保證土壤的冷熱平衡。

（2）嚴寒地區土壤源熱泵在設計過程中，可以通過輔助熱源補充熱量，避免出現冬季供熱能力不足的情況，同時避免土壤溫度偏離設計值較大，影響熱泵機組運行效率。

（3）土壤源熱泵系統在根據嚴寒地區特點進行有針對性的設計后，能夠穩定可靠的運行，具有明顯的節能效果。