地源热泵在某办公楼的应用分析

　　摘要：本文简要介绍了聊城地区地下岩土层热物性，通过对某工程实例土壤源热泵系统的设计及运行分析，得出土壤源热泵在聊城地区具有较高的能效比，适合在这一地区推广使用。同时对土壤源热泵系统在这一地区实际应用中存在的问题提出了解决方法。
　　关键词：聊城地区，地质条件，土壤源热泵，经济性分析
　　1引言
　　土壤源热泵是一种利用地表浅层储存的太阳辐射能和地表深层储存的大地能量（皆是可再生能源），以土壤为冷源、热源的地源热泵。在地表以下一定深度，岩土层温度基本恒定，它不受外界大气环境温度变化的影响，由于地下土壤温度夏季远低于室外空气温度，冬季又比室外空气温度高，因此土壤源热泵系统的效率远高于空气源热泵，又不受地下水资源的影响。该系统在欧美国家已得到广泛应用，被充分证明是成熟可靠的技术。在我国，土壤源热泵应用实例越来越多，是建设部和一些省市建筑节能政策中明文规定要推广使用的系统。
　　2土壤源热泵流程及工作原理
　　
　　图1土壤源热泵流程原理图
　　土壤源热泵系统是由一组水平或垂直埋于地下的高强度塑料管（土壤换热器）、水源热泵机组和建筑物内系统组成。与一般热泵系统相比，其不同之处主要在于室外管路系统由埋设于土壤中的聚乙烯塑料盘管构成，该盘管作为换热器[1]，冬季从土壤中吸取热量，相当于常规空调系统的锅炉，夏季向土壤中释放热量，相当于常规空调系统中的冷却塔，其流程图如图1所示。水或防冻溶液通过地埋管闭式环路进行循环，夏季循环液将室内热量释放给地下岩土层，同时蓄存热量以备用，冬季从岩土层内提取热量释放给室内空气，整个大地作为一个蓄热体。
　　3聊城地区推广使用土壤源热泵的可行性分析
　　3．1地质条件
　　在设计土壤源热泵前需要对建筑所在地的岩土层结构、热物性、温度以及地下水水位、流向、冻土层厚度进行勘探测定。某地源热泵研究所对聊城深层土壤热物性进行了测试，测试结果表明，聊城地区岩土层平均导热系数范围属中等偏上水平，该地区地下传热条件适合采用埋管式地源热泵空调系统。该地区100m深度内地质情况单一，主要是粘土层，土壤温度15.2℃。地下水位较高，土壤含湿量大，深层岩土平均导热系数为1.887W/m•℃，地下传热能力较强。
　　3．2工程实例分析
　　3．2．1工程概况
　　该建筑群包括综合楼、消防泵房、发油管理室3部分，综合楼地上3层，消防泵房和发油管理室地上一层，总建筑面积2500平方米，空调面积2420平方米。建筑热工性能按《山东省建筑节能设计标准》，节能50％。参照相关国家规范及设计标准，经计算，该建筑群夏季冷负荷207kW，冬季热负荷161kW。
　　3．2．2系统设计
　　该工程冷热源采用竖直埋管土壤源热泵系统，冬夏两用。机房设置于消防泵房内，集中设置一台热泵机组，一套水处理设备，分集水器，用户侧和地埋管侧分别设置两台水泵（一用一备）。夏季制冷时用户侧供回水温度7/12℃，冬季供热用户侧供回水温度45/40℃。
　　末端采用风机盘管系统，每台风机盘管于室内各设液晶显示屏，根据室内要求的温度自动控制风机盘管的开停及档位，达到节能效果。
　　地埋管换热器系统钻孔孔径Φ150mm，钻孔深度为85m，钻孔40个，井间距4m。竖直埋管采用De32单U聚乙烯管，水平埋管为De50管，竖直埋管采用分组并联联管方式，每四个钻孔为一组，通过集箱与De50水平管连接。设计夏季埋管供回水温度26/31℃，冬季埋管供回水温度9/4℃。
　　3．2．3施工注意事项
　　由于聊城地区埋管深度范围内的岩土层主要是粘土层，为防止钻孔施工过程中出现蹋孔现象，钻孔孔径采用Φ150mm，同时采用水泥砂浆护壁。钻机钻孔的同时，要对地埋管材进行一次压力试验，检查管材的气密性。竖直钻井下管结束后进行二次试压，确保管材在下管过程中不会被硬物划伤。水平管道连接完毕后进行3次压力试验，压力试验完毕后室外埋管系统就可以隐蔽回填了。回填时需要注意的是管道坚决杜绝与硬物直接接触，防止管道在受外界压力作用的情况下损坏。
　　3．2．4运行分析
　　地埋管夏季排入土壤热量约250kW，冬季从土壤吸取热量约130kW。可以看出夏季排入热量远远大于冬季从土壤吸取热量，容易形成热堆积，使土壤温度上升，温度场恶化，以至夏季冷凝器进水温度上升使热泵性能下降。本文供热面积还是按2420平方米计算，夏季供冷时只供办公室、宿舍及操作间，其他各种储藏室、泵房、更衣室皆不开空调，这样夏季空调面积为1136平方米，空调负荷97kW，排入地下热量约125kW，与冬季从土壤吸取热量基本达到平衡，有利于热泵机组运行。
