朱志軍，常 澄

1 工程概況

該項(xiàng)目位于江蘇省揚(yáng)州市西區(qū)四望亭路與揚(yáng)子江北路交岔口西北角，為商業(yè)、酒店建筑，總建筑面積為33018m2，地下一層，地上九層。地下室主要功能區(qū)為：車(chē)庫(kù)、各專業(yè)設(shè)備間；一至三層為商業(yè)、餐飲；四層為酒店功能用房和商場(chǎng)物業(yè)用房；五至九層為酒店客房。一至三層建筑面積為13124.79 m2；四層以上建筑面積為12352.49 m2。

該項(xiàng)目商業(yè)、酒店原設(shè)計(jì)采用夏季用水冷螺桿機(jī)制取空調(diào)冷水，冬季用真空相變熱水鍋爐制取空調(diào)熱水，全年用常壓熱水鍋爐制取衛(wèi)生熱水的方式。后業(yè)主經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)研和認(rèn)真考慮，酒店改用土壤源熱泵作為空調(diào)系統(tǒng)冷熱源，夏季提供空調(diào)冷水，冬季提供空調(diào)熱水，一套主機(jī)冬夏兩用；常年采用專用土壤源熱泵機(jī)組提供生活熱水。這樣，既能保持整個(gè)系統(tǒng)節(jié)能高效，響應(yīng)國(guó)家能源政策；又能體現(xiàn)該建筑綠色環(huán)保的特點(diǎn)。

本文重點(diǎn)總結(jié)了該設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些經(jīng)驗(yàn)和不足，供設(shè)計(jì)同仁參考和借鑒。

2 地埋管換熱系統(tǒng)勘查和設(shè)計(jì)

查《江蘇省環(huán)境水文地質(zhì)圖集》，該項(xiàng)目場(chǎng)地位于寧鎮(zhèn)揚(yáng)丘陵崗地區(qū)與長(zhǎng)江沖積平原區(qū)的過(guò)渡地帶，地貌類型屬河漫灘平原。場(chǎng)地在鉆探深度范圍內(nèi)所揭示的地層均為第四紀(jì)松散沉積物，按成因類型、土質(zhì)特征可分為5層，自上而下分別為雜填土→粉土→粉砂→粉質(zhì)粘土→粘土，因勘探深度不超過(guò)40m，故業(yè)主先期委托揚(yáng)州大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院對(duì)該地塊土壤的熱物理性能進(jìn)行了測(cè)試。因?yàn)橥寥朗且粋€(gè)由固態(tài)的土壤骨架、液態(tài)和氣態(tài)水以及空氣組成的多相分散體，目前大多數(shù)的研究中采用的簡(jiǎn)單的復(fù)合不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，將水分和空氣的輸運(yùn)過(guò)程作用歸結(jié)為一導(dǎo)熱系數(shù)的附加值來(lái)描述土壤中的熱質(zhì)耦合的作法顯然會(huì)帶來(lái)較大的誤差，相應(yīng)的結(jié)果土壤源熱泵的埋地?fù)Q熱器的尺寸偏大，熱泵裝置的初投資加大(埋地?fù)Q熱器的成本一般占到熱泵系統(tǒng)總成本的20%-30%)。因此目前我省地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程第4.2.3條規(guī)定了相應(yīng)做巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)的條文，主要目的是測(cè)定土壤的以下幾個(gè)參數(shù)：（1） 土壤的初始溫度；（2） 土壤的導(dǎo)熱系數(shù)；（3）土壤的比熱容，以便進(jìn)行土壤換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)單位延米換熱量修正后直接用于換熱器工程設(shè)計(jì)[1]。該場(chǎng)地位于城市中心商業(yè)區(qū)，場(chǎng)地面積狹小，故優(yōu)先考慮雙U埋管。本建筑先期條件不足，只能做在本棟建筑物基礎(chǔ)下。如果室外場(chǎng)地容許，筆者建議還是盡可能將地埋管設(shè)于室外。巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)得出的結(jié)論如下：

⑴項(xiàng)目所在地土壤初始平均溫度約為18.2℃-18.5℃。

⑵通過(guò)恒熱流法現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試可得項(xiàng)目所在地下巖土熱物性參數(shù)如下： 等效導(dǎo)熱系數(shù)為1.52W/(m·K)；容積比熱容為 2370kJ/(m3·K)，單位長(zhǎng)度鉆孔熱阻為0.187(m·K)/W。可以此作為地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)參考及系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)土壤熱平衡校核計(jì)算的依據(jù)。

