土壤源熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)辦公建筑中的應(yīng)用

金瑋濤

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)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(duì)于建筑環(huán)境方面的要求也逐漸提升?？照{(diào)系統(tǒng)在當(dāng)前建筑中十分普遍，為居住環(huán)境的改善起到了非常大的作用，嚴(yán)寒地區(qū)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(tǒng)。土壤源熱泵系統(tǒng)就是這樣的暖通空調(diào)技術(shù)，在節(jié)約能源以及降低污染方面具有非?？捎^的碳減排能力，是未來(lái)我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和達(dá)到碳達(dá)峰的有力支撐。

國(guó)內(nèi)土壤源熱泵的理論研究與工程應(yīng)用發(fā)展較早，已積累了大量的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。魯芬豹等［1］確定了隨機(jī)因素對(duì)地埋管換熱的定量影響，使得在工程中地埋管長(zhǎng)度計(jì)算更加準(zhǔn)確。龔皓玥等［2］通過工程實(shí)例中土壤溫度全年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)地埋管換熱器周圍土壤的溫度恢復(fù)及熱堆積現(xiàn)象的影響進(jìn)行了分析研究。徐東亮等［3］以18個(gè)高緯度嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)的成功實(shí)踐，填補(bǔ)了土壤源熱泵在高緯度地區(qū)應(yīng)用的空白。文中以嚴(yán)寒地區(qū)辦公建筑為案例，介紹了土壤源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，提出了幾點(diǎn)在設(shè)計(jì)中的思考，希望能夠?yàn)橥寥涝礋岜眉夹g(shù)在嚴(yán)寒地區(qū)的進(jìn)一步應(yīng)用提供幫助。

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)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?？照{(diào)總熱負(fù)荷為2351.5kW，空調(diào)總冷負(fù)荷為2961.7kW。工程以設(shè)計(jì)負(fù)荷為依據(jù)，結(jié)合該項(xiàng)工程具體地理位置自然條件狀況，經(jīng)全面分析計(jì)算整體建筑物冷熱負(fù)荷與地質(zhì)地溫變化周期的地能保有量及產(chǎn)出量的變化系數(shù)，經(jīng)計(jì)算將建筑主體的室內(nèi)空間和室外地表淺層地下空間，設(shè)計(jì)成了熱泵的冷凝器和蒸發(fā)器，利用循環(huán)水泵提供動(dòng)力，將收集到的低品位熱量源源不斷的送到室內(nèi)用戶空間，從而實(shí)現(xiàn)冬季空調(diào)供暖及夏季空調(diào)制冷的功能。

2 技術(shù)特點(diǎn)

地源熱泵技術(shù)通過少量電能驅(qū)動(dòng)，利用低品位的地?zé)崮苓M(jìn)行供暖，制冷的技術(shù)。地?zé)崮苁侵傅厍虮韺铀e蓄的能量，其最終來(lái)源是太陽(yáng)能，具有綠色、清潔、可持續(xù)的特征［4］。根據(jù)能量來(lái)源又細(xì)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(tǒng)因其在使用上不受水資源的限制，可根據(jù)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(yīng)用。土壤源熱泵以土壤中蘊(yùn)含的能量為熱源，冬季通過從土壤中取熱，對(duì)建筑物進(jìn)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(nèi)溫度，同時(shí)夏季儲(chǔ)存在地下的熱量又能夠?yàn)槎救釀?chuàng)造條件，如此周而復(fù)始形成閉合循環(huán)。

3 設(shè)計(jì)思路

3.1 系統(tǒng)勘察、確定參數(shù)

