文／李天爽 山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院 山東濟(jì)南 250100

引言：

目前我國(guó)城鎮(zhèn)每年集中供熱導(dǎo)致的CO2間接排放量約為4.5 億t，分散供暖設(shè)施導(dǎo)致的CO2排放量約為3 億t，這兩項(xiàng)CO2排放量就占到全國(guó)總排放量的7.5%[1]。由此可見(jiàn)降低北方供暖能耗、提升清潔能源占比對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰和碳中和”目標(biāo)具有重要的推動(dòng)作用。在各類(lèi)清潔能源利用中，地?zé)崮芤云漭^好的穩(wěn)定性與大體量的蓄能特性，在北方建筑供暖中占有一定的比例。截止 2020年，我國(guó)目前地?zé)崮芙ㄖ醚b機(jī)容量已達(dá) 2.65 萬(wàn)兆瓦，位居世界第一[2]。因此地?zé)崮芄┡l(fā)展前景廣闊。地埋管地源熱泵以埋管方式通過(guò)循環(huán)水的封閉循環(huán)實(shí)現(xiàn)與地下巖土之間的熱量交換，該技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)建筑暖通空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛[3-6]。隨著市場(chǎng)應(yīng)用的快速發(fā)展，許多地埋管地源熱泵項(xiàng)目也暴露出一些問(wèn)題，比如地下冷熱不平衡的問(wèn)題，系統(tǒng)運(yùn)行效率地下甚至無(wú)法啟動(dòng)的等問(wèn)題。這些問(wèn)題的出現(xiàn)多與項(xiàng)目立項(xiàng)時(shí)缺乏方案可行性論證，及未進(jìn)行科學(xué)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)等因素有關(guān)。因此，本文以寒冷地區(qū)某一學(xué)校建筑為例，對(duì)地埋管地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)該方案的初投資及運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算，與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比較，預(yù)測(cè)該方案的節(jié)能及環(huán)保潛力。

1、項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于山東省濰坊市。根據(jù)學(xué)校的教學(xué)，生活要求，考慮建設(shè)場(chǎng)地用地的實(shí)際情況及消防、綠化等要求，整個(gè)校區(qū)規(guī)劃為教學(xué)區(qū)、綜合功能區(qū)（包括綜合樓與中心廣場(chǎng)）、體育運(yùn)動(dòng)區(qū)、生活服務(wù)區(qū)、綠化區(qū)等幾部分。該項(xiàng)目總建筑面積63929m2。容積率0.52，建筑密度16.8%，綠地率為42.7%，道路廣場(chǎng)面積 23653m2，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地面積22276m2。

2、建筑動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型

根據(jù)建筑設(shè)計(jì)圖紙，并結(jié)合學(xué)校空調(diào)使用時(shí)間，利用建筑負(fù)荷計(jì)算軟件Dest 模擬出建筑物的全年動(dòng)態(tài)逐時(shí)負(fù)荷，見(jiàn)圖1。設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為4017kW，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為3516kW。

圖1 建筑全年動(dòng)態(tài)逐時(shí)負(fù)荷變化曲線

根據(jù)逐時(shí)負(fù)荷累計(jì)所得建筑月累計(jì)冷熱負(fù)荷，其中年累計(jì)采暖熱負(fù)荷約為3185MWh，年累計(jì)空調(diào)冷負(fù)荷為2430MWh。由于學(xué)校的暑假期間正值夏季最熱的7月與8月，約55 天；寒假期間為冬季的2月份，約28 天。從負(fù)荷計(jì)算結(jié)果可知，該建筑物的年累計(jì)熱負(fù)荷要略大于冷負(fù)荷。

3、地埋管地源熱泵方案設(shè)計(jì)

3.1 地埋管地源熱泵技術(shù)可行性分析

濰坊市處于北溫帶季風(fēng)區(qū)，背陸面海，氣候?qū)倥瘻貛Ъ撅L(fēng)型半濕潤(rùn)大陸型氣候。濰坊市所處地質(zhì)構(gòu)造部位較特殊，處于我國(guó)東部新華夏系第二隆起帶和第二沉降帶的銜接部位，魯西、魯東型地層均有分布，且發(fā)育齊全。項(xiàng)目所在地屬于沿海地區(qū)，相同地質(zhì)條件下，沿海地區(qū)的地下巖土熱物性參數(shù)要優(yōu)于內(nèi)陸地區(qū)。

該學(xué)校位于山東濰坊，屬于冬冷夏熱地區(qū)，不僅要求冬季供熱，亦要求在夏季提供空調(diào)系統(tǒng)。如果采用傳統(tǒng)的水冷機(jī)組加城市熱網(wǎng)系統(tǒng)，則需要兩套設(shè)備，不僅增加運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)從環(huán)境保護(hù)方面看，城市集中供熱系統(tǒng)消耗大量的一次能源，排放的有害氣體則對(duì)大氣環(huán)境造成污染。而冷水機(jī)組則是在制冷時(shí)將室內(nèi)的熱量以廢熱形式排放到室外大氣中，該系統(tǒng)的性能隨室外空氣溫度升高而顯著降低，機(jī)組制冷性能及效率較低，耗能較高。同時(shí)排放到環(huán)境中的廢熱無(wú)疑更加劇了夏季城市熱島效應(yīng)。

