土壤源熱泵在揚州某五星級酒店中的設(shè)計探討

朱志軍，常 澄

1 工程概況

該項目位于江蘇省揚州市西區(qū)四望亭路與揚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：車庫、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。

該項目商業(yè)、酒店原設(shè)計采用夏季用水冷螺桿機制取空調(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)過反復(fù)調(diào)研和認真考慮，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，一套主機冬夏兩用；常年采用專用土壤源熱泵機組提供生活熱水。這樣，既能保持整個系統(tǒng)節(jié)能高效，響應(yīng)國家能源政策；又能體現(xiàn)該建筑綠色環(huán)保的特點。

本文重點總結(jié)了該設(shè)計過程中的一些經(jīng)驗和不足，供設(shè)計同仁參考和借鑒。

2 地埋管換熱系統(tǒng)勘查和設(shè)計

查《江蘇省環(huán)境水文地質(zhì)圖集》，該項目場地位于寧鎮(zhèn)揚丘陵崗地區(qū)與長江沖積平原區(qū)的過渡地帶，地貌類型屬河漫灘平原。場地在鉆探深度范圍內(nèi)所揭示的地層均為第四紀松散沉積物，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40m，故業(yè)主先期委托揚州大學(xué)能源與動力工程學(xué)院對該地塊土壤的熱物理性能進行了測試。因為土壤是一個由固態(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)的研究中采用的簡單的復(fù)合不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，將水分和空氣的輸運過程作用歸結(jié)為一導(dǎo)熱系數(shù)的附加值來描述土壤中的熱質(zhì)耦合的作法顯然會帶來較大的誤差，相應(yīng)的結(jié)果土壤源熱泵的埋地換熱器的尺寸偏大，熱泵裝置的初投資加大(埋地換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)試驗的條文，主要目的是測定土壤的以下幾個參數(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，以便進行土壤換熱器的設(shè)計計算，對單位延米換熱量修正后直接用于換熱器工程設(shè)計[1]。該場地位于城市中心商業(yè)區(qū)，場地面積狹小，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)試驗得出的結(jié)論如下：

⑴項目所在地土壤初始平均溫度約為18.2℃-18.5℃。

⑵通過恒熱流法現(xiàn)場熱響應(yīng)測試可得項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)計參考及系統(tǒng)長期運行時土壤熱平衡校核計算的依據(jù)。

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

⑷根據(jù)測試得到的巖土熱物性值，采用地下?lián)Q熱器專用軟件計算可得，在管道流速控制在0.4m/s-0.6m/s之間，夏季進水溫度30℃-35℃之間，冬季在5℃-10℃之間的條件下，對于本工程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。

地下室功能為汽車庫，自行車庫，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，分A，B，C，D四個區(qū)域分別布置了72口、73口、58口和59口換熱井，每個區(qū)域布置了兩個窗井，這樣每個窗井內(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，這主要因為是砂土結(jié)構(gòu)井壁很容易坍塌，為此必須使用大量的膨潤土護井，膨潤土的比例甚至大于10%[2]。在該地區(qū)回填此材料一般為膨潤土和細砂或膨潤土和水泥的混合漿，相關(guān)文獻的試驗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)性能測試發(fā)現(xiàn)回填材料黃沙+膨潤土的傳熱能力優(yōu)于水泥漿+膨潤土：散熱能力為在地埋管進水溫度35℃時，前者高于后者11%；取熱能力在進水溫度5℃時高5%左右；采用黃沙+膨潤土的地埋管可比采用水泥漿+膨潤土的地埋管提供更大的進出口溫度。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%膨潤土加90%中細砂制作的復(fù)合回填料，導(dǎo)熱系數(shù)不小于孔壁導(dǎo)熱系數(shù)?；靥顟?yīng)反復(fù)進行，直至填實。

3 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

本項目集中地源熱泵系統(tǒng)的總冷負荷大于總熱負荷，又因為制冷工況運行時間大于制熱運行時間，以至于放熱量遠遠大于取熱量，長期運行后，地下土壤/巖石溫度將逐漸上升（術(shù)語稱為熱堆積），制冷工況下的放熱功率會呈現(xiàn)衰減的趨勢，系統(tǒng)制冷工況的出力勢必會越來越小，當(dāng)?shù)叵聹囟壬仙揭欢ǔ潭葧r，系統(tǒng)便無法運行。因此完全采用土壤熱泵系統(tǒng)供冷供熱不能滿足長期運行的需要，需有其他輔助的方式來進行調(diào)節(jié)，才能保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。該工程一是采用復(fù)合型冷源解決這個問題，土壤換熱器滿足冬季100%負荷，夏季采用冷卻塔進行輔助冷卻保持土壤熱平衡。二是考慮熱回收，本酒店有標準客房180間，有全年的熱水需求，因此考慮2臺地源熱泵高溫?zé)崴畽C組提供全年24小時60℃衛(wèi)生熱水，這樣也能解決熱平衡問題（見表1）。

表1 用水統(tǒng)計結(jié)果表

總計如下：小時用水量：10.44(m3/h)，設(shè)計小時耗熱量：596743.94 W。按照建筑給水排水設(shè)計規(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，實際設(shè)計18m3，兩個容積為9m3的蓄熱水罐。

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

這里生活熱水的熱回收采用“系統(tǒng)熱回收”，即專門配置高溫?zé)崴疅岜脵C組，與空調(diào)機組的地源側(cè)供、回水聯(lián)成一個大系統(tǒng)，根據(jù)空調(diào)機組夏季制冷、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題。

4 適宜性評價

這里對該系統(tǒng)做適宜性評價，評價體系見圖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

對于以電能驅(qū)動的熱泵系統(tǒng)和水冷冷水機組制冷系統(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——燃氣（或煤）耗量（m3）或（Kg）；

Qdw——燃氣（或煤）的低位發(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)的年運營費用（元/年）；

CB——常規(guī)冷熱源系統(tǒng)的年運營費用（元/年）；

標煤替代量：供熱季節(jié)標煤替代量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——標準煤的發(fā)熱值，29307 KJ。

按照上述公式得出結(jié)果見表2。

表2 投資回收期計算表

5 結(jié)語

地源熱泵空調(diào)在做好地質(zhì)資料詳細勘察和熱響應(yīng)試驗的前提下，做好地埋管系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計，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)運行的經(jīng)濟性和可靠性，帶來極大的社會效益和經(jīng)濟效益。在對土壤源熱泵空調(diào)實際運行經(jīng)驗總結(jié)的基礎(chǔ)上，條件許可時可大力推廣其實際工程應(yīng)用，為我國可再生能源利用和節(jié)能減排事業(yè)做出其獨特的貢獻。

[1]中國建筑科學(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[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

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