朱柏山，艾民（中機中聯(lián)工程有限公司，重慶　400039）

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重慶某辦公樓復合式地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計

朱柏山，艾民
（中機中聯(lián)工程有限公司，重慶400039）

摘要：該文結(jié)合重慶某辦公樓復合式地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計實例，對復合式地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器部分的設(shè)計過程進行了分析。地溫檢測、管路反沖洗及泄漏檢測系統(tǒng)的設(shè)置，確保地埋管換熱器系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。以上分析對今后重慶地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計具有指導作用。

關(guān)鍵詞：復合式地源熱泵系統(tǒng)；地埋管換熱器；反沖洗系統(tǒng)

0　引言

能源是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著人類文明的進步和社會發(fā)展，人類對能源的消耗越來越多，地源熱泵作為一種利用地表淺層能量（太陽輻射）的一種可再生能源，其高效節(jié)能、綠色環(huán)保、節(jié)水省電、運行可靠以及環(huán)境效益明顯的特點，被世界各地廣泛應用。對于重慶地區(qū)，地源熱泵系統(tǒng)工程實例較少［1］。為解決由于夏季供冷量遠大于冬季供暖量，導致地源熱泵系統(tǒng)向土壤中的排熱量遠大于取熱量，而土壤全年熱量吸熱和放熱的不平衡將導致系統(tǒng)運行周期內(nèi)土壤溫度明顯上升、系統(tǒng)性能衰減，甚至無法使用［1］的問題，離心式冷水機組加地源熱泵螺桿機組的復合式系統(tǒng)形式成為了一種很好的解決方案［2］。

本文將對重慶某辦公建筑復合式地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器部分設(shè)計過程進行分析，以期對重慶地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計具有參考價值。

1　工程概況

該項目位于重慶市高新區(qū)大楊石組團，總用地面積7110m2，總建筑面積為4.67萬m2，總空調(diào)面積為19641m2。該綜合辦公樓由一棟單體高層建筑加裙房組成。該建筑地上21層，地下5層，建筑總高度為91.2m；地下-5F層為設(shè)備用房，-4F至-1F為車庫，1F至5F為廚房、餐廳、會議室、檔案室，6F以上為辦公室。項目實景如圖1所示。

大樓采用集中空調(diào)形式，全年運行。門廳、報告廳、員工餐廳等大空間區(qū)域采用全空氣系統(tǒng)空調(diào)形式，辦公及辦公區(qū)域內(nèi)的小會議室采用風機盤管加新風系統(tǒng)形式，新風系統(tǒng)采用全熱新風換氣機組。

根據(jù)前期地質(zhì)勘察報告，項目設(shè)置地埋管換熱器系統(tǒng)的地下土壤主要由砂巖和泥巖組成，水文地質(zhì)簡單，無地下水。

2　空調(diào)負荷計算及巖土熱響應實驗

為了驗證復合式地源熱泵系統(tǒng)在項目應用的合理性，在項目方案階段編寫了可行性分析報告，報告通過了專家評審。由于本文篇幅所限，下文只列舉分析報告中的全年動態(tài)空調(diào)負荷計算及巖土熱響應實驗結(jié)果，其作為施工圖設(shè)計的重要輸入條件。

該項目采用DeST能耗模擬軟件對建筑全年空調(diào)逐時負荷進行逐時模擬分析，并利用鴻業(yè)暖通負荷計算軟件進行復核。經(jīng)過詳細的空調(diào)負荷計算［3］，可得到整棟建筑的空調(diào)冷負荷為2992kW，冷負荷指標為148.7W/m2；空調(diào)熱負荷為1093kW，熱負荷指標為55.6W/m2；全年累計熱負荷635238 kW·h，全年累計冷負荷4373691kW·h。為得到巖土體初始溫度、巖土熱物性參數(shù)以及地源熱泵地埋管單位深度換熱量，在設(shè)計前期對項目所在地深層土壤進行了巖土熱響應試驗。經(jīng)過實驗及后期計算，該工程地質(zhì)條件下采用DN32的雙U管地下?lián)Q熱器，豎直埋管深度100m，冬季供暖季單位鉆孔長度換熱量為46W/m，夏季空調(diào)季平均單位鉆孔長度換熱量為65W/m。

