摘要 本文簡單介紹了垂直埋管式地源熱泵的工作原理，分析了一個應(yīng)用垂直埋管式地源熱泵的工程實(shí)例。北京市某區(qū)某警衛(wèi)*培訓(xùn)基地改造工程原先冬季采用燃?xì)忮仩t利用散熱器供暖，夏季辦公樓采用分體空調(diào)，所有生活熱水由鍋爐房燃?xì)忮仩t提供，現(xiàn)改為垂直埋管式地源熱泵系統(tǒng)方案。本文概括介紹了其設(shè)計(jì)要點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，并通過與原冷熱源方案的對比，對地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，指出垂直埋管式地源熱泵的優(yōu)缺點(diǎn)及廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞 地源熱泵 工程實(shí)例 地埋管 節(jié)能
The application example and economy-analyze
of Ground- Source Heat Pump
Li Juan Beijing university of technology;
Kou Xiupei Beijing Institute of geo-exploration and Technique ;
Zhao Jiancheng Beijing university of technology
Abstract : This paper introduced the principle of ground- source heat pump system, take an engineering application for an example. This engineering is for some army base in Beijing, its formerly system is that, using radiators for heating in winter and using separation air-condition in summer and using gas fired boiler for hot water. Now the whole system was instead by ground- source heat pump system .This paper introduced its design plan and key technical and economical analysis of ground- source heat pump’s instance. In conclusion, pointing out the advantage and disadvantage of the ground- source heat pump, and it will have a broad future.
Key words: Ground- Source Heat Pump; the application example; pipe-underground; energy-saving
1 引言
以土壤為熱源的地源熱泵系統(tǒng)按地下埋管形式可以分為水平埋管、垂直埋管和蛇形埋管。其中垂直埋管式地源熱泵系統(tǒng)以其環(huán)保、穩(wěn)定、節(jié)能、節(jié)省占地空間、低維護(hù)、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)成為一種值得研究與大力發(fā)展的可再生能源利用方式。
2 地源熱泵系統(tǒng)簡介
垂直埋地管式地源熱泵系統(tǒng)如下圖所示，即在地層中直接埋設(shè)高密度PE管，加入換熱液，通過換熱液循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與地層的直接換熱。
系統(tǒng)由地下?lián)Q熱部分（換熱孔）、能量轉(zhuǎn)換部分（機(jī)房系統(tǒng)）及能量釋放部分（空調(diào)末端部分）三部分組成。
圖1 原理簡圖 夏、冬季運(yùn)行流程圖為：
