地埋管地源熱泵系統在西安某商業項目中的應用

胡 逸

科進中國 上海 200050

1 項目情況

本項目位于陜西省西安市雁塔區，為商業建筑，地上3層，地下2層，建筑高度24 m，總建筑面積32萬 m2。地下2層為停車庫及設備機房，地下1層為商業、餐飲、停車庫、設備機房，地上樓層皆為商業及餐飲。

因為客戶可持續發展目標，要求本項目能源均采用可再生能源。燃氣作為不可再生能源，故一般項目中常用的燃氣熱水鍋爐被排除在外，需要考慮其他形式的熱源。項目初期，將空氣源熱泵及地埋管地源熱泵作為備選熱源進行了具體分析，考慮到西安冬季室外溫度較低，空氣源熱泵運行效果受較大影響，整體能耗表現較差，而客戶對地埋管地源熱泵系統的投資進行評估后可以接受，故選擇了地埋管地源熱泵系統作為主要熱源。

地埋管地源熱泵空調系統，一般由地埋管換熱器、水源熱泵機組、室內空調末端系統三部分組成，利用地層（土壤或巖石）溫度相對穩定的特性，通過地下埋管的封閉循環水為傳熱介質與地表層土壤進行能量交換，再通過水源熱泵機組與建筑物內部進行熱交換，夏季將熱蓄在土壤內，冬季取出夏季存放在土壤內的熱量，實現室內夏季制冷、冬季制熱，是可再生能源利用的重要技術措施之一，具有清潔、高效、節能、環保的特點。

設計地埋管地源熱泵系統時，首先需要通過全年動態模擬計算軟件對項目冷熱負荷進行模擬，并開展巖土熱響應測試，基于較為準確的負荷模擬結果及地質情況，對地埋管換熱器進行設計及規劃，進一步選型水源熱泵機組以及整個冷熱源系統的設計。

2 冷熱負荷分布

主要功能區域的室內設計參數參考客戶內部集團標準要求及國標、地標要求進行制定。利用全年動態模擬計算軟件對設置空調的區域進行了動態負荷計算，得到項目冷負荷峰值為21 630 kW，熱負荷峰值為7 655 kW，全年耗冷量為19 693 MW·h，耗熱量為6 474 MW·h，全年逐日負荷分布見圖1，一年中冷熱負荷量與開啟小時數分布見圖2，中間空白區域為不需要供冷或供熱的小時數。

圖1 全年冷熱負荷曲線

圖2 全年冷熱負荷時間占比曲線

3 巖土熱響應測試

巖土熱響應測試是設計地埋管地源熱泵系統的重要依據，其結果將直接影響系統配置方案、地埋管換熱器設計方案等，進而影響投資、運行費用及運行效果[1]。為了得到較為準確的參考數據，熱響應測試的假設與最終設計參數越接近越好。以下為一些主要參數，建議在巖土熱響應測試前明確：

1）埋管深度。因本項目埋管區域范圍有限，希望通過加深地埋管深度使地埋管地源熱泵系統提供更多的熱量。項目初期通過西安當地調查了解到，地埋管深度一般在100～150 m之間，但參考歐洲項目案例中地埋管埋深200 m也較為常見，故埋管深度定為200 m。勘探結果顯示，巖土體結構成孔性較好，施工設備、管材均可滿足200 m埋深的要求。

2）形式、管徑及承壓。本項目考慮采用單U形DN50的PE管，1.6 MPa承壓。同樣工程條件下，雙U形管比單U形管換熱性能提高15%～30%[2]。但考慮到初投資、場地面積等因素，本項目最終采用單U形管。考慮到換熱器管徑越大，換熱性能越優，但為避免流量過大，本項目換熱器管徑采用DN50。

3）流速。根據GB 50366—2006《地源熱泵系統工程技術規范》（2009年版），為確保系統及時排氣和加強換熱，地埋管換熱器內管道推薦流速如下：雙U形埋管不宜小于0.4 m/s，單U形埋管不宜小于0.6 m/s。但在本項目中，筆者發現此推薦流速較難滿足，地埋管換熱器內管道流速約為0.3 m/s。建議巖土熱響應測試前，對地埋管換熱器內管道流速進行初步估算，這樣可以在測試中得到較為準確的換熱性能數值。

根據巖土熱響應測試，得出以下結論：

1）根據地質條件勘測分析，場地200 m以內巖性以黏土、粉砂、細砂、中砂及粗砂為主，可鉆性好，松散層厚度大于100 m，200 m以內未見卵石層，結合《大西安主城區淺層地熱能調查評價》報告，本項目所在區域為地埋管地源熱泵系統適宜區。