土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要同時(shí)掌握建筑物的負(fù)荷分布情況以及周圍環(huán)境與水文地質(zhì)信息，因此在常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上需要對(duì)工程地點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)性的勘察，收集整理所需的信息。地埋管換熱系統(tǒng)的勘察包括巖土層的結(jié)構(gòu)，熱物性和溫度，地下水的水溫、水位、水質(zhì)及分布，凍土層的厚度等。其中巖土熱物性參數(shù)作為重要的設(shè)計(jì)依據(jù)，必須準(zhǔn)確檢測(cè)以保證設(shè)計(jì)的可靠性，避免出現(xiàn)換熱器過大或者換熱能力不足的情況。當(dāng)?shù)芈窆艿卦礋岜孟到y(tǒng)應(yīng)用面積在5000m2以上時(shí)，應(yīng)進(jìn)行熱響應(yīng)試驗(yàn)。在實(shí)地勘察的基礎(chǔ)上，確定熱響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試方案，測(cè)試孔的數(shù)量和位置，當(dāng)采用多個(gè)測(cè)試孔測(cè)試時(shí)，應(yīng)對(duì)測(cè)試結(jié)果取算數(shù)平均值。一般在試驗(yàn)前按照正確工藝將獨(dú)立單孔換熱器連接到恒溫和恒流循環(huán)熱源系統(tǒng)中，在測(cè)試孔完成并放置至少48h后方可進(jìn)行試驗(yàn)，并做好循環(huán)水流量，加熱功率，換熱器進(jìn)出水溫、運(yùn)行時(shí)間等數(shù)據(jù)的記錄，確保單位長(zhǎng)度孔深換熱能力及總換熱量滿足要求。其次，要對(duì)建筑場(chǎng)地的地形地貌、用地范圍和周圍建筑物構(gòu)筑物整體把控，盡可能避免因其他因素的干擾而影響空調(diào)系統(tǒng)施工。

3.2 準(zhǔn)確計(jì)算，科學(xué)設(shè)計(jì)

在初步設(shè)計(jì)階段，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，水文地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，包含地面設(shè)施與深度，可用土地范圍，建筑物的功能等。根據(jù)地質(zhì)情況建立TRNSYS仿真模型，通過模擬確定換熱器的直徑、長(zhǎng)度和位置，選擇合適的設(shè)備和施工工藝。研究表明地埋管直徑和鉆孔間距對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用影響較大［5］，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)優(yōu)先確定鉆孔間距，在此基礎(chǔ)上再考慮增大地埋管直徑來(lái)增加換熱量。嚴(yán)寒地區(qū)需特別注意冬季換熱器出口溫度下限值的設(shè)定，以防止水溫過低導(dǎo)致熱泵機(jī)組結(jié)冰，進(jìn)而影響系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。對(duì)于冷、熱負(fù)荷計(jì)算方面，首先采用負(fù)荷估算指標(biāo)計(jì)算建筑物的最大負(fù)荷及全年負(fù)荷，匹配合適的換熱器，作為建設(shè)投資的依據(jù)。在后期施工圖階段不僅要考慮建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和環(huán)境的影響，還要考慮人體、燈光設(shè)備散熱量以完善負(fù)荷計(jì)算，利用DeST軟件對(duì)負(fù)荷進(jìn)行建模分析，保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。

工程在主體周圍設(shè)計(jì)8個(gè)取能器，各取能器間距＞50m，位置見圖1所示?？咨?05～110m，直徑1.8m，取能器下至取能孔底，導(dǎo)熱系數(shù)截面積傳熱功率大于等于300kW。熱泵機(jī)械壓機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)選用5：6齒形智能高效熱泵機(jī)械壓機(jī)系統(tǒng)4套，能效比大于等于1：6：8，總?cè)嶝?fù)荷大于等于2800kW，具備智能聯(lián)網(wǎng)及遠(yuǎn)程聯(lián)控自動(dòng)控制功能；循環(huán)泵選用高效節(jié)能、高靜音智能網(wǎng)絡(luò)型變頻熱水循環(huán)泵，流量大于等于300t/h、揚(yáng)程40m；具體型號(hào)由地源熱泵廠家根據(jù)冷、熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果并結(jié)合用能特點(diǎn)進(jìn)行選型見表1。