⑶通過(guò)恒溫法換熱量測(cè)試可得：對(duì)于本測(cè)試孔（80 m埋深、鉆孔直徑135mm、De25并聯(lián)雙U型埋管，原漿+黃沙回填） ，換熱進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段后，在埋管進(jìn)口溫度為31.8℃-32.2℃，平均進(jìn)口溫度為32℃時(shí)，埋管鉆孔的單位埋深放熱量為 60.2-65.3W/m，其對(duì)應(yīng)平均值為63.6W/m。

⑷根據(jù)測(cè)試得到的巖土熱物性值，采用地下?lián)Q熱器專用軟件計(jì)算可得，在管道流速控制在0.4m/s-0.6m/s之間，夏季進(jìn)水溫度30℃-35℃之間，冬季在5℃-10℃之間的條件下，對(duì)于本工程De25管徑、埋深為80m的并聯(lián)雙U型埋管，夏季單位埋深放熱量為58-69W/m，冬季單位埋深取熱量為45-57W/m。對(duì)于本工程De32管徑、埋深為80m的單U型埋管，夏季單位埋深放熱量為49-62W/m，冬季單位埋深取熱量為37-49W/m。

地下室功能為汽車(chē)庫(kù)，自行車(chē)庫(kù)，設(shè)備用房和人防用房，按《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》（DGJ32/TJ89-2009） 公式5.3.9算得鉆孔數(shù)量為262個(gè)，分A，B，C，D四個(gè)區(qū)域分別布置了72口、73口、58口和59口換熱井，每個(gè)區(qū)域布置了兩個(gè)窗井，這樣每個(gè)窗井內(nèi)分集水器環(huán)路數(shù)接近。豎直地埋管環(huán)路兩端分別與中間分集水器連接，且同程布置。該地區(qū)地下基本上為粘土的土壤結(jié)構(gòu)，且為富含水層，該地區(qū)打井下管環(huán)節(jié)最為困難，這主要因?yàn)槭巧巴两Y(jié)構(gòu)井壁很容易坍塌，為此必須使用大量的膨潤(rùn)土護(hù)井，膨潤(rùn)土的比例甚至大于10%[2]。在該地區(qū)回填此材料一般為膨潤(rùn)土和細(xì)砂或膨潤(rùn)土和水泥的混合漿，相關(guān)文獻(xiàn)的試驗(yàn)研究了上述兩種不同回填材料地埋管換熱器的熱響應(yīng)性能，熱響應(yīng)性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)回填材料黃沙+膨潤(rùn)土的傳熱能力優(yōu)于水泥漿+膨潤(rùn)土：散熱能力為在地埋管進(jìn)水溫度35℃時(shí)，前者高于后者11%；取熱能力在進(jìn)水溫度5℃時(shí)高5%左右；采用黃沙+膨潤(rùn)土的地埋管可比采用水泥漿+膨潤(rùn)土的地埋管提供更大的進(jìn)出口溫度。所以垂直雙U型管安裝完畢后應(yīng)立即用回填材料封孔，回填材料宜采用10%膨潤(rùn)土加90%中細(xì)砂制作的復(fù)合回填料，導(dǎo)熱系數(shù)不小于孔壁導(dǎo)熱系數(shù)。回填應(yīng)反復(fù)進(jìn)行，直至填實(shí)。

3 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目集中地源熱泵系統(tǒng)的總冷負(fù)荷大于總熱負(fù)荷，又因?yàn)橹评涔r運(yùn)行時(shí)間大于制熱運(yùn)行時(shí)間，以至于放熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于取熱量，長(zhǎng)期運(yùn)行后，地下土壤/巖石溫度將逐漸上升（術(shù)語(yǔ)稱為熱堆積），制冷工況下的放熱功率會(huì)呈現(xiàn)衰減的趨勢(shì)，系統(tǒng)制冷工況的出力勢(shì)必會(huì)越來(lái)越小，當(dāng)?shù)叵聹囟壬仙揭欢ǔ潭葧r(shí)，系統(tǒng)便無(wú)法運(yùn)行。因此完全采用土壤熱泵系統(tǒng)供冷供熱不能滿足長(zhǎng)期運(yùn)行的需要，需有其他輔助的方式來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，才能保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。該工程一是采用復(fù)合型冷源解決這個(gè)問(wèn)題，土壤換熱器滿足冬季100%負(fù)荷，夏季采用冷卻塔進(jìn)行輔助冷卻保持土壤熱平衡。二是考慮熱回收，本酒店有標(biāo)準(zhǔn)客房180間，有全年的熱水需求，因此考慮2臺(tái)地源熱泵高溫?zé)崴畽C(jī)組提供全年24小時(shí)60℃衛(wèi)生熱水，這樣也能解決熱平衡問(wèn)題（見(jiàn)表1）。

