呂晨騰

（山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院，濟(jì)南 250101）

現(xiàn)在隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，公共建筑和住宅的供暖和空調(diào)已經(jīng)成為普遍的要求［1］。作為中國(guó)傳統(tǒng)供熱的燃煤鍋爐不僅能源利用率低，而且還會(huì)給大氣造成嚴(yán)重的污染，因此在一些城市中燃煤鍋爐在被逐步淘汰，而燃油、燃?xì)忮仩t則運(yùn)行費(fèi)用很高。本文應(yīng)用對(duì)辦公樓地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都具有較大優(yōu)勢(shì)的解決供熱和空調(diào)的替代方式［2］［3］。

1 工程概況

1.1 技術(shù)背景

地源熱泵是一種高效節(jié)能環(huán)保型的空調(diào)系統(tǒng)，利用淺層（通常為400米以內(nèi)）地?zé)豳Y源，可以用來供熱或者制冷。地源熱泵可以將能量從低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩粗?，只需要向其輸入少量的高品位熱源（電能）就可以?shí)現(xiàn)，通常地源熱泵消耗1kwh的能量，用戶可以得到4.4kwh以上的冷量或熱量［4］。在炎熱的夏季，將室內(nèi)多余的熱量轉(zhuǎn)移到土壤當(dāng)中去，而且還可以保證地下溫度常年保持在均衡水平；到了寒冷的冬季，可以將土壤當(dāng)中的熱量提高溫度以后，轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)用于供暖［5］。

1.2 特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)

主要思考下面幾個(gè)方面選擇冷熱源方式：估算冷熱源機(jī)械的容量、研究不同種類機(jī)組的能源效率、當(dāng)?shù)厮|(zhì)情況、建筑的能利用的空間情況、當(dāng)?shù)刂饕茉捶绞胶臀磥戆l(fā)展趨勢(shì)［6］。空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源一般應(yīng)用一起設(shè)置的冷（熱）水項(xiàng)目和供熱、換熱設(shè)備。

經(jīng)考慮，地源熱泵系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）可重生能源利用技術(shù)

地源熱泵利用不深層地?zé)崮芗创嬖谠诘貧け韺拥奶?yáng)能作為冷/熱源，實(shí)現(xiàn)建筑物的供熱和制冷，屬于干凈的可重生能源利用技術(shù)。

（2）好的效率節(jié)能

利用大地?zé)崛萘拷跓o限及一定深處地面溫度相對(duì)不變的特點(diǎn)，與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相比，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的熱泵機(jī)組具有高溫的熱源和低溫的冷源，地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高約30－50%；全年的運(yùn)行費(fèi)用要比熱網(wǎng)集中供熱或燃油燃?xì)夤嵯到y(tǒng)降低20－60%。

（3）節(jié)省資源節(jié)省地面空間

地源熱泵系統(tǒng)利用介質(zhì)在地下巖土中循環(huán)實(shí)現(xiàn)交換熱，不消耗水，也不損害地下水。系統(tǒng)節(jié)省鍋爐房和相關(guān)的煤場(chǎng)、存油房、冷卻塔等設(shè)施，機(jī)房面積遠(yuǎn)小于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，讓建筑更好看。

（4）環(huán)保顯著

地源熱泵的運(yùn)行過程沒有燃燒，不排污染氣，不產(chǎn)生污染，沒有無利用價(jià)值的東西產(chǎn)生，不需存放燃料及廢物的場(chǎng)地，可以建筑在居民區(qū)內(nèi)，不用遠(yuǎn)距離輸送熱量。

2 工程概況

2.1 建筑概況

（1）本工程建筑為濟(jì)南市某企業(yè)辦公樓，建筑物東西長(zhǎng)75m，南北寬15.9m，高16.2m，總建筑面積5580.8 m2，地上4層，地下1層，主要功能為辦公室及會(huì)議室，冷熱源機(jī)房設(shè)在地下一層。

（2）濟(jì)南地區(qū)土壤初始溫度為15 ℃，地下土壤為含水量15%的致密黏土，土壤導(dǎo)熱系數(shù)λS:1.55 W/m·K，擴(kuò)散率a: 0.423×10-6m2/s。

