地埋管地源熱泵技術在大型公共建筑群的應用研究

屈高陽，李佳

（三門峽職業技術學院，河南 三門峽 472000）

地源熱泵通過輸入少量的高品位能源，實現低溫位熱能向高溫位熱能轉移。由于地下溫度變化較小，不太受季節影響，冬季比環境溫度高，而夏季比環境溫度低，因而可達到冬季供熱與夏季制冷的目的。供熱工況時，土壤或水體作為熱源，通過換熱裝置獲取其中熱量后輸入用戶末端起到供熱效果；而制冷工況時，土壤或水體則作為冷源，將建筑物內熱量輸入大地中，再通過土壤或水體的導熱把熱量擴散出去。因此，可以得知，地源熱泵系統是可以基本平衡地熱的，因為供熱工況下從土壤或水體提取的熱量可以在制冷工況下得到補償。

三門峽職業技術學院靈鳳湖校區為新建校區，2020年秋投入使用，中央空調系統采用地埋管地源熱泵技術，2020 年冬投入使用。本文對其地埋管地源熱泵系統的關鍵技術和運行情況進行分析研究，對地埋管地源熱泵技術的推廣提供有效的參考及建議。

1 項目介紹

位于河南省三門峽市職教園區，占地面積約1143 畝，建筑總面積41.5 萬平方米，供暖制冷面積39.9 萬平方米。共有20 棟樓，各個建筑具體面積見表1。

表1 各個建筑具體面積

2 地埋管地源熱泵系統情況

學校有大量的操場和綠地，且地面無荷載，為地埋管地源熱泵技術的應用提供了良好的場地環境，因地制宜采用地埋管地源熱泵技術。地埋管地源熱泵系統是一套復雜的制冷供暖系統( 圖1、圖2)，主要分為三個部分：室外地源換熱系統、地源熱泵機組、室內末端系統。地埋管地源熱泵系統的工藝流程如圖3所示。

圖1 地埋管地源熱泵系統冬季采暖工質循環示意

圖2 地埋管地源熱泵系統夏季制冷工質循環示意

圖3 地埋管系統工藝流程圖

地源井4900 孔，井深150m，井直徑0.15m，井間距4.5m。埋地換熱管規格為De32 的雙U 型PE 高密度聚乙烯管。中央空調主機共設置3 個機房，南區2 個機房，分別配置3 臺中央空調主機和2 臺中央空調主機，北區1 個機房，配置3 臺中央空調主機。主機機組標準制冷量1799kW，標準制熱量1959kW。機組地源側冬季進水溫度為14℃，出水溫度為7℃；夏季進水溫度為23℃，出水溫度為28℃。機組用戶側冬季供水溫度為42℃，回水溫度為37℃；夏季供水溫度為9℃，回水溫度為13℃。供暖季室溫達到18 ～22℃（教室18℃，宿舍22℃），供冷季室內溫度達到25 ～27℃（教室27℃，宿舍25℃）。

3 地源熱泵關鍵技術

地埋管地源熱泵技術的應用效果關鍵在于埋管與土壤的換熱效率，為保障充分換熱，需做到以下幾個方面。

3.1 選取回填料

地埋管下管后，對井孔進行回填。把鉆井時取出的泥沙漿直接回填，會造成回填不密實，影響地埋管的換熱效率。回填料與埋管緊密接觸，回填料的導熱能力直接影響埋管的換熱能力。因地質結構和回填料的膨脹能力不同，回填料的凝固強度等級也不同，回填料對埋管的擠壓力也不同。因此，依據地質報告，配比選擇回填料，是保證地埋管地源熱泵技術高效應用的關鍵環節。項目回填料根據熱響應實驗顯示的地質條件，由膨潤土和細砂的混合漿料，膨潤土的體積比例占5%。回填料加入膨潤土后，導熱系數高于本地區地質的導熱系數，避免回填料對地質層導熱系數的破壞，并且對環境無污染。

