劉沖

（西安鐵一院工程咨詢監(jiān)理有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065）

地源熱泵系統(tǒng)是以巖土體、地下水或地表水為低溫?zé)嵩?，由水源熱泵機(jī)組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)根據(jù)地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。本文就地埋管地源熱泵系統(tǒng)在某市某軌道交通車輛基地綜合樓中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

1 工程概況

某市地鐵車輛基地綜合樓工程空調(diào)系統(tǒng)，本項(xiàng)目為地鐵車輛基地綜合樓，地上11層，地下1層建筑，建筑高44.25m，建筑總面積約為22545m2，由會(huì)議室、培訓(xùn)室、辦公用房、設(shè)備用房等組成。

2 綜合樓空調(diào)系統(tǒng)冷熱源設(shè)計(jì)

該綜合樓位于市區(qū)，綜合樓夏季空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷綜合最大值1671kW，按空調(diào)區(qū)域面積，冷負(fù)荷計(jì)算指標(biāo)：169W/m2。冬季空調(diào)總熱負(fù)荷：821kW,熱負(fù)荷計(jì)算指標(biāo)：83W/m2。

根據(jù)本工程的場(chǎng)地條件、地質(zhì)勘察結(jié)果和地埋管換熱系統(tǒng)實(shí)施的可行性和經(jīng)濟(jì)性，最終選擇綜合樓中央空調(diào)系統(tǒng)冷熱源采用兩臺(tái)雙工況（制冷、制熱）地源熱泵機(jī)組+一臺(tái)螺桿式冷水機(jī)組（單冷）組合的復(fù)合能源方式。夏季工況：制冷量Q=554kW,冷凍水量95m3/h,冷卻水量119m3/h。冬季工況：制熱量Q=577kW；熱水量119m3/h，熱源水量95m3/h。螺桿式主機(jī)制冷量810.4kW，冷凍水量125.5m3/h，冷卻水量143.9m3/h。以滿足冬季供熱量為基準(zhǔn)選擇地埋管地源熱泵機(jī)組，夏季由地源熱泵機(jī)組+螺桿式冷水機(jī)組向辦公樓提供冷源，冬季由地源熱泵機(jī)組向綜合樓提供熱源。

3 地埋管換熱器的設(shè)計(jì)

3.1 地埋管的設(shè)置區(qū)域

本車輛基地綜合樓的室外地埋管區(qū)域設(shè)置在綜合樓南側(cè)綠地、食堂西側(cè)綠地和足球場(chǎng)東側(cè)綠地。該區(qū)域具有較好的埋管場(chǎng)地條件。冷水機(jī)組配置兩臺(tái)冷卻塔散熱，地源熱泵配置地埋管換熱器及冷卻塔加板式熱交換器。通過(guò)采取單獨(dú)配置一臺(tái)冷水機(jī)組，地源熱泵配置冷卻塔加板式熱交換器兩個(gè)措施來(lái)平衡全年土壤的吸熱量與釋熱量，保持土壤的熱平衡。

地源熱泵機(jī)組夏季從地埋管或冷卻塔取水，冬季從地埋管取水，機(jī)房?jī)?nèi)通過(guò)閥門切換，向辦公樓末端提供冷熱水。地埋管換熱系統(tǒng)聚乙烯（PE）管材及管件用于制冷機(jī)房主機(jī)冷卻水與土壤的熱交換，夏季從土壤取冷，冬季從土壤取熱，且保證土壤全年的熱平衡。

3.2 地埋管換熱量的取值

對(duì)于地埋管地源熱泵系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)而言，最關(guān)心的是地埋管換熱系統(tǒng)的換熱能力，這主要反映在地埋管換熱器深度范圍內(nèi)的綜合巖土導(dǎo)熱系數(shù)和綜合比熱容兩個(gè)參數(shù)上，是一個(gè)反映了巖土、地下水流等因素影響的綜合值。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和差異性，因此必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)和綜合比熱容等巖土熱物性參數(shù)。

在試驗(yàn)測(cè)得巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)和巖土初始平均溫度的基礎(chǔ)上，結(jié)合地埋管換熱器鉆孔回填材料、鉆孔直徑、埋管類型（單/雙U）、埋管間距、運(yùn)行份額、運(yùn)行工況下地埋管中傳熱介質(zhì)設(shè)計(jì)平均溫度、運(yùn)行時(shí)間等條件，計(jì)算得出測(cè)試條件下地埋管換熱器單位孔深換熱量參考值，作為后期設(shè)計(jì)和施工的依據(jù)。

通過(guò)對(duì)本工程地埋管設(shè)置區(qū)域進(jìn)行巖土熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)（熱物性實(shí)驗(yàn)）結(jié)果及建議如下：

3.2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)

工作區(qū)0～3.6m為素填層，1.4～11m為粉質(zhì)黏土，4.1～16.5m為園礫層（厚度為1.5～3.6），6.4～18m為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，11.1～100m中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，鉆探較易。工作區(qū)100m以淺地層平均初始溫度為20.3℃，溫度變化19.6～21.9℃。

通過(guò)對(duì)五個(gè)測(cè)試孔進(jìn)行穩(wěn)定熱流測(cè)試，巖土體平均導(dǎo)熱系數(shù)λ為1.81W/(m·K)。具體數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 測(cè)試孔導(dǎo)熱系數(shù)表