圖1 取能器位置示意圖

表1 主要設(shè)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(zhǎng)期不平衡會(huì)在土壤中積累，造成溫度偏離初始設(shè)計(jì)溫度，土壤溫度上升和下降都對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行不利，并導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效率逐年下降。一般情況下，土壤溫度降低1K會(huì)使制取相同熱量的能耗增加3%～4%。在設(shè)計(jì)時(shí)，通過建立模型對(duì)換熱器周圍土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，計(jì)算在周期循環(huán)后土壤溫度與原始地溫的差值，在此基礎(chǔ)上合理設(shè)計(jì)換熱器的埋深和數(shù)量，保證熱泵系統(tǒng)的性能穩(wěn)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(guó)北方地區(qū)冬季寒冷，供暖期長(zhǎng)，采暖需求量大，淺層地表溫度較低，冬季負(fù)荷高于夏季負(fù)荷，可采用輔助鍋爐、太陽(yáng)能輔助熱源或等方式對(duì)熱能進(jìn)行補(bǔ)充；輔助冷源則可以采用冷卻塔來(lái)輔助散熱。工程地點(diǎn)位于嚴(yán)寒地區(qū)，存在全年熱負(fù)荷大于全年冷負(fù)荷的情況，為防止熱泵機(jī)組運(yùn)行效率下降，保證土壤熱平衡，采用了市政熱源作為補(bǔ)充，冬季由空調(diào)和散熱器聯(lián)合供熱。在運(yùn)行時(shí)依靠多重監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收集各取能井溫度數(shù)據(jù)，對(duì)比分析各取能井的溫度變化情況，及時(shí)調(diào)整運(yùn)行策略，合理分配負(fù)荷，保證系統(tǒng)高效運(yùn)行。

3.4 水蓄熱系統(tǒng)

夏季空調(diào)的大量使用導(dǎo)致用電高峰期電量緊缺，地方出臺(tái)峰谷電價(jià)推薦用戶削峰填谷，為保證熱泵機(jī)組的正常運(yùn)行，降低運(yùn)行成本，響應(yīng)政策的號(hào)召，進(jìn)一步達(dá)到節(jié)能的目的，工程中設(shè)計(jì)了8個(gè)蓄水池，配套4個(gè)儲(chǔ)能控制器和5臺(tái)變頻熱水循環(huán)泵見圖2。運(yùn)行控制策略為：在夜間最大化利用低谷電價(jià)將冷量或者是熱量保存在儲(chǔ)能器當(dāng)中，在白天空調(diào)負(fù)荷較高時(shí)優(yōu)先利用儲(chǔ)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(jī)組在滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行的時(shí)間，另一方面利用的峰谷電價(jià)的差額降低的機(jī)組的運(yùn)行費(fèi)用，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。該系統(tǒng)與無(wú)蓄能的常規(guī)地埋管地源熱泵系統(tǒng)相比，初投資節(jié)省約10%年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省約25%，設(shè)備裝機(jī)容量降低7%，鉆孔數(shù)量降低8%，節(jié)省地埋換熱孔布置面積1500m2，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖2 熱泵主控機(jī)房系統(tǒng)

4 嚴(yán)寒地區(qū)熱泵技術(shù)設(shè)計(jì)思考

嚴(yán)寒地區(qū)由于其所處緯度較高，冬季寒冷且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，夏季相對(duì)短暫而溫和，全年冷負(fù)荷和熱負(fù)荷不能完全平衡，熱泵機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)在土壤中積累冷量，容易出現(xiàn)土壤溫度偏離設(shè)計(jì)溫度的情況，最終導(dǎo)致機(jī)組性能系數(shù)降低，冬季供熱能力不足。另一個(gè)問題是嚴(yán)寒地區(qū)冬季室外溫度低，建筑熱負(fù)荷較高，為保證人民正常的生產(chǎn)生活需要，對(duì)熱泵機(jī)組的高效穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求。

