西安某地源熱泵項(xiàng)目設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

王義杰，韓永亮，汪啟龍，孫玉亮

(中煤科工集團(tuán)西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的迅速發(fā)展，能源問題已經(jīng)發(fā)展為全球性問題，化石燃料的燃燒導(dǎo)致了一系列空氣污染和環(huán)境惡化，尋求清潔可持續(xù)能源是解決能源和環(huán)境問題的關(guān)鍵一步[1]。土壤源地源熱泵系統(tǒng)以其高效節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)等特點(diǎn)逐漸走入人們視野，獲得越來越多行業(yè)相關(guān)人員的青睞，近年來在我國也得到了快速發(fā)展。

地源熱泵換熱效率受內(nèi)因主要包括井型(單U/雙U、串聯(lián)/并聯(lián))、結(jié)構(gòu)(井徑、井深)和地埋管換熱循環(huán)流量、循環(huán)進(jìn)出水溫度等因素影響，上述因素不僅影響系統(tǒng)換熱效率，也關(guān)系著項(xiàng)目的造價(jià)和運(yùn)行成本。本文依托西安某工業(yè)廠房及辦公區(qū)土壤源地源熱泵項(xiàng)目，通過熱響應(yīng)試驗(yàn)，對不同工況地源熱泵換熱特性進(jìn)行分析研究，最終形成工程示范和系統(tǒng)優(yōu)化[2-4]。

1 地源熱泵熱響應(yīng)測試

1.1 試驗(yàn)原理

根據(jù)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》，地埋管地源熱泵工程應(yīng)進(jìn)行地下巖土熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，對地埋管換熱孔回填材料、孔直徑、鉆孔深度、埋管形式、埋管間距、運(yùn)行工況下埋管流體設(shè)計(jì)溫度及運(yùn)行時(shí)間等條件，計(jì)算得到測試條件下地埋管換熱器單位孔深換熱量參考值，以指導(dǎo)地埋管換熱器進(jìn)行工程優(yōu)化設(shè)計(jì)。

熱響應(yīng)測試方法為恒熱流法。恒熱流熱響應(yīng)法是國際地源熱泵協(xié)會(huì)推薦的標(biāo)準(zhǔn)方法，也是我國《地源熱系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》中指定的地下巖土熱物性測試方法。測試過程中測試只要保持加熱功率恒定鉆孔進(jìn)出口溫差基本穩(wěn)定，埋管熱流流量與功率也基本恒定，可以滿足恒熱流線熱源數(shù)的使用條件。

1.2 試驗(yàn)概況及測試裝置

本項(xiàng)目位于西安市高新區(qū)，于2020年8月開展地埋管地源熱泵系統(tǒng)測試，測試系統(tǒng)主要由熱響應(yīng)測試裝置鉆孔和測試孔溫度監(jiān)測裝置組成。熱響應(yīng)測試裝置采用華中科技大學(xué)地源熱泵研究所研發(fā)的一套便攜式巖土熱物性測試裝置，對測試孔進(jìn)行一定時(shí)間的連續(xù)散熱試驗(yàn)，并實(shí)時(shí)記錄加熱功率、水流量和溫度數(shù)據(jù)，依據(jù)GB 50366—2009地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范，分析得到巖土熱物性參數(shù)，測試儀工作原理如圖1所示。鉆孔溫度監(jiān)測裝置，由自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接孔內(nèi)不同深度測溫探頭對孔內(nèi)溫度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測[5]。

測試孔鉆孔直徑為150 mm，深度150 m，雙U型HDPE管，管外徑25 mm埋管形式，埋管間距為5 m，改變單一條件進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，其他條件不變，測試孔詳細(xì)參數(shù)見表1，孔內(nèi)溫度傳感器采用pt100型鉑電阻；地層結(jié)構(gòu)主要分為5層，回填材料為原漿+黃沙(體積比80%+20%)，穩(wěn)定地下水位16 m。

表1 測試孔相關(guān)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同埋管管徑及布管形式影響分析

通過對不同埋管管徑及布管形式進(jìn)行現(xiàn)場熱響應(yīng)測試，管徑分別為DN25和DN32，布管形式有DN32單U,DN32單U雙孔串聯(lián)、DN32單U雙孔并聯(lián)、DN25雙U并聯(lián)、DN32雙U串聯(lián)、DN32雙U并聯(lián)，其他測試參數(shù)不變，得出對比曲線如圖2所示。

