王存艷，侯家濤，郭宏賓

（1.天津奧瑞特環(huán)保節(jié)能工程技術有限公司，天津大港 300270；2.中國石油大港油田公司電力公司，天津大港 300280）

1 引 言

1912年瑞士學者H.Zoelly在其專利中首次提出了土壤源熱泵的概念[1]，但當時土壤源熱泵技術沒有引起重視，發(fā)展緩慢。近年來隨著全球能源危機凸顯和環(huán)境污染的日益嚴重，土壤源熱泵系統(tǒng)以其獨特的優(yōu)點在國內(nèi)外得到了長足的發(fā)展。土壤源熱泵 （Ground Source Heat Pump）是一種利用地下淺層土壤源的高效節(jié)能空氣調節(jié)系統(tǒng)。它采用熱泵原理，通過輸入電能，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉換的一種技術，能夠有效的避免傳統(tǒng)制冷、供暖方式帶來的能源消耗大、環(huán)境污染嚴重的問題，經(jīng)濟效益和環(huán)境效益顯著。天津地處渤海之濱，地源溫度全年較為穩(wěn)定，一般維持在10～15℃[2]，且淺層地源資源十分豐富，推廣應用土壤源熱泵技術具有得天獨厚的條件。本文闡述了土壤源熱泵系統(tǒng)在天津某別墅項目上的應用，并分析了其經(jīng)濟性，可為土壤源熱泵的應用和推廣提供參考。

2 項目應用

2.1 工程概況

該項目為某聯(lián)體別墅中央空調系統(tǒng)工程，位于天津渤海之濱，冬夏季采用地源熱泵空調系統(tǒng)制熱和制冷，工程總建筑面積25345m2，包括18棟三層的別墅住宅建筑，其中地上建筑面積21426m2，地下建筑面積3919m2。建筑地上部分高9m，地下部分高為3m。該別墅群分A、B、C、D 4種戶型。按戶型分四種面積，A為313.8m2，B為426m2，C為258.76m2，D為353.8m2（不包括車庫）。

2.2 相關氣象資料

根據(jù)天津的氣象資料和國家現(xiàn)行中央空調設計施工規(guī)范取天津市氣象條件如下：冬季采暖室外計算溫度：-9℃；冬季空調室外計算溫度：-11℃；夏季空調室外計算溫度：33.4℃；夏季空調日平均溫度：29.2℃；年平均溫度：12.2℃；最大凍土深度：80cm；采暖天數(shù)：120天；制冷天數(shù)：90天。

2.3 冷熱負荷計算

聯(lián)體別墅室內(nèi)參數(shù)計算溫度：冬季：20±2℃；夏季：26±2℃。根據(jù)以往的工程慣例，冷熱負荷按單位面積估算，單位冷指標取100W/m2，單位熱指標取55W/m2，計算得各個戶型的冷熱負荷，結果如表1所示。

表1 各戶型冷熱負荷

2.4 系統(tǒng)布置及地埋管換熱器的選擇

根據(jù)以往的工程實踐，該項目所處的地理位置及地質條件良好，采用地源熱泵空調系統(tǒng)是比較適宜的方案，針對房屋結構和周邊環(huán)境，空調系統(tǒng)流程布置圖如圖1所示。通過四通換向閥的轉換在不改變系統(tǒng)布置的情況下，可以使該空調系統(tǒng)達到夏天制冷，冬天制熱的效果。

圖1 地源熱泵空調系統(tǒng)流程圖

地埋管換熱器的布置可分為水平布置和垂直布置，水平布置占地面積大，埋管較淺，垂直布置埋設較深，占地面積少[3]。本項目根據(jù)現(xiàn)場具體情況，本著減少占地面積的原則，采用垂直布置方式。地埋管熱交換器選用聚乙烯PE管，它是一種高柔性管材，其斷裂伸長率一般超過300%，導熱系數(shù)高，耐化學介質的腐蝕，無電化學腐蝕，保證使用50年以上[4]。該項目垂直布置的熱交換器具體參數(shù)如表2所示。

表2 地埋管換熱器布置參數(shù)