說(shuō)明：該數(shù)值受外界因素影響可能存在一定的偏差，由于地層的復(fù)雜性，該數(shù)值只對(duì)該項(xiàng)目有效，對(duì)周邊地區(qū)進(jìn)行土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)不具有參考價(jià)值。

通過(guò)穩(wěn)定工況（模擬夏季工況下，地埋管換熱器進(jìn)水溫度為35℃）計(jì)算，在流量為1.0m3/h時(shí)，得到單位深度每延米換熱量為49W/m。

本項(xiàng)目工作區(qū)巖土綜合比熱容為2296kJ/(m3·K)。

3.2.2 建議

由于系統(tǒng)建成運(yùn)行后，測(cè)試孔區(qū)域地層溫度會(huì)發(fā)生變化，對(duì)周邊地層的溫度場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生一定影響，為了能夠使系統(tǒng)安全和穩(wěn)定地運(yùn)行，應(yīng)設(shè)置1～5個(gè)地質(zhì)環(huán)境觀測(cè)孔，記錄測(cè)試孔區(qū)域及周圍地層溫度場(chǎng)的變化情況。地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，工程管理人員應(yīng)做好地源熱泵機(jī)組的運(yùn)行記錄，并及時(shí)注意觀測(cè)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)孔內(nèi)的溫度變化情況。

通過(guò)測(cè)試計(jì)算得出了布管區(qū)域內(nèi)初始溫度為20.3℃，巖土體平均熱導(dǎo)熱系數(shù)λ為1.81W/（m·K），巖土綜合比熱容為2296kJ/(m3·K)，對(duì)比《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》GB50366-2005（2009年版）中推薦的每延米換熱量值（見表2），區(qū)內(nèi)計(jì)算結(jié)果基本一致，建議在今后地埋管熱泵系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)或施工中，充分考慮管徑、埋管間距、建筑物功能、主機(jī)選擇以及運(yùn)行策略、水力平衡、負(fù)荷變化、預(yù)算等因素。

表2 地埋管換熱指標(biāo)推薦值

根據(jù)車輛基地綜合樓的總平面圖、現(xiàn)場(chǎng)情況、建筑冷熱負(fù)荷特點(diǎn)及地下管線情況,參考巖土熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)熱物性報(bào)告，進(jìn)行地埋管井布點(diǎn)設(shè)計(jì)。

本工程共設(shè)置總井?dāng)?shù)300口，鉆孔直徑為130mm，地埋井埋管有效深度為100m，地下鉆孔之間間距大部分為5×5m，部分為3.5×3.5m。鉆孔布置共分為3個(gè)區(qū)。室外地埋管示意圖如圖1。

圖1

地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用垂直雙U型豎直埋管，垂直埋管群井均布于建筑物地外綠化帶內(nèi)。垂直U型管形式為雙U型De25管，其材質(zhì)與規(guī)格為：SDR11系列聚乙烯(PE100），外徑與壁厚為D25×3.0mm。水平埋管材質(zhì)與規(guī)格為：聚乙烯(PE100），外徑與壁厚位D110×10.0mm。

土壤換熱器循環(huán)水設(shè)計(jì)溫度夏季為30/25℃，冬季為5/10℃，冬季空調(diào)熱負(fù)荷由地埋管換熱系統(tǒng)承擔(dān)。夏季采用地埋管換熱系統(tǒng)為主排熱，冷卻塔為輔助排熱，冷卻塔主要承擔(dān)是土壤源熱平衡作用。

地埋管換熱器內(nèi)循環(huán)介質(zhì)采用水，不加防凍劑，工作溫度應(yīng)在0～40℃范圍內(nèi)。豎直地埋管換熱器U型管的組對(duì)長(zhǎng)度應(yīng)能滿足插入鉆孔后與環(huán)路集管連接的要求，組對(duì)好的U型管的兩開口端部，應(yīng)及時(shí)密封。供、回水集管的間距不小于0.6m。

室外地埋管換熱器環(huán)路的水平管均采用同程式連接至室外集分水器，每個(gè)環(huán)路均需設(shè)球閥，各區(qū)室外集水器與空調(diào)機(jī)房集水器相連的集合管段上設(shè)溫度計(jì)與平衡閥，室外分集水器需裝排氣閥并嚴(yán)禁出現(xiàn)倒流現(xiàn)象。水平管埋深標(biāo)高為所在區(qū)地面高度-2m。

4 結(jié)語(yǔ)

本工程采用地埋管地源熱泵應(yīng)用有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）經(jīng)濟(jì)性。綜合樓一般設(shè)置軌道交通車輛基地場(chǎng)段內(nèi)中，室外室外的綠地具有較好的埋管場(chǎng)地條件。地埋管地源熱泵的應(yīng)用能夠解決場(chǎng)段內(nèi)冷卻塔的設(shè)置問(wèn)題，從一定程度上減少對(duì)外界噪聲污染以及地面景觀因素的影響。同時(shí)，采用地埋管地源熱泵時(shí)也具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）節(jié)能性。冬夏季熱泵機(jī)組能效比高，運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的空氣源熱泵系統(tǒng)。同時(shí)地埋管熱交換器不需要除霜，減少了結(jié)霜和除霜的能耗。

（3）可再生性。土壤有較好的蓄熱性能，冬季通過(guò)熱泵從土壤中吸熱，同時(shí)釋放冷量，夏季通過(guò)熱泵將吸收冷量，釋放熱量，保證打底熱量的平衡。