圖1　建筑實景圖

3　地源熱泵設(shè)計

地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計主要是地源側(cè)地埋管換熱器設(shè)計和用戶側(cè)水系統(tǒng)設(shè)計，地埋管換熱器的釋熱和吸熱是否達到設(shè)計要求，對整個項目空調(diào)系統(tǒng)正常運行尤為重要。

3.1地源熱泵系統(tǒng)設(shè)備選型

對于重慶地區(qū)的建筑，夏季供冷量遠大于冬季供暖量，夏季釋熱量全部由地埋管換熱器帶入地下，勢必會造成初投資大量增加。為了在保證系統(tǒng)全年高效運行的情況下減少初投資的費用，地源熱泵螺桿機組及地埋管換熱器優(yōu)先滿足冬季負荷，夏季地源熱泵螺桿機組冷量不足的部分由一臺離心式冷水機組補充（系統(tǒng)設(shè)備選型參數(shù)詳見表1）。

表1　復合式地源熱泵系統(tǒng)設(shè)備選型

地源熱泵螺桿機組是冬夏兩用型機組，夏季機組冷凝器將建筑的熱量通過地埋管換熱器釋放到土壤中，冬季作為機組的蒸發(fā)器通過埋管換熱器從土壤中吸熱，機組冬夏季節(jié)的轉(zhuǎn)換通過水系統(tǒng)側(cè)閥門調(diào)節(jié)改變井水、空調(diào)循環(huán)水的流通路徑，實現(xiàn)制冷、制熱工況的轉(zhuǎn)換。冬夏季水系統(tǒng)原理圖如圖2和圖3。

圖2　夏季系統(tǒng)原理示意圖

圖3　冬季系統(tǒng)原理示意圖

3.2地埋管系統(tǒng)設(shè)計

目前埋管形式主要有水平埋管和豎直埋管兩種形式。

水平埋管。由于水平管的埋深較淺，其埋管換熱器性能不如豎直埋管，而且施工時占用場地大。在實際使用中，往往是單層與多層互相搭配：螺旋管傳熱性能優(yōu)于直管，但不宜施工。由于淺埋水平管受地面溫度影響大，埋管區(qū)域面積過大，故該工程不予考慮［2］。

豎直埋管。根據(jù)埋管形式的不同，一般有單U形管，雙U形管，小直徑螺旋盤管和大直徑螺旋盤管，立式柱狀、蜘蛛狀、套管式等形式；按埋設(shè)深度不同分為淺埋、中埋和深埋。目前使用最多的是U形管、套管和單管式。

豎直埋管的埋設(shè)深度應根據(jù)當?shù)氐刭|(zhì)情況、工程及場地的大小、投資及使用的鉆機性能等情況綜合考慮。其中有幾點應注意到：（1）鉆60m以內(nèi)的鉆機成本少，費用低，如果大于60m，其鉆機成本會提高；（2）井深100m以內(nèi)，可用國產(chǎn)普通型承壓（承壓1.2MPa）塑料管，如深度大于100m，需采用高承壓塑料管，其成本大大增加。

根據(jù)工程情況，鑒于需地下?lián)Q熱量較大，且受到埋管面積限制，因此考慮到充分利用較深地層的換熱能力，故選用雙U型換熱器形式，埋管深度設(shè)計為100m，并輔助設(shè)計冷卻塔以進行夏季負荷調(diào)峰，降低地埋管費用和平衡冬夏提取和排入地下的熱量。

地埋管換熱器長度計算，主要是在參照機組實際運行供水溫度條件下做的巖土熱響應實驗所得的雙U管單位井深換熱量和建筑空調(diào)熱負荷兩個條件下確定地埋管長度。巖土熱響應實驗結(jié)果可知，冬季DN32的雙U管單位井深換熱量為46W/m，考慮到工程安全余量的因素，本項目冬季雙U管單位井深換熱量取43W/m。根據(jù)所列參數(shù)，計算可以得，地埋管需要的總長度為25419m。