2.5 熱泵機組的選擇

根據(jù)表1各個戶型的冷熱負荷選擇熱泵機組。對于A戶型，其夏季冷負荷為31.38kW，冬季冷負荷為17.26kW?？蛇x用勞特斯生產(chǎn)的LWW100HT/2A型戶式地源熱泵機組一臺，名義制冷量34kW，制冷輸入功率7.79kW；名義制熱量30kW，制熱輸入功率10.19kW。根據(jù)相同方法可以選擇B、C、D戶型所適用的機組，具體參數(shù)如表3所示。

表3 各戶型熱泵機組具體參數(shù)

2.6 地埋管換熱器所需井數(shù)計算

地埋管換熱器的所需井數(shù)是本項目土壤源熱泵系統(tǒng)工程設計的重要環(huán)節(jié)，可通過以下方式確定所需地埋管的井數(shù)。對于A戶型熱泵機組制冷運行向地下土壤釋放量所需井數(shù)計算如下。

夏季制冷時，地埋管換熱器向大地釋放的熱量為：

其中：

Q冷=熱泵LWW100HT/2A的名義制冷量=34 kW

EER=熱泵LWW100HT/2A的名義制冷量/制冷輸入功率=34/7.79=4.36

其中：

q為每米地埋管與土壤的換熱量，取80W/m；

h為孔深，取120m；

N（井數(shù)）=Q放÷80÷120≈5（孔）

本研究亦發(fā)現(xiàn)SMILE在角膜6～10 mm范圍以及取出基質透鏡位置的下方角膜光密度值在手術前后差異均有統(tǒng)計學意義，這與張琳等[14]的研究不一致，考慮此差異可能受不同的儀器設備分析軟件的影響。

對于A戶型冬季制熱時，地埋管換熱器從大地吸收的熱量計算如下：

其中：

Q熱=熱泵LWW100HT/2A的名義制熱量=30 kW

COP=熱泵LWW100HT/2A的名義制熱量/制熱輸入功率=30/10.19=2.94

其中：

q為每米地埋管與土壤的換熱量，取46W/m；

h為孔深，取120m；

夏季制冷所需井數(shù)大于冬季制冷所需井數(shù)，則A戶型可以按夏季制冷打孔數(shù)為計算結果，取5個。對于B、C、D戶型同樣可以采用上述計算方法得所需的井數(shù)，計算結果如表4所示。

表4 各個戶型所需的地埋管井數(shù)

2.7 地埋管沉沙處理措施

地埋管的使用壽命很長，一般要達到50年以上。由于地埋管使用過程中難免會存在水量損失，需定期進行適量的補水，補充的水量會摻雜少量泥沙等雜質，隨著時間的推移泥沙會逐漸沉積到地埋管最底端的U型管處，減緩水的流動，惡化傳熱效果，嚴重時堵塞地埋管，達不到換熱目的。本工程采用了沉積式U型管裝置，可以有效的延緩地埋管堵塞時間，保證了地埋管在使用壽命期內(nèi)的換熱效果。圖2為沉積式U型管裝置。

如圖2所示，距離地埋管的最低端約400mm處設置三通，作為第二水流通道。地埋管90度彎頭與三通之間的長度為泥沙沉積段，當泥沙在彎頭處沉積較多時，水流仍然可以通過三通進行循環(huán)流動，不會產(chǎn)生水流緩慢、不流動的情況，保證了水與土壤之間的換熱效果。本裝置在實際應用中取得了良好的效果，能有效的減緩地埋管的堵塞。

圖2 沉積式U型管

3 與其他空調型式的經(jīng)濟對比分析

為了分析本工程所選方案的初投資和運行費用，筆者根據(jù)國內(nèi)中央空調的應用情況，確定了空氣源熱泵和風管式分體機組 （多聯(lián)機）作為參照對象，與本工程的土壤源熱泵系統(tǒng)進行分析比較?？諝庠礋岜脵C組技術成熟，應用廣泛，具有較強的代表性。風管式分體機組作為一種新型的節(jié)能、環(huán)保和便于控制的空調系統(tǒng)，雖然在國內(nèi)起步較晚，但是發(fā)展迅速，已成為中央空調的一個重要選擇[5]。以A戶型為計算對象，選取了相應的主機類型。