冬季，系統(tǒng)將地表下恒溫土層中的低位熱能提高為高位熱能進(jìn)而對建筑物進(jìn)行供暖，同時在地表恒溫土層中貯存冷量，以備夏季制冷時用；夏季通過系統(tǒng)將建筑物內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地表恒溫土層中，從而達(dá)到建筑物夏季制冷的要求，同時在大地中貯存熱量，以備冬季時用。
3 工程實(shí)例分析
3.1工程概況
北京市某區(qū)某警衛(wèi)*培訓(xùn)基地改造工程，由1#、2#、3#樓、禮堂、游泳館、宿舍樓、門診部、食堂、室內(nèi)網(wǎng)球場、車庫等建筑組成?？偨ㄖ娣e約為3.6萬平方米，其中1#、2#、3#樓、禮堂、游泳館目前采用的是中央空調(diào)系統(tǒng)，宿舍樓、門診部、車庫等目前采用暖氣系統(tǒng)，東部為1.5萬平方米大型操練場。
原有建筑物冬季采用燃?xì)忮仩t利用散熱器供暖，夏季辦公樓采用分體空調(diào)；所有生活熱水由鍋爐房燃?xì)忮仩t提供。由于3臺150冷噸的燃?xì)忮仩t每年的運(yùn)行費(fèi)用都在400萬元以上，運(yùn)行成本太大；另外根據(jù)北京市環(huán)保要求，決定于2005年4月將原來的鍋爐房進(jìn)行改造，采用新型能源方式，同時也改善培訓(xùn)人員的居住環(huán)境。
本文通過對此項(xiàng)目地源熱泵系統(tǒng)方案、施工進(jìn)行較詳細(xì)的論述，為地源熱泵的進(jìn)一步發(fā)展提供經(jīng)驗(yàn)。
3.2設(shè)計(jì)參數(shù)
3.2.1設(shè)計(jì)負(fù)荷：
冬季：采暖指標(biāo)116W/m2，大采暖負(fù)荷為4176KW；
夏季：制冷指標(biāo)116W/m2，大制冷負(fù)荷為4176KW；
3.2.2 游泳池加熱負(fù)荷：
根據(jù)游泳池的大小，以及室內(nèi)游泳池的散熱等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)定，游泳池的大加熱負(fù)荷計(jì)算為240KW；
3.2.3 生活熱水用量：
1200人大生活熱水用量為120m3/天（50℃），全年供生活熱水，小時變化系數(shù)取2，則大小時所需要的生活熱水為10 m3/天（50℃）。生活熱水由自來水從10℃加熱到50℃，大小時加熱量為10m3/h，則生活熱水所需要的大加熱負(fù)荷為466KW；
3.2.4 空調(diào)使用時間：
夏季：5月1日到10月1日；
冬季：11月1日到次年4月1日
3.3技術(shù)方案
3.3.1綜述
本項(xiàng)目采用垂直埋管式的地源熱泵系統(tǒng)來提供所有建筑的冬季供暖和夏季制冷、以及全年生活熱水和游泳池用水的加熱。其中生活熱水由地源熱泵系統(tǒng)加熱后，通過生活熱水循環(huán)泵直接供給用戶。
3.3.2機(jī)組選型
選擇意大利克萊門特PSRHH3903型螺桿式地源熱泵機(jī)組3臺，其中1臺為全熱回收機(jī)組。其中全熱回收機(jī)組在供冷的同時，可以通過吸收空調(diào)系統(tǒng)中的廢熱來制取生活熱水。
空調(diào)水循環(huán)泵和地源側(cè)循環(huán)水泵各選三臺，衛(wèi)生熱水機(jī)組側(cè)循環(huán)泵和衛(wèi)生熱水循環(huán)泵各選兩臺。均采用清華創(chuàng)科泵業(yè)生產(chǎn)的屏蔽泵。
PSRHH3903型熱泵機(jī)組性能參數(shù)表如下：
表1 PSRHH3903型熱泵機(jī)組性能參數(shù)表
工況 | 制冷量(kw) | 冷凍液溫度(℃) | 冷卻水溫度(℃) | 冷凍液流量(m3/h) | 冷卻水流量(m3/h) | 蒸發(fā)器壓降(m) | 冷凝器壓降(m) | 耗電量(KW) |
制冷 | 1572 | 7/12 | 22/32 | 271 | 166 | 7.9 | 6.5 | 263 |
制熱 | 1675 | 9/3 | 40/45 | 199 | 291 | 2.4 | 5.9 | 356 |
3.4關(guān)鍵技術(shù)
