大型公共建筑復(fù)合式地源熱泵熱物性測(cè)試及方案設(shè)計(jì)

胡金強(qiáng)，陳建萍，范鍵兵

（1-英格索蘭（中國）投資有限公司，上?！?00051；2-挪信能源技術(shù)（上海）有限公司，上海　200072；3-上海東方低碳科技產(chǎn)業(yè)股份有限公司，上?！?00031）

大型公共建筑復(fù)合式地源熱泵熱物性測(cè)試及方案設(shè)計(jì)

胡金強(qiáng)*1，2，陳建萍3，范鍵兵2

（1-英格索蘭（中國）投資有限公司，上海200051；2-挪信能源技術(shù)（上海）有限公司，上海200072；3-上海東方低碳科技產(chǎn)業(yè)股份有限公司，上海200031）

通過地源熱泵熱物性測(cè)試和逐時(shí)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行了地埋管換熱器設(shè)計(jì)、冷卻塔選型以及機(jī)房設(shè)計(jì)。熱物性測(cè)試結(jié)果表明，平均地溫為21.97 ℃，平均導(dǎo)熱系數(shù)為2.76 W/m·K；在管內(nèi)流速0.43 m/s，進(jìn)/出水溫35/30 ℃的散熱工況下，平均每延米換熱量為57.51 W/m；相同流速、進(jìn)/出水溫為7/12 ℃的取熱工況下，平均每延米換熱量為68.27 W/m。

復(fù)合式地源熱泵；方案設(shè)計(jì)；公共建筑；熱物性測(cè)試

0　引言

地源熱泵系統(tǒng)是以巖土、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)［1］。地源熱泵系統(tǒng)屬于可再生能源利用技術(shù)，具有高效節(jié)能、低運(yùn)行成本和良好的社會(huì)環(huán)保效益等優(yōu)點(diǎn)，尤其應(yīng)用于大型公共建筑節(jié)能潛力巨大［2-5］。但是和傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比，地源熱泵系統(tǒng)也存在一些不足，比如：初投資較高；系統(tǒng)存在熱平衡問題；且需要打孔場(chǎng)地。這些不足在某種程度上局限了其應(yīng)用。于是針對(duì)這些問題，例如夏熱冬冷地區(qū)的大型公共建筑，為減少初投資、減少地埋管鉆孔數(shù)目及解決地源熱泵系統(tǒng)熱平衡問題，就采用了復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)。

1　項(xiàng)目概況

該工程位于廣西，總建筑面積105，965 m2。其中大劇院為地上6層，地下2層，高45 m，建筑面積19，500 m2；圖書館為地上6層，高26.5 m，無地下室，建筑面積32，475 m2；博物館地上4層，無地下室，高30 m，建筑面積34，195 m2；在院、館、塔之間建設(shè)一層文化廣場(chǎng)。由負(fù)荷計(jì)算得到，總冷負(fù)荷為9，980.3 kW，總熱負(fù)荷為6，197.6 kW。經(jīng)甲方要求，建成以地源熱泵作為冷熱源的集中供冷暖系統(tǒng)。

2　熱物性測(cè)試試驗(yàn)

2.1地質(zhì)勘測(cè)

該工程位于廣西某地區(qū)，屬典型喀斯特地貌，地下有溶洞發(fā)育。根據(jù)地勘報(bào)告，由于巖溶作用的影響，石灰?guī)r中淺層巖溶較發(fā)育，其形態(tài)主要有溶溝、溶槽、溶蝕裂隙及溶洞等。巖溶發(fā)育的平面分布圖見圖1。

根據(jù)所鉆570個(gè)灰?guī)r鉆孔統(tǒng)計(jì)，遇溶洞、“鷹嘴巖”的鉆孔為67個(gè)，洞高（0.2～12.8）m，遇洞率11.8%，線溶率為3.6%，說明場(chǎng)地屬巖溶較發(fā)育區(qū)。

勘察表明，擬建場(chǎng)地巖土大體可分3層。粉質(zhì)粘土（Q2al）含漂石粉質(zhì)粘土和漂石，下伏第三系新余群南雄組（Exn）全風(fēng)化殘積土、強(qiáng)中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，泥質(zhì)粉砂巖，自地面向下各層情況如下所述：

第一層雜填土、耕土、淤泥、粉質(zhì)粘土層，該層的厚度為（0.2～4）m，該層全場(chǎng)分布；

第二層石灰?guī)r層，該層厚度為（3～80）m，平均層厚56 m，本層未發(fā)現(xiàn)溶洞，該層全場(chǎng)分布；

第三層白云石及白云石膠結(jié)物，本層含大量溶洞。

在4口勘察井中，有1口勘察井在（60～65）m，（85～90）m深度揭穿溶洞，溶洞高度5 m；1口勘察井在（90～95）m深度揭穿溶洞，高度5 m；溶洞內(nèi)含水量（地下水）極大，有利于地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)換熱，該層全場(chǎng)分布。

圖1　巖溶發(fā)育的平面分布圖

2.2熱響應(yīng)測(cè)試裝置

熱響應(yīng)測(cè)試法［6］最早由Mogensen于1983年提出［7］，用來在現(xiàn)場(chǎng)確定地埋管換熱器周圍巖土的導(dǎo)熱系數(shù)和換熱孔熱阻。測(cè)試原理是通過傳熱介質(zhì)在土壤熱交換器循環(huán)，在給定的放熱量和取熱量條件下連續(xù)記錄流體的進(jìn)出口溫度，并根據(jù)溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律推知土壤的導(dǎo)熱系數(shù)和換熱孔熱阻。該方法已經(jīng)在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用于地源熱泵地埋管換熱系統(tǒng)的熱工性能測(cè)試之中［8］。巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試儀見圖2，其技術(shù)參數(shù)見表1。