對比不同埋管管徑及布管形式對換熱量影響可以得出，增大管徑時(shí)DN32雙U并聯(lián)較DN25雙U并聯(lián)夏冬季延米換熱量提高7.03 W/m和3.50 W/m，提高20.5%和14.5%；DN32雙U并聯(lián)較DN32單U夏冬季延米換熱量提高12.91 W/m和8.12 W/m，提高37.7%和33.7%；DN32單U串聯(lián)較DN32單U并聯(lián)夏冬季延米換熱量提高12.91W/m和8.12W/m，提高3.1%和3.2%；DN32雙U串聯(lián)較DN32雙U并聯(lián)夏冬季延米換熱量提高12.91 W/m和8.12W/m，提高2.3%和1.5%。綜上可以得出，采用雙U形式和增大管徑可有效的提高換熱量，串聯(lián)方式連接較并聯(lián)方式連接一定程度上可提高延米換熱量，同時(shí)需考慮串并聯(lián)流體沿程阻力問題[6-8]。

2.2 不同埋管間距影響分析

埋管間距設(shè)置為3 m，3.5 m，4 m，4.5 m，5 m，5.5 m，6 m，其他參數(shù)不變。由圖3可知，井間距由3 m增加到4 m時(shí)，夏冬季延米換熱量提高7.7%和4.3%；井間距由4 m增加到5 m時(shí)，夏冬季延米換熱量提高4.3%和5.1%；井間距由5 m增加到6 m時(shí)，夏冬季延米換熱量提高3.5%和1.4%。因此，提高換熱井間距可提高延米換熱量，需結(jié)合項(xiàng)目場地條件進(jìn)行井間距設(shè)計(jì)，通過本文研究，建議換熱井間距為5 m～5.5 m。

2.3 埋管介質(zhì)不同循環(huán)流量對換熱影響

選取介質(zhì)流量為0.8 m3/h，1.0 m3/h，1.2 m3/h，1.4 m3/h，1.6 m3/h和1.8 m3/h，其他參數(shù)不變，穩(wěn)定加熱功率為5.4 kW。通過不同流量現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行換熱量影響分析曲線如圖4所示。在進(jìn)水溫度一定的條件下，不同進(jìn)水流量會(huì)得出不同的換熱量，為研究不同進(jìn)水流量對地埋管換熱性能的影響，選用單管進(jìn)水流量分別為0.4 m3/h，0.5 m3/h，0.6 m3/h，0.7 m3/h和0.8 m3/h，進(jìn)水溫度為32.75 ℃，數(shù)值模擬運(yùn)行48 h。不同單管進(jìn)水流量對應(yīng)的總換熱量和延米換熱量如圖5所示。

從圖4可以看出，隨流量增加夏冬季延米換熱量呈增大趨勢，流量由0.8 m3/h增大到1.0 m3/h時(shí)，夏冬季延米換熱量提高9.3%,6.6%；流量由1.0 m3/h增大到1.2 m3/h時(shí)，夏冬季延米換熱量提高5.7%,3.1%；流量由1.2 m3/h增大到1.4 m3/h時(shí)，夏冬季延米換熱量提高2.6%,2.7%；流量由1.4 m3/h增大到1.6 m3/h時(shí)，夏冬季延米換熱量提高1.8%,2.0%；流量由1.6 m3/h增大到1.8 m3/h時(shí)，夏冬季延米換熱量提高1.4%,1.6%。可見提高流量可增大埋管換熱量，但也會(huì)增大水泵運(yùn)行功率，因此需綜合分析水泵能耗與換熱量之前變化關(guān)系，得出最優(yōu)運(yùn)行流量，建議運(yùn)行流量為1.2 m3/h～1.6 m3/h。

由圖5可知，在進(jìn)水溫度一定的情況下，總換熱量和延米換熱量隨流量的增大而增加，但增大的趨勢逐漸放緩，這是由于流量的增加使管內(nèi)流體的紊流更加劇烈，增強(qiáng)了管內(nèi)流體與周圍土壤的換熱。當(dāng)流量從0.4 m3/h增大到0.5 m3/h時(shí)，延米換熱量從40.16 W/m增大到了42.51 W/m；從0.5 m3/h到0.6 m3/h時(shí)換熱量隨流量的變化已經(jīng)開始減緩，從0.7 m3/h增大到0.8 m3/h時(shí)，延米換熱量的增幅只有0.83 W/m。隨著流量的增加，延米換熱量雖然也在增加，但其增加值卻是在不斷減小的。因此，在進(jìn)行地?zé)峁軗Q熱器設(shè)計(jì)時(shí)，同一地區(qū)，相同回填材料，地埋管進(jìn)水流量的增加可以增大換熱量，從而減小換熱器設(shè)計(jì)長度或孔數(shù)，但會(huì)使循環(huán)泵的揚(yáng)程增大。綜合考慮，雙U型埋管內(nèi)單管流量選取0.6 m3/h～0.7 m3/h比較經(jīng)濟(jì)合理[9-10]。