通過實地測量，確定滿足地埋管要求的場地面積為4453m2，多次布孔方案對比，最終確定設(shè)置251個孔數(shù)的地埋管，單孔埋管深度為100m，孔間距為4.5m×4m，布置區(qū)域位于建筑車庫投影區(qū)內(nèi)，垂直埋管采用分區(qū)設(shè)計，分為2個區(qū)，總共設(shè)置10組地埋管組，每個管組包含7～34個地埋孔，每個管組均采用同程式敷設(shè)管道。具體布置位置詳見圖4-圖6。

圖4　負二層地源熱泵布管位置

圖5　負四層地源熱泵布管位置

3.3地埋管水利計算

為保證地埋管系統(tǒng)及時排氣和加強換熱，《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》GB50366-2009中推薦雙U管形地埋管流速不宜小于0.4m/s。同時，相關(guān)地埋管中水的流速對地埋管換熱影響的研究也表明，當?shù)芈窆芰魉俅笥?.4m/s之后，隨著介質(zhì)（水）與土壤換熱時間的縮短，熱流量隨流速變化更加緩慢?？紤]到增加流速需要加大循環(huán)泵的揚程以及運行費用的增加等成本因素，換熱器內(nèi)設(shè)計流速取0.4～0.6m/s［4］較為合理。

根據(jù)該項目土壤熱響應實驗結(jié)果及地埋管系統(tǒng)循環(huán)水泵揚程及運行費用等因素，雙U管設(shè)計流速取0.5m/s。

由以上所確定的參數(shù)，通過各環(huán)路詳細水利計算，最終確定各環(huán)路地埋管管徑及地源熱泵地源側(cè)循環(huán)水泵的揚程。

圖6　負五層地源熱泵布管位置

4　其它設(shè)計

復合式地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器的安全穩(wěn)定運行，對空調(diào)系統(tǒng)至關(guān)重要，在設(shè)計中考慮相關(guān)輔助措施是很有必要的。

（1）為保證地埋管換熱器運行安全可靠，在設(shè)計過程中預留兩個地埋管豎井作為溫度檢測井，檢測地下土壤溫度變化。測試井每10m設(shè)置一個測點，測點數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線連接至這冷機房內(nèi)的地溫測試儀中。在地源熱泵系統(tǒng)運行過程中，根據(jù)地溫儀所測數(shù)據(jù)，判定地溫是否超過規(guī)定數(shù)值。當?shù)販厣叱^規(guī)定數(shù)值，空調(diào)控制系統(tǒng)立即調(diào)整離心式冷水機組和地源熱泵螺桿機組的運行策略，保證地溫保持在合理范圍內(nèi)。

（2）地埋管換熱器運行過程中，地埋管管網(wǎng)中會集聚污物，如不及時清理將會阻塞管網(wǎng)，嚴重影響系統(tǒng)正常運行。為保證污物及時排出系統(tǒng)，在地源熱泵地源側(cè)設(shè)計中設(shè)置了反沖洗系統(tǒng)。反沖洗系統(tǒng)在非空調(diào)季節(jié)系統(tǒng)維護啟動時，來自于地埋管分水器的反向高速水流沖刷地埋管系統(tǒng)，把污物帶至地埋管集水器，然后從集分水器底部泄水管排入機房排水地溝。

（3）地埋管換熱器各環(huán)路在運行過程中，有可能部分管道接口密封不嚴［5］，導致某環(huán)路發(fā)生泄漏，如不能及時發(fā)現(xiàn)，不但增加運行費用，而且影響系統(tǒng)安全運行。為了及時檢測到地埋管換熱器各環(huán)路中循環(huán)水是否泄漏，在地源側(cè)膨脹水箱的補水管上設(shè)置流量表，檢測地源側(cè)補水量是否出現(xiàn)異常。當補水量異常，流量表反饋信號到控制中心，控制中心確認后，關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)，對地埋管換熱器各環(huán)路進行檢查。