3.2 回填方式

回填采用井底反漿回填，國產泵壓力較小，回填一半時不能繼續回填，另一半只能采用人工回填的方式。人工回填，回填壓力不足，空隙多，影響換熱效果，達不到設計要求。

項目采用德國進口高壓力的柱活塞泵，具有很大的回填壓力，由井底部位注入回填料向上反填，逐步排除空氣，確保回填密實，無空腔，保證了傳熱效果。

3.3 U 型管專用接頭

地埋管整體呈U 型，由兩根地埋管和U 型彎管接頭組成。U 型彎管接頭，不得采用直管管道煨制彎管接頭，也不得采用兩個90°的彎管對接的方式構成U 型彎管接頭。

地埋管均為高密度聚乙烯管（PE 管），管道內的水不會產生水垢，但機房內的管道為鋼管，水流經機房后再回到地埋管，會存在水垢。如果產生水垢，因為空調系統運行最高溫度不高于50℃，在溫度低于60℃時，水垢都比較松散，水循環可以帶走一部分。此時，U 型管接頭位置處于整個系統的最低端，水流帶不走U 型管底的水垢，造成U 型管水垢堆集。

項目采用德國專利技術的雙U 型管專用接頭，如圖4 所示，與垂直管道電熔連接，接口強度大于管材本身的強度，確保地埋管為一個整體，不存在機械連接存在的漏水隱患和采用金屬管件存在腐蝕而影響使用壽命的問題。同時，在保證U 型彎強度的前提下將管線阻力降至最低。接頭上部有一個沉淀腔，可以對水垢進行沉淀，有效容納系統的沉積物，保證使用效果。

圖4 雙U 型管專用接頭

3.4 U 型管間隔熱

U 型管一端進水，另一端出水，水流經U 型管的過程，即為水和地埋管換熱的過程，地埋管再把熱量傳遞給與之接觸的土壤，從而實現水和土壤的換熱過程。水在U 型管內流動，隨著流動距離的增加，水溫逐漸上升（冬季）或下降（夏季），U 型管兩根支管之間有溫差，易發生熱回流現象。為保證換熱效果，下管時采用分離定位管卡進行分離定位，U 型管兩根支管之間保持距離3 ～4m。

4 運行能耗分析

項目運行情況如表2 所示。其中，當地供暖收費標準為：非居民用戶一個采暖期的采暖價格為32 元/m2（折合0.267 元/m2·天）。當地制冷無收費標準，參考供暖收費標準。運行周期內總耗電量是中央空調主機耗電量和系統循環水泵耗電量之和。學校按執行居民電價的非居民用戶，當地規定電價為0.62 元/度。

表2 項目運行情況

法定運行費用=單位建筑面積運行費×建筑面積×運行周期。

實際運行費用=運行周期內總耗電量×電價。

節約的運行費用=法定運行費用-實際運行費用。

供暖季節約的運行費用=0.267 元/m2· 天×399300m2×80 天-353434kW·h×0.62 元/kW·h=8309919 元。

制冷季節約的運行費用=0.267 元/m2· 天×399300m2×30 天-93110kW·h×0.62 元/kW·h=3140665 元。

年節能效益=供暖季節約的運行費用+制冷季節約的運行費用=1145 萬元。

5 結語

該項目采用地埋管地源熱泵技術，在選取回填料、回填方式、U 型管專用接頭、U 型管間隔熱等關鍵技術選用了成熟的解決方式，應用效果良好，節能效益顯著。針對地埋管地源熱泵技術在大型公共建筑群的應用，提出以下建議。

（1）大型公共建筑群的建筑間有大量的空地，地面無荷載，為地埋管技術提供了良好的場地環境，且地埋管受季節變化干擾小，基本沒有地域限制，應用廣泛，應大力推廣應用。

（2）北方地區冬季土壤溫度低時，且打井較淺時，需要使用電力輔助加熱，增加運行費用。

（3）目前，地熱能的開采利用主要在淺層地表（深度在200m 以內），隨著淺層地熱能的大量應用，技術日趨完善，隨后應積極開發利用中深層地熱能。但隨著打井深度的增加，地質情況變得復雜，打井的施工難度會隨之增加。