針對(duì)以上的問題，在設(shè)計(jì)上有幾點(diǎn)思考。從熱源角度考慮，冷熱負(fù)荷不均衡的情況可通過降低熱泵機(jī)組承擔(dān)的熱負(fù)荷來(lái)改善，采用太陽(yáng)能輔助供暖，生物質(zhì)鍋爐房輔助供暖等手段可在冬季對(duì)建筑物內(nèi)的熱量進(jìn)行補(bǔ)充，同時(shí)具備一定的調(diào)峰作用；從運(yùn)行角度考慮，為保證系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行可采用高負(fù)荷間歇運(yùn)行的方式，地埋管處土壤在間歇期能夠有充足的時(shí)間向周圍土壤導(dǎo)熱，恢復(fù)土壤本身的溫度場(chǎng)，保證地埋管附近土壤在熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)的溫度。還可以增加蓄熱系統(tǒng)，通過合理設(shè)計(jì)蓄能用能時(shí)間，保證各取能井滿足高效間歇運(yùn)行，盡可能提高機(jī)組運(yùn)行效率，利用峰谷電價(jià)的差值，降低運(yùn)行費(fèi)用。從系統(tǒng)末端形式考慮，嚴(yán)寒地區(qū)熱負(fù)荷本身較大，而在相同的熱負(fù)荷下，采用散熱器采暖對(duì)水溫要求較高，相較而言，采用地面輻射采暖的方式對(duì)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(duì)于熱泵機(jī)組高效運(yùn)行更為有利。總之，土壤源熱泵技術(shù)在嚴(yán)寒地區(qū)使用中存在自身特點(diǎn)，需要通過采用相應(yīng)的技術(shù)措施保證熱泵穩(wěn)定高效運(yùn)行，這樣才能讓熱泵技術(shù)在節(jié)能減排方面發(fā)揮出最大的作用。

5 應(yīng)用前景

土壤源熱泵受到環(huán)境因素的約束較少，通過輔助加熱措施能夠很好的適應(yīng)嚴(yán)寒地區(qū)，對(duì)于未來(lái)拓展節(jié)能減排工作思路具有非常好的指導(dǎo)作用。項(xiàng)目投入使用5年以上，實(shí)際運(yùn)行效果良好，室內(nèi)溫度、濕度等均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并多次接受相關(guān)單位進(jìn)行參觀考察，可以作為土壤源熱泵技術(shù)在嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)用的成功案例。因此，未來(lái)在提升暖通空調(diào)技能技術(shù)水平以及節(jié)能方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)的過程當(dāng)中，需要充分考慮到土壤源熱泵技術(shù)，并且加大這方面的研究力度，使得土壤源熱泵技術(shù)支持下的暖通空調(diào)節(jié)能目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，滿足其各方面的實(shí)際需求。并且在此基礎(chǔ)之上，讓暖通空調(diào)的節(jié)能技術(shù)在實(shí)際過程當(dāng)中的應(yīng)用更加豐富，推動(dòng)我國(guó)建筑暖通空調(diào)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）嚴(yán)寒地區(qū)建筑冷、熱負(fù)荷差別較大，在應(yīng)用土壤源熱泵技術(shù)時(shí)，需要通過建模對(duì)全年負(fù)荷準(zhǔn)確計(jì)算，保證土壤的冷熱平衡。

（2）嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵在設(shè)計(jì)過程中，可以通過輔助熱源補(bǔ)充熱量，避免出現(xiàn)冬季供熱能力不足的情況，同時(shí)避免土壤溫度偏離設(shè)計(jì)值較大，影響熱泵機(jī)組運(yùn)行效率。

（3）土壤源熱泵系統(tǒng)在根據(jù)嚴(yán)寒地區(qū)特點(diǎn)進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)后，能夠穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，具有明顯的節(jié)能效果。