地埋管換熱系統(tǒng)是地源熱泵系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵。室外地埋管換熱系統(tǒng)是先鉆換熱孔，再在換熱孔內(nèi)安裝高密度聚乙烯管（HDPE管），其通過HDPE管內(nèi)的液體不斷循環(huán)，而實(shí)現(xiàn)地層與換熱液、換熱液與機(jī)組、機(jī)組與房間內(nèi)空氣之間的熱交換。
3.4.1本項(xiàng)目中地埋管的設(shè)計(jì)
經(jīng)過土壤的熱物性測試，模擬了夏季制冷運(yùn)行工況下土壤的溫度變化，分析了土壤溫度和加熱功率，同時考慮建成后大部分時間都會在部分負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，進(jìn)行了如下的設(shè)計(jì)。
換熱孔布設(shè)在工程區(qū)內(nèi)的操場下面，共鉆孔348個，井徑大于ф150mm，深150m，孔間距5×5m,孔內(nèi)安放雙U形管，管材選用抗高壓的高密度聚乙烯管（HDPE100），管徑φ32mm，管壁厚3mm、承壓能力1.6MPa。換熱孔通過地面聯(lián)絡(luò)管分區(qū)連接后，分別匯入機(jī)房內(nèi)。
換熱孔口位于地面1.2m深以下,孔位分布總面積為8700m2，而操場的總面積為1.5萬平方米，可以滿足換熱孔布設(shè)的要求亦不影響操場的使用。
3.4.2施工工藝
地埋管系統(tǒng)是整個地源熱泵系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵，其質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全。而且工程一旦完成，其將不可修復(fù)。
（1）PE管下入孔前的技術(shù)準(zhǔn)備
傳統(tǒng)的方法是將連接好的PE管直接下入換熱孔內(nèi)，PE管在下入孔內(nèi)后的形狀將不規(guī)則，PE管之間會發(fā)生強(qiáng)烈的換熱干擾，從而影響整個換熱孔的換熱效率；本工程采用的做法是在PE管下入換熱孔之前，在PE管之間安裝支架，分隔管材，使PE管之間具有一定的距離，且盡可能緊靠換熱孔的孔壁，加強(qiáng)換熱管與地層的換熱效果，減小PE管之間的換熱干擾。同時選用加重管底接頭，保持管材下入時的垂度
（2）下管后的填料
填料的密實(shí)與否直接關(guān)系到換熱孔的換熱效率，為了提高填料的密實(shí)程度，一方面要嚴(yán)格控制填料的速度，沿孔壁四周均勻慢速填料，減少因填料過快而造成填料在孔內(nèi)搭橋的機(jī)會；另一方面在下入PE管時，隨同下入一根φ[11] 25直徑的PE細(xì)管到孔底，在均勻填料的過程中沿細(xì)管向孔內(nèi)注入水或空氣，邊提管邊填料，使填料處于懸浮狀態(tài)，均勻下沉，從而避免填料在孔內(nèi)形成搭橋，即使形成搭橋也可沖開，確保填料密實(shí)，并邊填料邊提管。
通過以上施工工藝，可確保室外換熱管系統(tǒng)使用壽命在50年以上。
3.5經(jīng)濟(jì)分析
測算參數(shù)取值如下表：
表2 估算費(fèi)用取值表
類別 | 電費(fèi) | 燃?xì)?/strong> | 自來水 | 排污費(fèi) |
單位 | 元/kwh | 元/ m3 | 元/噸 | 元/噸 |
費(fèi)用 | 0.56 | 1.8 | 3.9 | 5.4 |
3.5.1冬季采暖費(fèi)用
本工程冬季供暖運(yùn)行費(fèi)用為121萬元，燃?xì)忮仩t方式的運(yùn)行費(fèi)用為384萬元。地源熱泵比燃?xì)忮仩t節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用263萬元，節(jié)約68%。
表3 地源熱泵與燃?xì)忮仩t冬季采暖費(fèi)用比較
采暖總負(fù)荷（KWh） | 地埋管提取地能總量（KWh） | 地源熱泵耗電量（KWh） | 電費(fèi)（萬元） | 燃?xì)獠膳臍饬浚?/strong>m3) | 燃?xì)赓M(fèi) （萬元） |
8641814 | 6481361 | 2160454 | 121.0 | 320067 | 384.1 |
3.5.2夏季制冷費(fèi)用