（3）外墻為內(nèi)粉刷，外有水泥砂漿。屋面為70mm厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土屋面板加25mm厚瀝青膨脹珍珠巖保溫層。門為鋁合金玻璃門，6mm普通玻璃（K=5.94W/m2·℃），內(nèi)門為單層木門。窗為雙層鋼窗，3mm厚普通玻璃，窗高2m 。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）基本的氣象參數(shù)

本項(xiàng)目的地理位置：濟(jì)南市，位置位于北緯36°、東經(jīng)117°；

夏季的大氣壓：997.9hPa，冬季的大氣壓：1019.1hPa；

冬季通風(fēng)室外計(jì)算溫度：-3.6℃，夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度：30.9℃；

夏季通風(fēng)室外計(jì)算相對(duì)濕度：56%，冬季空調(diào)調(diào)節(jié)室外計(jì)算相對(duì)濕度：45%。

（2）其中，主要房間的室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表 2.1 主要房間空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

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2.3 機(jī)組型號(hào)的選擇

通過相關(guān)計(jì)算軟件——天正暖通計(jì)算可得，該企業(yè)辦公樓夏季冷負(fù)荷峰值為188.53kW，冬季熱負(fù)荷峰值為328.79kW，分負(fù)荷計(jì)算可知，選取機(jī)組LSFBLGR770S（3250×1380×1750mm）。

表 2.2 機(jī)組型號(hào)

3 地埋管換熱器布置

3.1 地埋管選材

項(xiàng)目上一般用美國(guó)現(xiàn)在采用的高密度的聚乙烯（美國(guó)型號(hào)為PE3408）管材，壁厚（強(qiáng)度）選擇按SDR11選取，管子內(nèi)徑一般采用20～40mm［7］。管材的選擇按照泵自身?yè)Q熱器的流量要求以及是否應(yīng)用串聯(lián)、并聯(lián)的形式確定，即不僅管中流體的流速很大，能在管中產(chǎn)生紊流加強(qiáng)傳熱［8］。還應(yīng)該讓流速不要太大，應(yīng)該讓循環(huán)泵的消耗維持在合適的范圍內(nèi)。

3.2 鉆孔數(shù)量的計(jì)算

選用豎直單U型管，設(shè)定夏季循環(huán)液進(jìn)、出冷凝器的溫度分別為28℃和32℃，即溫差為5℃。冬季循環(huán)液進(jìn)、出蒸發(fā)器的溫度分別為7℃和3℃，即溫差為4℃［9］。

通過換熱器中循環(huán)液的溫差及流量計(jì)算得鉆孔數(shù)量為72根，并設(shè)定鉆孔孔徑為150mm，鉆孔內(nèi)回填材料可用細(xì)砂加膨潤(rùn)土，鉆孔間距為5m，6個(gè)鉆孔為一個(gè)系統(tǒng)，一共為12組系統(tǒng)，如圖所示。

圖3.1 單個(gè)系統(tǒng)地埋管鉆孔示意圖（單位：mm）

3.3 地?zé)釗Q熱器長(zhǎng)度

與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，這是地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所特有的內(nèi)容。根據(jù)所選擇的地?zé)釗Q熱器的類型及布置形式，可根據(jù)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50366-2005)中的設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)計(jì)算地?zé)釗Q熱器的管長(zhǎng)［10］。

制冷工況下，豎直地埋管換熱器鉆孔的長(zhǎng)度為：LC=8819.545m；供熱工況下，豎直地埋管換熱器鉆孔的長(zhǎng)度為6378.03m。經(jīng)比較后選擇制冷工況下所需的鉆孔長(zhǎng)度作為設(shè)計(jì)豎直地埋管換熱器的鉆孔長(zhǎng)度。則每個(gè)鉆孔深度為：

取每個(gè)鉆孔深度為122.48米。

4 地源熱泵機(jī)房設(shè)備

4.1 離心泵

水泵所需流量為22.4 m3/h，水泵所需揚(yáng)程為4m。根據(jù)計(jì)算結(jié)果水泵的量程流量留一點(diǎn)余量，選擇KQW100/110-1.1/4型離心泵(785×385×210mm),性能參數(shù)如下：