空氣源熱泵機組型號：LAWM120HT/2（4）B，制冷量 38 kW，制熱量 41.8 kW，制冷額定功率11.67 kW，制熱額定功率12.88 kW，水流量6.53 m3/h。多聯(lián)機室外機型號：TWA125，制冷量 33 kW，制熱量36.5 kW，制冷額定功率13.3 kW，制熱額定功率11.5 kW，冷媒充注量9.7 kg

3.1 地源熱泵與其他幾種空調型式的初投資對比

初投資作為工程費用的一個重要組成部分，所占份額的大小直接影響項目的整體經(jīng)濟性。雖然本項目的四種戶型的冷熱負荷的面積不同，設備選擇方法、施工運行工藝等都相同，僅對A戶型采用土壤源熱泵、空氣源熱泵、水源熱泵系統(tǒng)的初投資進行對比。

表5 A戶型采用不同方案初投資費用

由表5可以看出上述各種方案中，土壤源熱泵的初投資最大，單位面積造價最高，達到191.99元/m2，比空氣源熱泵高出53.2%，比多聯(lián)機高出64.4%，所以其初投資不占任何優(yōu)勢。究其原因，相對于其他幾種方案，土壤源熱泵增加了地埋管的鉆孔費用一項，導致初投資較大。

3.2 地源熱泵與其他幾種空調型式的運行直接費用對比

在空調系統(tǒng)壽命期內(nèi)的運行費用是消費者十分關心的問題。在地源熱泵機組初投資高的基礎上是否能在更短時間內(nèi)收回成本，決定了地源熱泵的取舍。下面僅對對A戶型采用土壤源熱泵系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)和多聯(lián)機系統(tǒng)進行冬夏季運行直接費用分析。電價按天津地區(qū)的電價計算。計算結果如表6、表7所示。

表6 A戶型夏季制冷期間設備運行直接費用

表7 A戶型冬季制熱期間設備運行直接費用

由表6可以看出地源熱泵系統(tǒng)的夏季運行費用最低，每平方米為11.53元，比空氣源熱泵系統(tǒng)低25.9%，比多聯(lián)機系統(tǒng)低13.4%。由表7可以看出地源熱泵系統(tǒng)的冬季運行費用也是最低，每平方米16.40元，比空氣源系統(tǒng)低13%，比多聯(lián)機系統(tǒng)低6.3%。綜合表6和表7可以看出，在三種方案中，土壤源熱泵的年運行費用最低。所以，土壤源熱泵系統(tǒng)雖然室外系統(tǒng)較為復雜，初次投資高于其他兩種空調系統(tǒng)，但其他兩種空調的運行費用高于土壤源熱泵系統(tǒng)，從使用壽命和運行費用來考慮土壤源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟性最好。

4 結論

（1）以天津地區(qū)某別墅項目為代表性建筑，描述了土壤源熱泵系統(tǒng)的應用情況。重點闡述了土壤源熱泵的冷熱負荷計算，地埋管的設計選擇，熱泵機組型號的確定，地埋管井數(shù)的計算以及地埋管沉沙的處理措施，可為此空調系統(tǒng)在類似項目上的應用提供參考。

（2）通過與其他幾種空調方案的比較發(fā)現(xiàn)土壤源熱泵系統(tǒng)雖然初投資高，但是系統(tǒng)運行費用低，沒有大氣污染，可實現(xiàn)環(huán)保零排放。同時，可完全避免其傳統(tǒng)空調形式所必需的冷卻塔的 “熱污染”和 “水霧污染”，對美化建筑周邊環(huán)境大有益處。天津地處渤海之濱，地源豐富，采用土壤源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟效益較為顯著，發(fā)展前景十分樂觀。

[1] 李元旦，張旭.土壤源熱泵的國內(nèi)外研究和應用現(xiàn)狀及展望[J].制冷空調與電力機械，2002，85（1）：4-7

[2] 馬最良，姚楊，楊自強.水環(huán)熱泵空調系統(tǒng)設計[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005

[3] 那威，宋艷，劉俊躍.水平地埋管冬季土壤溫度場及換熱性能研究[J].煤氣與熱力，2010，30（4）：10-13

[4] 王勇.地源熱泵的技術經(jīng)濟分析[J].建筑熱能通風空調，2001（5）：12-13

[5] 宋應乾，范蕊，龍惟定.水冷多聯(lián)機系統(tǒng)運行性能[J].暖通空調，41（9）：128-132