　　该土壤源热泵系统采用间歇运行方式，每天运行8小时，夏季供冷、冬季供热各90天，开停比0.7，电费按0.65元/度。经计算，全年供热、空调费用19.9元/m2，聊城地区集中供热20元/m2，可以看出土壤源热泵运行费用远低于传统空调加集中供热系统，节能效果显著，适合在这一地区推广运行。
　　3．3节能经济性分析
　　传统空调系统采用风冷或水冷换热器，其换热环境直接或间接的为大气，而大气换热不可避免的受环境条件变化的影响。在夏季，当室外温度达到40℃时，由于换热效率降低，制冷量将下降20％-40％，在冬季，当室外温度下降到-10℃时，供热量将下降15％-30％，要不断除霜来保证机组正常运行，机组效率急剧下降。研究表明，地下5m以下土壤温度基本不随外界环境及季节变化[2]，且约等于当年年平均气温。夏季地下土壤温度远低于室外空气温度，可以为热泵机组提供较低的冷凝温度，热泵夏季制冷系数与冷凝器进水温度密切相关，冷凝器进水温度每降一度，热泵性能提高约3-5％；冬季土壤温度远高于室外空气温度，可为热泵机组提供较高蒸发温度，制热状况蒸发温度的的提高有利于提高机组效率。与风冷式中央空调相比，土壤源热泵系统冬季不需除霜，节省了大量除霜能量[3]。与传统空调系统相比，土壤源热泵空调系统节能15％-30%。
　　3．4社会环境效益分析
　　在夏季，传统空调系统将废热排入大气，使室外温度增高，冷却塔的噪音及霉菌污染使周围环境品质变差。冬季，吸取大气中的热量使恶劣的大气环境更加恶劣。暴露在建筑物上的冷却塔或风冷机组也不利于建筑物的美观。土壤源热泵系统将热量或冷量排入地下，与空气源热泵相比不会造成城市热岛效应，可以减少对地面的热和噪音污染，而且土壤具有天然的自恢复能力和巨大的低位能蕴藏量。地埋管可布置在道路、草坪甚至建筑物下，不占用地上空间。
　　4土壤源热泵局限性
　　4．1初投资较高
　　土壤源热泵其垂直埋管需要打井、回填，这是土壤源热泵初投资高于传统空调系统的一个重要原因[4]，由于聊城地区地下岩土层主要是粘土层，打井工作量远远低于地下岩土层以岩石为主地区，虽然如此，聊城地区土壤源热泵初投资也高于传统空调系统。
　　4．2冬夏吸排热量不平衡造成热堆积
　　从本文实际工程中可以看出，如按相同的制冷、制热建筑面积计算，夏季排入地下的热量是冬季取出热量的2倍，这将导致地下土壤温度逐年上升，温度场恶化，导致夏季制冷时机组效率急剧下降，甚至低于风冷热泵系统[5]。在土壤源热泵设计过程中，一般解决热堆积问题主要有以下几种途径，一是地埋管按冬季工况设定，夏季多出负荷部分由冷却塔承担；二是地埋管按夏季设定，冬季热泵除承担建筑热负荷外还承担生活用热水负荷，使排入、吸取土壤热量趋于平衡；此外增加埋管间间距和机组间歇运行也可以在一定程度上解决地下岩土层热堆积问题。本工程由于建筑面积较小，如果埋管按冬季负荷设计，夏季再设置冷却塔辅助冷却将导致系统复杂繁琐，如果冬夏季采用对不同的建筑面积进行供暖供冷，也不是十分合理，因为夏季无需供冷的房间冬季也无需供暖。因此对于本工程这种小型建筑，比较合理的解决吸排热不平衡问题的方法是地埋管按夏季负荷设计，冬季热泵机组除供暖外还承担生活热水供应，这样有利于解决由于吸排热不平衡造成的地下热堆积问题。
　　5结论
　　本文从节能、环保的角度对土壤源热泵和传统空调系统进行了对比分析，并结合某地源热泵研究所对聊城深层土壤热物性进行的测试得出以下结论：
　　聊城地区岩土层100m深度内主要为粘土层，地下水位较高，深层岩土平均导热系数为1.887W/m•℃，地下传热能力较强，土壤源热泵在这一地区具有较高的能效比，适合土壤源热泵在该地区的推广利用。由于聊城地区建筑夏季冷负荷高于冬季热负荷，夏季地埋管向土壤传递的热量高于冬季从土壤吸取的热量，经过几年运行后必然导致地下温度场温度升高，导致夏季冷却水出水温度升高，降低了热泵机组的制冷效率。解决这个问题的主要途径：对于大型工程，建议采用土壤源热泵和冷却塔联合运行方式，地埋管按冬季负荷设计，夏季不能满足部分由冷却塔提供。对于建筑面积较小的建筑，建议地埋管按夏季负荷设计，冬季热泵机组提供生活热水，如有条件的话尽量增大埋管间间距。
　　参考文献
　　1. 刁乃任、方肇洪.地埋管地源热泵技术.高等教育出版社.4；
　　2. 胡松涛，郭潇潇，李绪泉.地源热泵技术在生活热水供应中的应用.流体机械.2007-35（9）：62-64；
　　3. 徐亚娟、革非.土壤源热泵的研究与用用.制冷与空调.2005.4:76-79；
　　4. 冯健美.土壤热源热泵的技术经济性能分析[J].流体机械.2001.29(11):48-51；
　　5. 陈贺伟、杨昌智.土壤源热泵空调系统地下土壤温度场变化的研究.建筑节能.2007.4:51-54；