2.4 鉆孔深度對地埋管換熱特性影響研究

土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的初投資高于其他形式的空調(diào)的初投資，而初投資中鉆井費(fèi)用占到了初投資的1/3左右，因此，合理的鉆井深度很大程度上決定了系統(tǒng)初投資的多少，對地源熱泵系統(tǒng)的推廣應(yīng)用有重要的意義。為研究鉆孔深度對雙U形地埋管換熱性能的影響，本文選用鉆井孔深分別為60 m,80 m,100 m,120 m,150 m,180 m和200 m，進(jìn)水溫度為32.75 ℃，單管進(jìn)水流量0.5 m3/h，運(yùn)行48 h。不同鉆孔深度對應(yīng)的總換熱量和延米換熱量如圖6所示。

由圖6可知，延米換熱量隨鉆孔深度的增加逐漸減小，鉆孔內(nèi)總換熱量隨著鉆孔深度增大而增大。采用較深鉆孔可以得到更大的總換熱量，減少地埋管占地面積，但會(huì)使延米換熱量降低，而且會(huì)增加相應(yīng)的鉆孔成本。因此，在實(shí)際工程中要綜合考慮地埋管換熱器容量要求、可供鉆孔面積和鉆孔成本等各種因素來確定鉆孔深度，在類似的工況條件下，鉆孔深度取150 m左右比較經(jīng)濟(jì)合理。

3 地源熱泵施工優(yōu)化設(shè)計(jì)

將DN32單U和DN32雙U經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比對分析，可以得出同樣冷負(fù)荷下DN32單U材料量較DN32雙U材料量減少29.5%，鉆孔延米量增大40.1%，結(jié)合材料和鉆孔延米單價(jià)，采用DN32雙U較DN32單U總成本節(jié)省10%左右，面積減小30%左右。因此，建議采用DN32雙U型埋管設(shè)計(jì)[11-15]。

結(jié)合不同埋管間距影響分析計(jì)算，提高換熱井間距可提高延米換熱量，在場地面積允許條件下，建議將換熱井間距設(shè)計(jì)為5 m～5.5 m，換熱效率可提高6%～8%。

通過運(yùn)行參數(shù)影響分析研究，綜合分析水泵能耗與換熱量變化關(guān)系，得出最優(yōu)運(yùn)行流量，建議運(yùn)行流量為1.2 m3/h～1.6 m3/h，鉆孔深度取150 m左右比較經(jīng)濟(jì)合理。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及現(xiàn)場試驗(yàn)，項(xiàng)目所在區(qū)域的地埋管換熱器延米取熱量取40 W/m，延米放熱量取60 W/m。建筑總冷負(fù)荷4 200 kW，熱負(fù)荷2 700 kW。夏季冷負(fù)荷明顯大于冬季熱負(fù)荷，所以地埋管的埋管換熱量應(yīng)該滿足夏季最大冷負(fù)荷需求，淺層鉆孔設(shè)計(jì)數(shù)量計(jì)算如下：

1)制冷工況下對土壤排熱量。

Q1=Q′×(1+1/EER)

(1)

其中,Q1為夏季對土壤的排熱量，kW；Q′為夏季最大冷負(fù)荷，4 200 kW；EER為設(shè)計(jì)工況下地源熱泵主機(jī)的制冷性能系數(shù)EER=6.0。

根據(jù)式(1)可得夏季對土壤的排熱量Q1=4 900 kW。

2)制熱工況下對土壤吸熱量。

Q2=Q′×(1-1/COP)×A

(2)

其中,Q2為冬季對土壤的吸熱量，kW；Q′為冬季最大熱負(fù)荷，2 700 kW；COP為設(shè)計(jì)工況下地源熱泵主機(jī)的制熱性能系數(shù)，COP=5.0；A為系統(tǒng)熱損失，取值1.1。