（4）地埋管換熱器管路深埋地下，如果在建筑施工及后期場地開挖過程中管路被損壞，整個地埋管換熱器系統(tǒng)有可能無法使用。為確保地埋管換熱器系統(tǒng)施工安裝完成后不被人為損壞，項目在施工過程中要求施工方在地埋管豎井及管溝區(qū)域設(shè)置警示標志，并安排相關(guān)人員現(xiàn)場巡查。項目竣工后，在地埋管豎井及管溝區(qū)域設(shè)置警示標志，防止場地開挖過程中損壞地埋管網(wǎng)。

5　運行策略分析

地源熱泵系統(tǒng)運行策略是否合理，不但影響空調(diào)系統(tǒng)運行效率，而且影響空調(diào)系統(tǒng)能耗及系統(tǒng)檢修周期和使用壽命。

由于重慶地區(qū)5-8月室外溫濕度較低，離心式冷水機組能效高，空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)先運行離心式冷水機組；在9月室外溫濕度較高的時候，離心式冷水機組能效比降低，此時利用地源熱泵能效高的特點，地源熱泵機組與冷水機組同時運行；10-11月份室外溫濕度逐漸降低，當土壤溫度高于限定值時，只開啟離心式冷水機組，停止向土壤釋熱防止土壤溫度繼續(xù)升高；當土壤溫度低于限定值時，只開啟地源熱泵機組，增加向土壤的釋熱量保證冬季空調(diào)系統(tǒng)所需的熱量；在12月至次年2月，開啟地源熱泵機組，對整棟塔樓進行供熱。

6　結(jié)論

（1）項目選用豎直雙U管的埋管形式以及豎直埋管深度100m，不但可以節(jié)省建設(shè)初投資，也保證了地埋管換熱器換熱能力。

（2）埋管換熱器中水的流速選取較常規(guī)水系統(tǒng)的要大，使管中產(chǎn)生湍流，保證地埋管高效換熱。

（3）復合式地源熱泵系統(tǒng)的溫檢測系統(tǒng)可以檢測地溫情況，并根據(jù)地溫調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)運行策略；管路反沖洗系統(tǒng)和泄漏檢測系統(tǒng)可確保埋管換熱器各環(huán)路不被阻塞，地埋管換熱器某環(huán)路發(fā)生泄漏被及時發(fā)現(xiàn)。以上三個系統(tǒng)的設(shè)置，可以確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

參考文獻：

［1］李娟，寇秀培，趙建成.垂直埋管式地源熱泵的實例應用及經(jīng)濟性分析［J］.建筑熱能通風空調(diào)，2007，26（3）: 41-44.

［2］馬最良，呂悅.地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計與應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006：197-198.

［3］中國建筑科學研究院.GB 50736-2012民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［4］付文彪，蔣綠林，紀洪林，等.地源熱泵設(shè)計中兩個重要參數(shù)的實驗研究［J］.暖通空調(diào)，2009，39（2）: 118.

［5］中國建筑科學研究院.GB 50366-2009地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

責任編輯：孫蘇，李紅

Design of Hybrid Ground-coupled Heat Pump System for an Office Building in Chongqing

Keywords:hybrid ground-coupled heat pump system；ground heat exchanger；backwashing system

Abstract:Based on the design case of hybrid ground-coupled heat pump system for an office Building in Chongqing，the design process of its ground heat exchanger is analyzed.Temperature detection，pipeline backwashing and leak detection system are set up to ensure the stable operation of the buried pipe in the heat exchanger system.The analysis is expected to offer some references for related field in Chongqing.

中圖分類號：TU243.2

文獻標識碼：A

文章編號：1671-9107（2016）04-0009-03

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.04.009

收稿日期：2016-2-29

作者簡介：朱柏山（1981-），男，甘肅金昌人，研究生，工程師，主要從事暖通設(shè)計工作。