表 4.1 離心泵型號(hào)

4.2 補(bǔ)水泵

揚(yáng)程H為7m，補(bǔ)水泵流量2m3/h，選擇型號(hào)如下表：

表 4.2 補(bǔ)水泵型號(hào)

4.3 定壓補(bǔ)水裝置選型

表 4.3 膨脹水箱型號(hào)

4.4 軟化水箱的選型計(jì)算

軟化水箱應(yīng)不小于系統(tǒng)1h的補(bǔ)水量，容積宜按系統(tǒng)水量的8%-24%來計(jì)算。

軟化水箱：根據(jù)補(bǔ)水泵（0.5～1h）的水量選擇。

補(bǔ)水泵流量為2m3/h，則軟化水箱取補(bǔ)水泵1小時(shí)水量即2m3/h。

有效容積：15%×20=3m3

選擇1號(hào)水箱矩形水箱，有效容積：m3

長(zhǎng)×寬×高=6000×3000×200（mm）

4.5 全自動(dòng)軟水裝置

當(dāng)工程所在地水質(zhì)較硬或是系統(tǒng)較大的時(shí)候，系統(tǒng)的循環(huán)水和補(bǔ)水最好是軟化水，該空調(diào)系統(tǒng)必須配置水軟化裝置，一般選用全自動(dòng)軟化水裝置；

全自動(dòng)軟化水裝置的選用一般按照系統(tǒng)補(bǔ)水量進(jìn)行選擇，補(bǔ)水量為G=0.672 m3/h。裝置小，系統(tǒng)補(bǔ)水時(shí)間長(zhǎng)；裝置大，系統(tǒng)補(bǔ)水時(shí)間短。

表 4.4 全自動(dòng)軟水裝置型號(hào)

圖4.2 地埋管換熱系統(tǒng)流程圖

5 軟件模擬

根據(jù)地?zé)嶂堑能浖砟M地埋管的鉆孔深度，從而找到優(yōu)化設(shè)計(jì)的布置。

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是以大地為冷/熱源，使中間介質(zhì)在由塑料管組成的封閉環(huán)路中循環(huán)流動(dòng)，與大地進(jìn)行熱量的交換，并進(jìn)而通過熱泵實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的空調(diào)［11］。

設(shè)置地埋管換熱器是地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的最大特點(diǎn)。根據(jù)布置形式的不同，地埋管換熱器可分為水平埋管與豎直埋管。由于豎直地埋管換熱器具有占地少、工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，所以成為了國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用的主導(dǎo)形式。主要分析關(guān)于豎直U 型埋管換熱器中U型管形式、回填材料導(dǎo)熱系數(shù)、土層種類、循環(huán)液種，進(jìn)入熱泵最高溫度、進(jìn)入熱泵最低溫、峰值冷熱負(fù)荷持續(xù)時(shí)間比的對(duì)它的影響，以便對(duì)它進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5.1 回填材料導(dǎo)熱系數(shù)的分析

回填材料一方面可以增強(qiáng)地埋管和周圍巖土的換熱，同時(shí)還可以防止地下水通過鉆孔向下滲透，保護(hù)地下水不受污染物污染，防止各個(gè)蓄水層之間交叉摻混?；靥畈牧蠈?duì)鉆孔長(zhǎng)度有很大的影響，回填材料的不同，相應(yīng)導(dǎo)熱系數(shù)也不同，對(duì)應(yīng)的鉆孔長(zhǎng)度差別很大。

在其他條件不變的情況下，導(dǎo)熱系數(shù)越大，鉆孔長(zhǎng)度越小，但是變化幅度卻不斷減小。

填充材料導(dǎo)熱系數(shù)為1.5時(shí)，鉆孔總長(zhǎng)度為11242.047m；

填充材料導(dǎo)熱系數(shù)為1.6時(shí)，鉆孔總長(zhǎng)度為11076.723m；

填充材料導(dǎo)熱系數(shù)為1.7時(shí)，鉆孔總長(zhǎng)度為10911.398m；

填充材料導(dǎo)熱系數(shù)為1.8時(shí)，鉆孔總長(zhǎng)度為10779.139m；

填充材料導(dǎo)熱系數(shù)為1.9時(shí)，鉆孔總長(zhǎng)度為10646.88m；

由此可是填充材料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)鉆孔總長(zhǎng)度，鉆孔深度影響較大。

