侯建松，陳金花

地源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)在海鹽客運(yùn)中心的應(yīng)用

侯建松1，陳金花2

（1.浙江省建工建筑設(shè)計(jì)院有限公司，浙江杭州310012；2.浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州310006）

以浙江省海鹽客運(yùn)中心為研究對(duì)象，概述與分析其空調(diào)系統(tǒng)方案，介紹地源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)在該項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，結(jié)合2012～2014年間客運(yùn)中心實(shí)際運(yùn)行狀況，比較分析結(jié)果顯示，相比一拖多變冷媒流量空調(diào)VRF系統(tǒng)，土壤源熱泵與冷卻塔相結(jié)合的復(fù)合式系統(tǒng)更加節(jié)能與高效。

地源熱泵；熱平衡；巖土熱物性；客運(yùn)中心

0 引言

我國(guó)對(duì)地源熱泵系統(tǒng)能效的研究大多局限于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試[1]，研究方法主要為系統(tǒng)實(shí)測(cè)[2，3]或模型分析[4，5]，得到的結(jié)論也多是停留在理論研究或者是工程示范階段，尚缺乏普遍實(shí)際工程應(yīng)用效果的實(shí)例與驗(yàn)證。筆者參與海鹽客運(yùn)中心的設(shè)計(jì)、施工及實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)調(diào)查，為地源熱泵系統(tǒng)的實(shí)際節(jié)能與應(yīng)用提供實(shí)踐依據(jù)。

海鹽縣隸屬于浙江省嘉興市，地處嘉興平原，土層厚，含水豐富，導(dǎo)熱性能良好，是典型的夏熱冬冷氣候地區(qū)。2010年7月海鹽縣被列入國(guó)家級(jí)可再生能源建筑應(yīng)用示范縣，2011年7月，嘉興市被列為國(guó)家可再生能源建筑應(yīng)用示范城市。2008年我國(guó)制定實(shí)施了《民用建筑節(jié)能條例》，2011年，浙江省出臺(tái)了浙政發(fā)〔2011〕56號(hào)《浙江省人民政府關(guān)于積極推進(jìn)綠色建筑發(fā)展的若干意見(jiàn)》，海鹽縣當(dāng)?shù)卣鄳?yīng)出臺(tái)《海鹽縣可再生能源建筑應(yīng)用示范縣建設(shè)實(shí)施方案》，為堅(jiān)決貫徹落實(shí)綠色建筑發(fā)展目標(biāo)，該項(xiàng)目為浙江省首個(gè)地源熱泵系統(tǒng)客運(yùn)中心項(xiàng)目，于2012年12月投入運(yùn)營(yíng)。

1 工程概況

海鹽客運(yùn)中心位于浙江省海鹽縣環(huán)城南路和東西大道交叉口，總投資約1.1億，占地45831.5m2，總建筑面積11001.4m2，其中客運(yùn)站房8230.4m2（地上四層、地下一層），地下為汽車庫(kù)及設(shè)備用房，一層為售票及候車，二～四層為辦公用房。經(jīng)負(fù)荷計(jì)算，夏季空調(diào)峰值冷負(fù)荷1110.5kW，冬季空調(diào)峰值熱負(fù)荷690kW。

圖1 海鹽客運(yùn)中心鳥(niǎo)瞰圖

客運(yùn)中心占地廣，綠化停車面積大，冬夏季總冷負(fù)荷適宜，全年需不間斷運(yùn)行，較適合應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)。海鹽又屬典型夏熱冬冷地區(qū)，夏季釋熱量需求遠(yuǎn)大于冬季吸熱量，單一的土壤源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行后由于吸熱散熱不平衡，容易使巖土體溫度逐年升高，系統(tǒng)效率下降且破壞土壤自身熱平衡[6]。為保持系統(tǒng)處于較高效率下運(yùn)行且保持釋熱量和吸熱量的基本對(duì)等，項(xiàng)目采用土壤源熱泵與冷卻塔輔助供冷的復(fù)合式系統(tǒng)。土壤源側(cè)吸熱量釋熱量選取以系統(tǒng)總熱負(fù)荷為依據(jù)，系統(tǒng)配置1臺(tái)地源熱泵機(jī)組+1臺(tái)電動(dòng)水冷螺桿式冷水機(jī)組（冷卻塔單聯(lián)），地源熱泵機(jī)組負(fù)責(zé)提供客運(yùn)中心冬季所有熱負(fù)荷，電動(dòng)水冷螺桿式冷水機(jī)組與冷卻塔相連僅在夏季工況輔助地源熱泵機(jī)組運(yùn)行。