2）勘察區域巖土體初始平均溫度為18.4 ℃，平均導熱系數為1.91 W·m－1·K－1，導熱系數較高，有利于地埋管換熱。

3）夏季標準工況下每延米換熱量為45.88 W/m，在200 m孔深情況下，單孔換熱功率為9.18 kW；冬季標準工況下每延米換熱量為37.46 W/m，在200 m孔深情況下，單孔換熱功率為7.49 kW。

4 系統設計

4.1 地埋管區域設計

綜合考慮各種因素，設計鉆孔間距5.0 m，鉆孔直徑150 mm，內置DN50單U形PE管，灌漿回填料為原漿回填，其導熱系數應不低于鉆孔外巖土體的導熱系數。

為避免與總承包施工進度計劃沖突，本項目地源側孔位均位于基坑外，同時避開室外主管線區域以及未來二期施工范圍，剩余面積有限，為使地源熱泵系統提供較多熱量，地埋孔按剩余面積滿鋪進行設計，經排布共可設置430孔。

考慮施工上確實無法避免地埋管孔損壞/無效的情況，為確保地源熱泵運行的安全性及穩定性，考慮其中15%為余量，設計按360孔進行。冬季熱負荷不足部分由風冷熱泵負擔，夏季冷負荷不足部分采用水冷冷水機組進行調峰。

地埋孔分布在地塊北側及西南角，共分12個區，每區設置二級分集水器后連接至機房，于地庫冷熱源主機房內設置一級分集水器。

4.2 冬夏季地下換熱量計算

深層巖土溫度場受地面溫度影響很小，需要注意吸熱與排熱的協調，否則容易產生土壤冷熱堆積，即地溫不平衡的問題，隨著運行時間的增加，有可能使地溫不平衡的問題加重，若不采取措施來改善這種情況，則終將導致地源熱泵機組的癱瘓乃至失效[3]。需對冬夏季地下換熱量進行平衡計算，即冬季從土壤吸收的熱量與夏季向土壤排放的熱量平衡。可以由式（1）、式（2）進行計算：

根據負荷計算結果，初選水源熱泵機組設計工況CEER為5.5，CEER為4.5。根據地埋管區域設計，考慮360孔、200 m有效埋深以及巖土熱響應測試結果，冬季標準工況下每延米換熱量為37.46 W/m，冬季從土壤吸收的最大熱量為2 697 kW，考慮水源熱泵從循環水中吸收的熱量需扣除機組壓縮機功耗，得出水源熱泵的冬季制熱功率為3 500 kW。根據全年動態模擬計算結果，水源熱泵負擔約85%全年總熱負荷，為5 481 MW·h，夏季制冷模式共運行2 100 h。根據式（1）、式（2）進行冷熱平衡計算，得出水源熱泵夏季開啟量為1 700 kW。水源熱泵負荷負擔情況匯總見表1。

表1 水源熱泵負荷負擔情況匯總

根據以上冷熱平衡計算，可得出夏季調峰需水冷冷水機組制冷量至少為19 930 kW，冬季輔助制熱需風冷熱泵制熱量至少為4 156 kW。不同主機負擔的冷熱負荷情況見圖3。

圖3 不同主機冷熱負荷占比曲線

4.3 地埋管換熱監測系統

為檢測地埋管地源熱泵的運行情況，本項目設置土壤及地埋管溫度檢測系統，采集數據并整合，若有異常及時反饋物業人員進行運行策略調整。

地埋管區域共設置3處熱檢測孔，每隔30 m深度設置溫度探頭，與地埋管一同安裝進地埋孔，對換熱能力進行實時監測。地埋管區域共設置3處熱影響檢測孔，監測土壤溫度變化情況。另于遠離地埋管鉆孔區域設置一處基準檢測孔，監測地埋管系統對周邊巖土層的影響。

若土壤側溫度低于室外空氣溫度，可考慮適當加大地源熱泵的開啟量，這樣雖然會提升換熱孔溫度，導致地埋管區域冷熱不平衡，但對來年冬季運行有幫助。地源熱泵冬夏季運行策略也將根據測溫孔的全年運行后數據進行調整，例如運行一整年后，若土壤溫度下降，可增加夏季地源熱泵每日開啟的上限值。

除以上提及檢測孔外，地埋管側同時設置能量計，通過能量計數據的累計值，校核全年冷熱平衡情況。

4.4 冷熱源主機選型

根據冬季負荷，選用3臺螺桿式水源熱泵機組，夏季單臺機組的制冷量為1 218 kW，標準工況下CEER為5.65，綜合部分負荷性能系數（IPLV）為7.13；冬季單臺機組的制熱量為1 264 kW，標準工況下CCOP為4.67。選用2臺定頻離心式冷水機組，機組的制冷量為1 100冷噸（1冷噸＝3 861 W）。標準工況下CEER為6.15，IPLV為7.00。選用2臺變頻離心式冷水機組，機組的制冷量為1 100冷噸。標準工況下CEER為6.10，IPLV為8.10。選用3臺風冷熱泵機組，機組的制冷量為1 500 kW，制熱量為1 498 kW，標準工況下CCOP為3.36。所選機組在設計工況下的CEER及CCOP均優于初選機組，地埋孔數量滿足要求，因此不需要對地埋管換熱系統設計進行調整。