本工程與常規(guī)冷水機(jī)組的夏季制冷運(yùn)行費(fèi)用比較見表4。地源熱泵的運(yùn)行費(fèi)用為53萬元，冷水機(jī)組為64萬元（冷卻塔方式），節(jié)約11萬元，節(jié)約17%的運(yùn)行費(fèi)用。
同時冷水機(jī)組在運(yùn)行時，需要向冷卻塔進(jìn)行補(bǔ)充自來水，一般1萬平方米的建筑，整個制冷季需要補(bǔ)充自來水3000噸，為1.62萬元。則地源熱泵比冷水機(jī)組節(jié)約自來水費(fèi)約5.8萬元。
表4 地源熱泵與冷水機(jī)組夏季制冷費(fèi)用比較
運(yùn)行天數(shù) | 運(yùn)行總負(fù)荷（KWh） | 地源熱泵運(yùn)行費(fèi)用（萬元） | 冷水機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用（萬元） |
150 | 5140155 | 52.62 | 63.97 |
3.5.3生活熱水費(fèi)用
地源熱泵生活熱水的成本與燃?xì)忮仩t加熱成本測算見表5。由表5看出，地源熱泵生活熱水的加熱成本為547元/日（5.7元/立方米）。采用燃?xì)忮仩t加熱生活熱水成本為1737元/日（1.81元/立方米）。生活熱水所需要的自來水費(fèi)為18.9萬元。
地源熱泵的年運(yùn)行費(fèi)用合計(jì)為30.7萬元，折算成本為8.8元/m3；燃?xì)忮仩t的年運(yùn)行費(fèi)用為82.3萬元，折算成本為23.5元/m3。地源熱泵系統(tǒng)年節(jié)約63%的運(yùn)行費(fèi)用。
表5 運(yùn)行費(fèi)用統(tǒng)計(jì)表
地源熱泵 | 熱水(m3) | 用電量（kwh) | 電費(fèi)合計(jì)(元) | 加熱熱水直接成本(元) |
96.0 | 976.9 | 547.08 | 547.08 |
燃?xì)忮仩t | 熱水(m3) | 耗燃?xì)饬浚?/strong>m3) | 燃?xì)赓M(fèi)(元) | 加熱熱水直接成本(元) |
96.0 | 964.9 | 1736.75 | 1736.75 |
工程中采用地源熱泵系統(tǒng)后，2005年11月投入使用后，經(jīng)測試各房間的溫度在18~25℃之間，運(yùn)行37天實(shí)耗電費(fèi)25萬，在預(yù)測費(fèi)用之內(nèi)。
3 結(jié)論和建議
由于土壤溫度穩(wěn)定且有蓄能的作用，垂直埋管式地源熱泵較空氣源熱泵具有運(yùn)行中不需要通過風(fēng)機(jī)或水泵采熱,無噪聲,換熱器也不需要除霜等優(yōu)點(diǎn)，是一種環(huán)保、節(jié)能的系統(tǒng)。
該項(xiàng)目采用地源熱泵系統(tǒng)為培訓(xùn)基地解決3.6萬平方米建筑的冬季供暖和夏季制冷，以及全年生活熱水和游泳池加熱是與北京市能源發(fā)展政策高度一致的。通過經(jīng)濟(jì)性分析，得出地源熱泵比燃?xì)忮仩t節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。
地源熱泵系統(tǒng)的壽命大概在50年左右，如果對系統(tǒng)維護(hù)、處理得當(dāng)，系統(tǒng)壽命還有可能增加。同時考慮投資效益和開發(fā)新能源，地源熱泵方案是比較好的系統(tǒng)形式。
但在工程中也發(fā)現(xiàn)了垂直埋管式地源熱泵存在的主要缺點(diǎn)是: (1)土壤的熱導(dǎo)率小,地埋管的傳熱系數(shù)小,需要較大的傳熱面積；(2)造價較高,運(yùn)行中發(fā)生故障不易檢修。這些是以后需要進(jìn)一步研究的地方。
參考文獻(xiàn)：
[1] 徐偉 等譯、朗四維 校.地源熱泵工程技術(shù)指南.北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2001年11月*版.
[2] 何詠梅1 ,孫東喜2 ,黃 晶1 ,王國平3.地源熱泵空調(diào)應(yīng)用的幾點(diǎn)建議.ENERGY CONSERVATION ，2005 (9):38-40.
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