圖2 空調(diào)系統(tǒng)流程圖

2 系統(tǒng)概述

2.1 系統(tǒng)配置

根據(jù)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果系統(tǒng)配置額定工況制熱量846kW，制冷量778kW地源熱泵螺桿機(jī)組一臺(tái)，地埋管側(cè)水溫夏季25/30℃、冬季5/10℃，提供冬夏兩季的冷熱負(fù)荷需求；其中夏季輔助配置一臺(tái)額定制冷量為366kW的水冷螺桿式冷水機(jī)組，供回水溫度7/12℃，冷卻塔水流量為100t/h。系統(tǒng)采用復(fù)合式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，將地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)與冷卻塔散熱系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合，夏季制冷EER為5.5，冬季制熱COP為4.2，解決單一地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)使用當(dāng)中的土壤熱不平衡，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定和節(jié)能性。當(dāng)?shù)卦礋岜脵C(jī)組無(wú)法滿足夏季峰值負(fù)荷需求時(shí)輔助水冷冷水機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行。圖2為冷熱源系統(tǒng)流程圖，冬夏季及過(guò)渡季運(yùn)行采用電動(dòng)閥互切運(yùn)行。

2.2 巖土熱響應(yīng)測(cè)試

影響地埋管設(shè)計(jì)因素主要有巖土熱物性參數(shù)、巖土初始溫度、回填材料性質(zhì)、鉆井幾何尺寸、埋管管材材質(zhì)與口徑、換熱介質(zhì)的流速等。其中巖土的熱物性是影響較大。工程選定一個(gè)鉆孔測(cè)試點(diǎn)，鉆井口徑130mm，采用地源熱泵專業(yè)產(chǎn)品“地源空調(diào)地埋換熱量測(cè)試儀-GE100W”測(cè)試巖土熱物性。開(kāi)啟測(cè)試設(shè)備循環(huán)水泵，記錄地埋管換熱器進(jìn)出口溫度，運(yùn)行一段時(shí)間后，進(jìn)出口水溫基本穩(wěn)定，取地埋管換熱器進(jìn)出口平均溫度為巖土體初始溫度[1，2]。根據(jù)項(xiàng)目巖土勘探資料，成孔深度100m?？變?nèi)設(shè)兩根DN32單U管（偉星HDPE100，承壓1.6MPa）后用沙子回填?；靥?8h以后，采用GE100W對(duì)單孔進(jìn)行測(cè)試。設(shè)定夏季測(cè)試工況28/33℃；冬季測(cè)試工況5/10℃。單孔的單工況測(cè)試時(shí)間為48h，合計(jì)測(cè)試時(shí)間不少于為250h，分別得到地下水水溫測(cè)量，巖土初始溫度[7，8]測(cè)試結(jié)果、溫度流量曲線圖及數(shù)據(jù)、熱物性計(jì)算結(jié)果。

2.2.1 地下水水溫測(cè)量

由圖3可得，當(dāng)?shù)孛嬉韵?8m左右深度，地下水水溫維持恒定為18.5℃左右，且之后再不以巖土深度的加深而降低。

2.2.2 巖土初始溫度測(cè)試結(jié)果

圖3 地下水水溫測(cè)量結(jié)果（成孔48h后）

土壤源溫度以回填滿48h采用溫度傳感器對(duì)埋管內(nèi)的水溫進(jìn)行測(cè)量，近似作為土壤原始溫度。由圖4可以顯示，巖土初始溫度在18m左右接近平均值，且維持在18.6℃的恒定溫度，與地下水水溫基本一致。