夏季空調冷水供回水溫度為7.5 ℃/13.5 ℃，冬季空調熱水供回水溫度45 ℃/40 ℃。地源熱泵機組地埋側夏季進出水溫度為30 ℃/3 ℃，冬季進出水溫度為11 ℃/6 ℃。水冷冷水機組冷卻側進出水溫度為30 ℃/36 ℃。空調冷熱水采用一次泵變流量系統，水源熱泵機組、水冷冷水機組、風冷熱泵機組分開設置循環水泵，各配置1臺備用水泵，水泵均為變頻運行。冷熱源系統見圖4。

圖4 冷熱源系統示意

4.5 制冷劑選擇

冷媒作為一種隱碳排放，正確地選擇冷媒在減少碳排放上也起到重要作用。目前大型冷水機組普遍采用的R134a（四氟乙烷），全球變暖潛能（GWP）值較高，R123屬于氫氯氟烴（HCFC）類物質，均已被列入限制使用范圍，面臨被管控及削減，考慮到冷水機組運行15～20 a壽命，尋找環境友好型制冷劑作為替代物已成為迫在眉睫的重要問題。替代的新型制冷劑主要有R1233zd、R514A、R513A等，見表2。

表2 不同制冷劑的性能比較

ODP（ozone depletion potential）：臭氧消耗潛值。ODP表示大氣中氯氟碳化物質對臭氧層破壞的能力與R11對臭氧層破壞的能力之比值，ODP值越小，制冷劑的環境特性越好。

GWP（global warming potential）：地球變暖潛能。GWP是溫室氣體排放所產生的氣候影響的指標，表示在一定時間內，某種溫室氣體的溫室效應對應于相同效應的CO2的質量。

1）R513A具有與R134a相近的基本物理性質，如沸點、臨界溫度和臨界壓力等，對于R513A螺桿式地源熱泵機組，制冷量及制熱量均略高于R134a機組，全年綜合性能系數（ACOP）值近似相等。R513A可以作為R134a的替代制冷劑應用于螺桿式冷水（熱泵）機組[4]。對于采用R513A離心式機組，制冷量平均較R134a機組低2.44%，CCOP較R134a機組低4.75%[5]。

2）R514A與R123物性參數基本接近，且兩者的飽和蒸氣壓曲線幾乎重合，說明R514A的熱工狀況適合用來直接代替R123。試驗研究表明，原R123離心式冷水機組在直接充注R514A制冷劑后（需要更換機組潤滑油），機組運行穩定，機組的CCOP和IPLV均略有提高[6]。

3）R1233zd（E）具有極低ODP值和GWP值、低毒性、不可燃、較好的換熱性能、較高的熱力循環效率等特點，采用R1233zd需要對制冷系統進行全面優化[7]。采用R1233zd（E）制冷劑的冷水機組冷量段可選范圍較小，價格高昂。

經與國內主流冷水機組廠家溝通以及初投資成本考慮，本項目螺桿式地源熱泵機組制冷劑仍采用R134a，可考慮待技術成熟后，替換為R513A制冷劑。

5 結語

本文以西安某商業項目為例，分析了地埋管地源熱泵系統在暖通空調設計中的應用及注意事項：

1）地埋管地源熱泵系統設計前，應對工程現場進行詳細的調查，對巖土體地質條件進行勘察，取得巖土層結構、熱物性、溫度數據，地下水靜水位、水溫、水質及分布，地下水徑流方向、速度等數據，并進行熱響應測試，以提高地源熱泵系統選型準確性與運行的節能性。

2）設計地埋管地源熱泵系統時，需采用全年負荷計算軟件進行冷熱負荷及能耗模擬計算，根據負荷計算結果進行地埋換熱系統的設計及冷熱不平衡率校核計算，采取適當輔助補熱或排熱措施，保證地源側的冷熱平衡。

3）為確保地源熱泵系統的安全與穩定運行，地埋孔數應考慮適當富余量，并提高施工質量，避免在施工階段產生壞管、無效換熱孔的情況。

4）加強地源側及機組運行監測，需對地埋管區域的土壤溫度、換熱情況進行數據采集及實時監測，需及時根據統計數據，對地源熱泵的運行策略進行調整。

5）R134a及R123作為市場上較普遍的冷媒，都將在近年面臨被管控及削減，需考慮替換冷媒的措施或新冷媒機組的應用。