根據(jù)式(2)可得冬季對土壤的吸熱量Q2=2 376 kW。夏季對土壤的排熱量大于冬季對土壤的吸熱量，所以淺層鉆孔設(shè)計(jì)數(shù)量應(yīng)依據(jù)夏季總冷負(fù)荷計(jì)算，由于冷熱不平衡，因此為解決熱堆積問題，建議增加冷卻塔進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3)鉆孔埋管長度計(jì)算。

L=Q1×1 000/q

(3)

其中,L為埋管總長度，m；q為雙U型de32 mm PE管夏季每延米井的換熱量，本項(xiàng)目取60 W。

根據(jù)式(3)可得項(xiàng)目鉆孔埋管總長度L=81 667 m。

4)鉆孔數(shù)量。

N=(L/H)×0.9×1.015

(4)

其中,N為鉆孔數(shù)量，個(gè)；H為鉆孔深度，150 m。

注：水平埋管約占垂直管有效換熱長度10%(GLD軟件模擬)，鉆孔數(shù)量一般富余1.5%。

根據(jù)式(4)，鉆孔數(shù)量N=498。因此，鉆孔數(shù)量為498個(gè)可滿足冬夏季冷熱負(fù)荷。

根據(jù)上述分析，最終優(yōu)化設(shè)計(jì)為采用DN32雙U型埋管，換熱井間距設(shè)計(jì)為5 m，鉆孔深度取150 m，運(yùn)行流量范圍為1.2 m3/h～1.6 m3/h，鉆孔數(shù)量為498個(gè)。

4 項(xiàng)目運(yùn)行效果

4.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目主要針對生產(chǎn)車間及配套辦公建筑，采用豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供暖(制冷)。供暖(制冷)面積為22 404.40 m2(項(xiàng)目建筑為高大廠房，單層最高24 m，制冷量4 200 kW，制熱量2 700 kW，折合普通建筑約7 萬m2)，項(xiàng)目包括室外地源熱泵工程：共施工498口地源熱泵地埋管換熱器，有效孔深150 m，設(shè)計(jì)孔徑150 mm(保證豎直管順利下放到位)，豎直管為承壓1.6 MPa型DN32PE100管，雙U布置，地埋管換熱器環(huán)路的水平管為DN40PE100。

本項(xiàng)目按施工要求如期完成，系統(tǒng)于2021年7月調(diào)試完成，完成制冷季和采暖季的運(yùn)行，運(yùn)行效果良好。夏季地埋管穩(wěn)定期出水溫度在22.4 ℃～25.0 ℃，利用溫差在3.2 ℃～5.6 ℃之間，埋管系流量900 m3/h，地源熱泵系統(tǒng)最大提供4 219 kW冷負(fù)荷；冬季地埋管穩(wěn)定期出水溫度在14.2 ℃～15.8 ℃，利用溫差在3.0 ℃～4.1 ℃之間，地源熱泵系統(tǒng)最大提供4 104 kW熱負(fù)荷，符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 項(xiàng)目運(yùn)行情況

夏季用戶側(cè)辦公樓室內(nèi)溫度在19 ℃～23 ℃之間、濕度39%～55%之間，工業(yè)廠房內(nèi)溫度在22 ℃～25 ℃之間、濕度32%～57%之間；冬季用戶側(cè)辦公樓室內(nèi)溫度在19 ℃～24 ℃之間、濕度34%～65%之間，工業(yè)廠房內(nèi)溫度在17 ℃～19 ℃之間、濕度32%～57%之間，均滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

1)影響地源熱泵地埋管換熱量的因素較多，主要有換熱管管徑、連接方式、埋管間距、埋管深度等等，但影響大小不同，研究各因素對換熱量影響是必要的。

2)通過熱響應(yīng)試驗(yàn)可以得出，西安地區(qū)地源熱泵設(shè)計(jì)參考范圍為DN32雙U型埋管設(shè)計(jì)、換熱井間距設(shè)計(jì)為5 m～5.5 m、運(yùn)行流量為1.2 m3/h～1.6 m3/h、鉆孔深度取150 m。

3)根據(jù)項(xiàng)目運(yùn)行情況，冬季辦公樓溫度在19 ℃～24 ℃之間，工業(yè)廠房內(nèi)溫度在17 ℃～19 ℃之間，夏季辦公樓溫度在19 ℃～23 ℃之間，工業(yè)廠房內(nèi)溫度在22 ℃～25 ℃之間。完全符合國家要求，本項(xiàng)目優(yōu)化設(shè)計(jì)合理，經(jīng)濟(jì)性好，可為西安關(guān)中地區(qū)同類項(xiàng)目施工提供借鑒。