2.2.3 地埋管供回水溫度測(cè)試結(jié)果

由圖5可以看出，在設(shè)定夏季測(cè)試工況為28/33℃下，48h內(nèi)的地埋管供回水溫度的曲線變化在前8h的陡增之后供水水溫度逐漸趨于平穩(wěn)，埋管出水溫度保持在27.5℃左右，且供回水溫差維持在5℃上下波動(dòng)范圍內(nèi)。

圖4 巖土初始溫度測(cè)試結(jié)果（灌漿完成48h后）

圖5 夏季工況測(cè)試溫度曲線圖

圖6 冬季工況測(cè)試溫度曲線圖

設(shè)定冬季測(cè)試工況為5/10℃，圖6顯示地埋管供回水溫度在22h后趨于穩(wěn)定，冬季埋管出水溫度慢慢接近10℃左右，之后維持恒定，供回水溫差為5℃，與系統(tǒng)運(yùn)行額定溫差基本一致。

2.2.4 換熱量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)供回水溫度及導(dǎo)熱模型求解單U管的熱物性-導(dǎo)熱系數(shù)值，通過(guò)導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算換熱量，計(jì)算換熱量見(jiàn)表1。

表1 單U換熱量測(cè)試結(jié)果

2.3 室外埋管布置

地源集合管埋設(shè)于地面以下1.8m處，每孔垂直地埋管有效換熱長(zhǎng)度80m?？紤]車載因素，垂直地埋管設(shè)置于客運(yùn)中心西北面50m綠化及出租車等候區(qū)，垂直地埋管系統(tǒng)采用錐型地埋管專用件，孔內(nèi)的地埋管每米設(shè)一個(gè)成品間距控制管夾。上述U型管及其端部彎頭和管夾均應(yīng)在不受陽(yáng)光照射的條件下室內(nèi)完成熱熔連接。U型管成品在埋入地源孔前均應(yīng)帶防陽(yáng)光保護(hù)套。集合管采用PE100聚乙烯管熱熔連接，連接后直至回填土前均應(yīng)帶防陽(yáng)光保護(hù)套。垂直埋管系統(tǒng)成品加工完成直至使用前必須以系統(tǒng)工作壓力的水充入密封以防止外部沖擊。鉆孔結(jié)束并下放好垂直地埋管后隨即用膨潤(rùn)土和細(xì)沙的混合物回填，回填物膨脹凝固需24h以上此前嚴(yán)禁下一步施工。埋管完成后分別對(duì)地埋管組和系統(tǒng)做充水耐壓和嚴(yán)密性試壓檢漏，試驗(yàn)壓力及其測(cè)試要求按GB50366的4.5節(jié)相關(guān)內(nèi)容執(zhí)行。試驗(yàn)結(jié)束后將管內(nèi)水降壓至工作壓力密封至使用前檢查地埋管系統(tǒng)不漏后才能泄壓。圖7為垂直埋管平面布置圖，根據(jù)巖土熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告結(jié)果冬季工況單位換熱量按照40w/m計(jì)算，以釋熱量與吸熱量平衡為基本原則，按冬季熱負(fù)荷定地埋管鉆孔根數(shù)，依據(jù)當(dāng)?shù)氐乜辟Y料，考慮部分鉆孔不成功或管路不通情況預(yù)留1.1的安全系數(shù)，最后設(shè)計(jì)鉆孔240個(gè)，孔徑130mm，孔間距4.5m，孔深度82m，孔內(nèi)換熱單元管為DN32的HDPE100單U管，水平埋管采用同程式布置。

3 系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)及社會(huì)環(huán)境效益分析

圖7 垂直埋管平面圖

系統(tǒng)配備了實(shí)時(shí)能效顯示系統(tǒng)，可對(duì)系統(tǒng)能耗進(jìn)行監(jiān)控和采集，實(shí)時(shí)分析能效比、費(fèi)效比、系統(tǒng)節(jié)能量和減排量，為整個(gè)海鹽縣地源熱泵技術(shù)的推廣提供了先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和良好的示范效果。項(xiàng)目于2012年12月投入運(yùn)行，至今運(yùn)行情況良好，節(jié)能效果顯著，采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中有效數(shù)據(jù)，制作整理2013.5月到2014.1月地源熱泵螺桿機(jī)組實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)中，主機(jī)側(cè)進(jìn)出口溫度曲線圖如圖8、圖9及圖10所示。