表1 用水統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

總計(jì)如下：小時(shí)用水量：10.44(m3/h)，設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量：596743.94 W。按照建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50015-2003)表5.4.10規(guī)定蓄熱水罐容積≥90minQrh，Vr=10.44×1.5=15.66m3，實(shí)際設(shè)計(jì)18m3，兩個(gè)容積為9m3的蓄熱水罐。

酒店部分空調(diào)面積約為7651m2，空調(diào)計(jì)算冷/熱負(fù)荷為：1423kW/698kW。機(jī)組選型綜合考慮供冷、供熱及供衛(wèi)生熱水三聯(lián)供，同時(shí)考慮入住率等因素，根據(jù)負(fù)荷變化，選擇4臺(tái)地源熱泵機(jī)組，其中2臺(tái)為全熱回收熱水機(jī)組，2臺(tái)地源熱泵空調(diào)機(jī)組?？照{(diào)單臺(tái)制冷量為704KW，制熱量為763KW，熱泵熱水機(jī)制熱量為695.2KW。

這里生活熱水的熱回收采用“系統(tǒng)熱回收”，即專門(mén)配置高溫?zé)崴疅岜脵C(jī)組，與空調(diào)機(jī)組的地源側(cè)供、回水聯(lián)成一個(gè)大系統(tǒng)，根據(jù)空調(diào)機(jī)組夏季制冷、冬季供暖和春秋季停用三種不同情況，采用方便靈活的調(diào)控手段和不同季節(jié)的不同熱回收方式，實(shí)現(xiàn)一年四季的“系統(tǒng)熱回收”。這樣既完全解決了酒店一年四季的生活熱水需求，又有效地解決了地下熱平衡問(wèn)題。

4 適宜性評(píng)價(jià)

這里對(duì)該系統(tǒng)做適宜性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)體系見(jiàn)圖1。一次能源利用率=（系統(tǒng)供熱量+系統(tǒng)供冷量）/系統(tǒng)全年消耗的一次能耗

對(duì)于以電能驅(qū)動(dòng)的熱泵系統(tǒng)和水冷冷水機(jī)組制冷系統(tǒng)：

式中∑Q——供熱季節(jié)總的供熱（冷）量（KWh）；

P——熱泵供熱（冷）季內(nèi)消耗的電能（KWh）；

η1——發(fā)電效率，采用火電發(fā)電效率，取35%；

η2——輸配電效率，取90%;

Pg1——鍋爐系統(tǒng)消耗的電能（KWh）；

N——燃?xì)猓ɑ蛎海┖牧浚╩3）或（Kg）；

Qdw——燃?xì)猓ɑ蛎海┑牡臀话l(fā)熱值（KJ/m3）或 （KJ/Kg）

投資回收期：β=(IHP-IB)/(CB-CHP)

式中IHP——土壤源熱泵系統(tǒng)的初投資（元）；

IB——常規(guī)冷熱源系統(tǒng)的初投資（元）；

CHP——土壤源熱泵系統(tǒng)的年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用（元/年）；

CB——常規(guī)冷熱源系統(tǒng)的年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用（元/年）；

標(biāo)煤替代量：供熱季節(jié)標(biāo)煤替代量Thce=(H1-H2)/Hce

式中H1——常規(guī)系統(tǒng)供熱季的一次能耗（KJ）；

H2——土壤源熱泵系統(tǒng)供熱季的一次能耗（KJ）；

Hce——標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱值，29307 KJ。

按照上述公式得出結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 投資回收期計(jì)算表

5 結(jié)語(yǔ)

地源熱泵空調(diào)在做好地質(zhì)資料詳細(xì)勘察和熱響應(yīng)試驗(yàn)的前提下，做好地埋管系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)該既能滿足建筑物的空調(diào)舒適度，又能充分提高地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，帶來(lái)極大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。在對(duì)土壤源熱泵空調(diào)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上，條件許可時(shí)可大力推廣其實(shí)際工程應(yīng)用，為我國(guó)可再生能源利用和節(jié)能減排事業(yè)做出其獨(dú)特的貢獻(xiàn)。

[1]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.GB50366-2005,地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S].

[2]徐偉.地源熱泵技術(shù)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011.

[3]馬最良.地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.