5.2 鉆孔間距

在其他參數(shù)不變的情況下，鉆孔間距也對(duì)鉆孔長(zhǎng)度有著一定影響，鉆孔間距越大，那么管子之間換熱就越好，同時(shí)管子之間的熱干擾也就越小，有利于換熱。當(dāng)間距在大于6米后，隨著間距增大，鉆孔長(zhǎng)度不變。在實(shí)際工程間距也要根據(jù)工程的實(shí)際成本和狀況來定。

鉆孔行間距為3時(shí)，鉆孔總長(zhǎng)度為12928.345m;

鉆孔行間距為4時(shí)，鉆孔總長(zhǎng)度為11308.177m;

鉆孔行間距為5時(shí)，鉆孔總長(zhǎng)度為10646.88m;

鉆孔行間距為6時(shí)，鉆孔總長(zhǎng)度為10349.296m。

由此可知鉆孔行間距對(duì)鉆孔總長(zhǎng)度，鉆孔深度影響很小。

5.3 地埋管運(yùn)行時(shí)不同溫度的變化

經(jīng)過一年，五年，十年，的對(duì)比后我們可以發(fā)現(xiàn)地溫隨著年份緩慢升高，從十年的溫度變化曲線圖我們可知孔壁溫度，熱泵出口水溫，熱泵入口水溫的峰值都是隨著時(shí)間的使用升高。

圖5.1 一年內(nèi)的土壤溫度變化示意圖

圖7.3 五年內(nèi)的土壤溫度變化示意圖

圖7.4 十年內(nèi)的土壤溫度變化示意圖

5.4 系統(tǒng)耗電量

圖7.5 一年內(nèi)的熱泵機(jī)組耗電量變化示意圖

圖7.6 五年內(nèi)的熱泵機(jī)組耗電量變化示意圖

圖7.7 十年內(nèi)的熱泵機(jī)組耗電量變化示意圖

5.5 每米鉆孔換熱量

由模擬的曲線圖可知在不同的時(shí)間，每米鉆孔換熱量隨時(shí)間波動(dòng)。

圖7.8 一年內(nèi)的鉆孔每米換熱量變化示意圖

圖7.9 五年內(nèi)的鉆孔每米換熱量變化示意圖

圖7.10 十年內(nèi)的鉆孔每米換熱量變化示意圖

6 設(shè)計(jì)優(yōu)化

通過地?zé)嶂擒浖哪M，針對(duì)地源熱泵設(shè)計(jì)方案，提出兩點(diǎn)優(yōu)化建議：

（1）根據(jù)建筑物負(fù)荷特性、土壤物性參數(shù)，以及地埋管換熱器中各組管子的熱干擾現(xiàn)象等因素對(duì)地源熱泵的長(zhǎng)期使用影響較大，可以采用流體模擬軟件對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

（2）考慮到放熱不平衡對(duì)土壤溫度升高或降低問題，在負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性中，地源熱泵系統(tǒng)中的地埋管換熱器應(yīng)滿足最大吸熱量或放熱量的要求，而且要始終保持地埋管的總吸熱量與放熱量保持在一個(gè)平衡的水平。在技術(shù)允許且經(jīng)濟(jì)合理的情況下，可以采用輔助熱源進(jìn)行調(diào)峰。

7 結(jié)論

本文從地源熱泵系統(tǒng)熱泵機(jī)組的選型、地埋管換熱器的布置，地源熱泵機(jī)房設(shè)備的安排以及通過軟件模擬提出優(yōu)化建議，分析了濟(jì)南市某企業(yè)辦公樓地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。但是，在實(shí)際的工程項(xiàng)目中，應(yīng)該提前做好地源熱泵系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)與試驗(yàn)工作，確保施工安裝后，地源熱泵系統(tǒng)可以科學(xué)穩(wěn)定的運(yùn)行。