圖8 2013.5-2013.7月主機(jī)側(cè)進(jìn)出水溫度

圖9 2013.8-2013.10月主機(jī)側(cè)進(jìn)出水溫度

圖10 2013.12-2014.1月主機(jī)側(cè)進(jìn)出水溫度

根據(jù)建設(shè)部2005年4月4日出臺(tái)的《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，節(jié)能“基準(zhǔn)建筑”是“20世紀(jì)80年代改革開(kāi)放初期建造的公共建筑”，按該地區(qū)公共建筑傳統(tǒng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在保證一般房間冬天20攝氏度、夏天25攝氏度的條件下，采暖熱源設(shè)定燃煤鍋爐，其效率為0.55；空調(diào)冷源設(shè)定為水冷機(jī)組，螺桿機(jī)組能效比3.8，計(jì)算出一個(gè)全年采暖、空調(diào)能耗，以此作為基礎(chǔ)能耗，視為100%。參考建筑設(shè)計(jì)若方案為普通VRF空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)能效比（制熱COP為3.0左右，制冷EER為3.2左右）。實(shí)際地源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)夏季制冷EER最高可達(dá)5.0，冬季制熱COP最高可達(dá)4.2。

按我國(guó)目前發(fā)電能力，每發(fā)一kWh電，需消耗標(biāo)煤0.35kg，產(chǎn)生排放見(jiàn)表2，推計(jì)算得出客運(yùn)中心采用復(fù)合式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)所帶來(lái)的實(shí)際環(huán)境效益見(jiàn)表3。按照商業(yè)用電0.955元/kWh計(jì)算，2012.12～2014.3月正式投入使用期間節(jié)省電能約為52.7萬(wàn)元。

表2 每1kwh電與排放物間折算

表3 系統(tǒng)運(yùn)行能耗統(tǒng)計(jì)（2012.12～2014.3）

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)浙江省海鹽客運(yùn)中心的空調(diào)系統(tǒng)項(xiàng)目，探討分析了采用復(fù)合式地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)方式，地源熱泵與冷卻塔散熱系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合。經(jīng)過(guò)單點(diǎn)巖土熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)確定土壤層初始平均溫度、地下水平均水溫，溫度流量等計(jì)算獲得巖土熱物性值，最后復(fù)核確定垂直埋管根數(shù)及管深。系統(tǒng)自運(yùn)行日起狀況穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯。相比傳統(tǒng)的VRF空調(diào)系統(tǒng)，投資略高，但年節(jié)省電量約為33萬(wàn)KWh，折合標(biāo)準(zhǔn)煤可節(jié)省約115t，減少二氧化碳、二氧化硫、煙塵等排放約500t左右，從而使地源熱泵系統(tǒng)潛在的社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益得以全面體現(xiàn)。

[1]胡平放，於仲義，孫啟明，等.地埋管地源熱泵系統(tǒng)冬季運(yùn)行試驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械，2009，37（1）：59～63.

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Application of GSHP Hybrid System in Haiyan Passenger Transport Center

HOU Jian-song1，CHEN Jin-hua2
（1.Zhejiang Construction Investment Group Corporation，Ltd，Hangzhou 310012，China；2.Zhejiang Province Institute of Architectural Design and Research，Hangzhou 310006，China）

Based on the project of Zhejiang Haiyan Passenger Transport Center，analyze and introduce its air conditioning system scheme，elaborate the designation and application of ground-source heat pump system.Combined with the practical implementation of 2012-2014 between the terminal operating conditions，comparative analysis shows compared to VRF air conditioning system，the joint operation system of GSHP and cooling tower water system is more efficient can save more energy.

ground-source heat pump；thermal balance；geotechnical thermal properties；passenger transport center

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.01.016

TU831

B

2095-3429（2015）01-0066-05

2015-01-06

修回日期：2015-03-18

侯建松（1971-），男，江蘇人，本科，高級(jí)工程師，副總工程師。