由于學(xué)校一年有1 個(gè)月的寒假與近兩個(gè)月的暑假，大大減少了年冷熱負(fù)荷的需求，初步估計(jì)該工程的年累計(jì)的冷負(fù)荷與熱負(fù)荷相當(dāng)，適合采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。同時(shí)校區(qū)內(nèi)有足夠的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地及綠化地帶，建筑容積率較低，地埋管空間較大。

從地埋管熱泵的工作原理可知該系統(tǒng)在冬冷夏熱的地區(qū)（即全年冷熱負(fù)荷較為均衡的建筑物）可以充分發(fā)揮大地儲(chǔ)能的作用，具有較高的運(yùn)行效率。因此該項(xiàng)目具備地源熱泵空調(diào)技術(shù)應(yīng)用的基本氣候條件及建筑負(fù)荷較為均衡的條件。

3.2 設(shè)備選型

根據(jù)建筑物的冷熱負(fù)荷初步估算熱泵機(jī)組的容量?？紤]到該工程為學(xué)校建筑，宿舍區(qū)與教學(xué)區(qū)的使用時(shí)間不同，負(fù)荷具有錯(cuò)峰特征，同時(shí)使用系數(shù)較低，建議配置兩臺(tái)地源熱泵機(jī)組。當(dāng)冷熱負(fù)荷需求很少時(shí)，可僅啟動(dòng)一臺(tái)機(jī)組，降低系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。每臺(tái)機(jī)組制冷量約2100KW、制熱量：2000KW。機(jī)組設(shè)置在獨(dú)立的制冷機(jī)房?jī)?nèi)。夏季機(jī)組為制冷工況、提供供回水溫度為7℃～12℃的冷水；冬季機(jī)組為供熱工況、提供供回水溫度為：40℃～45℃熱水。主要設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 主要的設(shè)備設(shè)計(jì)容量

3.3 地埋管優(yōu)化設(shè)計(jì)

在地源熱泵系統(tǒng)中，實(shí)際地埋管換熱器的散熱與取熱負(fù)荷與建筑物的冷、熱負(fù)荷并不直接相等，它還與采用的熱泵機(jī)組的能效比有關(guān)，其關(guān)系如下。

地?zé)釗Q熱器的取熱量：

地?zé)釗Q熱器的散熱量：

地埋管地源熱泵主機(jī) COP（能效比）冬季取 4.0，夏季取 5.0。則有：

Q取熱=2390MWh;Q散熱=2916MWh

式中：Qheat和Qcool表示建筑物的熱負(fù)荷和冷負(fù)荷；P表示系統(tǒng)輸入的功率，此處近似認(rèn)為是熱泵機(jī)組的功率；Q取熱和Q散熱表示地埋管側(cè)的取熱量和散熱量。由上式可知，在考慮了機(jī)組的耗電量后地埋管換熱器的年累計(jì)散熱量略大于年累計(jì)取熱量，經(jīng)初略計(jì)算，地埋管的散熱量與取熱量比值約為1.22:1。這說(shuō)明，如果地埋管系統(tǒng)承擔(dān)建筑物所需的全部冷熱負(fù)荷，一個(gè)采暖空調(diào)周期后，地下的冷熱負(fù)荷不平衡率較低，用戶(hù)可以通過(guò)適當(dāng)延長(zhǎng)采暖時(shí)間或增加采暖負(fù)荷的調(diào)節(jié)方式來(lái)平衡地下年冷熱負(fù)荷。

采用地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)模擬軟件-地?zé)嶂荲3.0（Ge ostar）對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，給出初步設(shè)計(jì)方案。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的基本參數(shù)：

●鉆孔回填材料采用專(zhuān)用的高性能回填材料，導(dǎo)熱系數(shù)為2.1 W/m·K。

●進(jìn)入熱泵循環(huán)液的最高和最低溫度分別是：33℃，5℃；

●鉆孔直徑為150mm；

●滿(mǎn)足的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為20年。

單U 型管與雙U 型管的方案比較：

目前工程上采用垂直埋管地?zé)釗Q熱器的結(jié)構(gòu)形式主要有兩種。一種就是在鉆孔內(nèi)埋設(shè)一組U 型PE 管，另一種形式是在一個(gè)鉆孔埋設(shè)兩組U 型管，可稱(chēng)作雙U 型埋管地?zé)釗Q熱器。由于雙U 型在鉆孔內(nèi)具有較高的換熱面積，其換熱效率要優(yōu)于單U 型管的換熱效率。根據(jù)理論計(jì)算可知，雙U 型管的換熱效率要比單U 型管高約5～30%。因此在相同的冷熱負(fù)荷需求的情況下，雙U 型管換熱器需要的鉆孔長(zhǎng)度較少，但同時(shí)系統(tǒng)所需的管材將增大。一般來(lái)說(shuō)，工程所處的地質(zhì)條件，即鉆孔費(fèi)用，在很大程度上決定了二者的經(jīng)濟(jì)性。

本節(jié)對(duì)并聯(lián)雙U 型管與單U 型管這兩種地埋管換熱器進(jìn)行初步的經(jīng)濟(jì)性比較，確定最佳的埋管方式。表2列出了采用單U 管與雙U 管所需的總鉆孔長(zhǎng)度與鉆孔總費(fèi)用。根據(jù)巖土熱物性測(cè)試報(bào)告可知，該地埋管區(qū)域主要地質(zhì)構(gòu)成為粉砂與粘土，鉆孔難度小，每米鉆孔費(fèi)用相對(duì)較低，暫按40 元每米計(jì)算。

由表2可以看出，與單U 型管相比，雙U 型管所需的鉆孔長(zhǎng)度減少了5.5%（即換熱效率提高了5.5%），鉆孔費(fèi)用相應(yīng)降低，但綜合來(lái)看，該方案所節(jié)省的鉆孔費(fèi)用遠(yuǎn)小于增加的管材、管件費(fèi)用。經(jīng)估算可知，采用雙U型管的地?zé)釗Q熱器的初投資比單U 型管的方案高出100多萬(wàn)元。同時(shí)采用雙U 型管還會(huì)增加施工難度，又考慮到該工程附近有足夠的空地作為地埋管的換熱空間，因此推薦該工程采用單U 型管方案。

表2 單U 與雙U 埋管設(shè)計(jì)方案比較

4、經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益分析

通過(guò)上述模擬分析可知，在該工程中采用單U 型豎直地埋管的地源熱泵系統(tǒng)為最佳的設(shè)計(jì)方案。本節(jié)僅對(duì)單U型地源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)冷水機(jī)組加城市管網(wǎng)采暖方式進(jìn)行初投資及運(yùn)行費(fèi)用的比較，基本費(fèi)用列于表3。其中運(yùn)行費(fèi)用是指系統(tǒng)運(yùn)行20年內(nèi)的機(jī)組的耗電量，冷水機(jī)組的平均效率取4。表中的數(shù)據(jù)來(lái)自于系統(tǒng)運(yùn)行模擬的結(jié)果與工程經(jīng)驗(yàn)，與實(shí)際運(yùn)行狀況會(huì)有一定的差別，在此僅作為定性的分析。

由表3可以看出，地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的初投資高約50 萬(wàn)；每平方米造價(jià)約高8 元。而地源熱泵的運(yùn)行費(fèi)用卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用；每平方米可節(jié)省28.6 度電，折合節(jié)省20 元的運(yùn)行費(fèi)用。每年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約124 萬(wàn)元，以運(yùn)行周期為20年計(jì)算，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)可節(jié)省2480 萬(wàn)元。

表3 地源熱泵空調(diào)與傳統(tǒng)空調(diào)經(jīng)濟(jì)性比較（63929 平方米的建筑，未考慮空調(diào)末端的投資）

根據(jù)綜合能耗計(jì)算通則 GB/T2589-2020 的折算系數(shù)計(jì)算可知，該項(xiàng)目每年可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤590 噸/年，減排二氧化碳1472 噸/年，節(jié)能減排效益顯著。

結(jié)語(yǔ)：

本文對(duì)寒冷地區(qū)學(xué)校建筑進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)，對(duì)單U 及雙U 地埋管地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行方案比選，然后又通過(guò)與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性對(duì)比，得出如下結(jié)論：

無(wú)論是從系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)可靠性考慮，還是從節(jié)能環(huán)保角度考慮，采用單U 型地埋管空調(diào)系統(tǒng)為本項(xiàng)目的最佳方案。初步的設(shè)計(jì)方案為：鉆孔布置形式為矩陣排列，共900 個(gè)鉆孔，豎直單U 埋管。每個(gè)鉆孔深度為90m，總鉆孔深度為81000m。孔間距與排間距均為5m，所需地埋管面積約2.25 平方米。與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)每年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約124 萬(wàn)元，以運(yùn)行周期為20年計(jì)算，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)可節(jié)省2480 萬(wàn)元。

根據(jù)綜合能耗計(jì)算通則 GB/T2589-2020 的折算系數(shù)計(jì)算可知，該項(xiàng)目每年可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤590 噸/年，減排二氧化碳1472 噸/年，節(jié)能減排效益顯著。

考慮到地埋管冷負(fù)荷略微大于熱負(fù)荷，建議用戶(hù)可通過(guò)適當(dāng)延長(zhǎng)采暖的運(yùn)行時(shí)間或增加供熱的負(fù)荷的控制方式來(lái)調(diào)控地下冷熱負(fù)荷均衡，降低土壤溫度場(chǎng)。