2.3熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

表2為熱響應(yīng)測(cè)試試驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)井埋管的施工與安裝數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目共測(cè)試3口換熱井，均為雙U De25型PE管，100 m深。經(jīng)測(cè)試，平均地溫為21.97 ℃，平均導(dǎo)熱系數(shù)為2.76 W/m·K，在管內(nèi)流速0.43 m/s，進(jìn)/出水溫35/30℃的散熱工況下，平均每延米換熱量為57.51 W/m；相同流速，進(jìn)/出水溫為7/12℃的取熱工況下，平均每延米換熱量為68.27 W/m。

圖2　巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試儀

表1　熱物性測(cè)試儀的技術(shù)參數(shù)

表2　實(shí)驗(yàn)井埋管的施工與安裝數(shù)據(jù)

3　地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)是本土壤源熱泵系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，主要包括地下埋管換熱器形式的選擇，管徑、管長、鉆孔數(shù)目、冷卻塔容量的確定。

根據(jù)甲方的需求與當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，采用垂直式地埋管地源熱泵系統(tǒng)，地埋管換熱器有效埋深為100 m的雙U形，管材選用公稱外徑為25 mm的高密度聚乙烯（HDPE100）換熱管，地埋管換熱器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將根據(jù)水文地質(zhì)勘察資料、熱物性測(cè)試報(bào)告以及及建筑物的動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果進(jìn)行。

3.1夏季、冬季土壤最大釋熱量與吸熱量

夏季最大釋熱量：

式中：

Qs——夏季向土壤中最大釋熱量，kW；

QL——夏季總冷負(fù)荷，kW；

EER——夏季的能效比，取4.7。

冬季最大吸熱量：

式中：

Qx——冬季從土壤中最大吸熱量，kW；

QR——冬季總熱負(fù)荷，kW；

COP——冬季的供熱系數(shù)，取4.0。

依據(jù)式（1）、（2）可計(jì)算得夏季向土壤放熱與冬季從土壤吸熱量分別為12，103.8 kW與4，644.5 kW。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可以看出，冬夏季地源熱泵系統(tǒng)的取熱量和散熱量差距較大，考慮到該地區(qū)空調(diào)系統(tǒng)夏季運(yùn)行時(shí)間長，冬季運(yùn)行時(shí)間短的特點(diǎn)，全年總?cè)崃窟h(yuǎn)小于全年的散熱量，因此僅利用地埋管換熱器取熱、散熱無法達(dá)到地源側(cè)的熱平衡要求，需采用復(fù)合型地源熱泵系統(tǒng)。結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，采用按冬季熱負(fù)荷配置地埋管換熱器，夏季利用冷卻塔調(diào)峰散熱的方案。

3.2換熱井?dāng)?shù)的確定

從熱物性測(cè)試試驗(yàn)來看，測(cè)試工況是在單口井短時(shí)間換熱條件下測(cè)得的換熱能力，項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行過程中是許多口井同時(shí)換熱的狀態(tài)，考慮到相互干擾及長期運(yùn)行的因素，本工程按冬季標(biāo)準(zhǔn)工況（供/回水溫7/12℃，管內(nèi)流速0.4 m/s）下每延米取熱量60 W，夏季標(biāo)準(zhǔn)工況（供/回水溫35/30℃，管內(nèi)流速0.4 m/s）下每延米散熱量55 W計(jì)算。根據(jù)冬季地埋管換熱系統(tǒng)的取熱量4，644.5 kW進(jìn)行地埋管井計(jì)算（根據(jù)熱物性測(cè)試結(jié)果，考慮裕量，按冬季按每延米取熱量60 W計(jì)）。故本工程共需換熱管（雙U型）長度為：

式中：

L——地埋管鉆孔總深度，m；

q——冬季每延米吸熱量，W/m。

按照有效井深100 m考慮，計(jì)算結(jié)果為打井774口，考慮10%的裕量，共需打井852口。鉆孔有效深度100 m，雙U型De25換熱井，打孔間距5米，孔徑一般為（160～180）mm。選用地源熱泵專用高密度聚乙烯管HDPE，額定承壓能力為1.6 MPa，聯(lián)接方法為熱熔聯(lián)接。水平地埋管埋深為室外地面下1.5 m，采用雙U型埋管并聯(lián)連接，地埋管井位布置圖、一級(jí)和二級(jí)集分水器布置圖分別見圖3、圖4和圖5。

圖3　地埋管井位布置圖

圖4　一級(jí)集分水器布置圖

圖5　二級(jí)集分水器布置圖

3.3輔助冷卻塔容量的確定

1）冷卻塔容量的確定

ASHRAE在1995年給出的推薦設(shè)計(jì)方法［9］：

式中：

QRej——輔助冷卻塔設(shè)計(jì)排熱量，kW；

QTot，Rej——設(shè)計(jì)供冷月散熱總量，kW·h；

QLoop，Rej——通過地埋管排放到土壤中的設(shè)

計(jì)供冷月散熱量，kW·h；

Hours——設(shè)計(jì)供冷月時(shí)間，h。

本工程中QTot，Rej為7，701，492 kW·h，QLoop，Rej為2，817，772 kW·h，Hours為300 h（30×10），代入式（4）中得QRej為8，139.5 kW。

2）冷卻塔選型

根據(jù)QRej計(jì)算得出冷卻塔的水流量G=0.86× QRej/Δt=1，400 m3/h，選擇8臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)水量為175 m3/h的模塊閉式冷卻塔。

4　地源熱泵機(jī)房設(shè)計(jì)

根據(jù)逐時(shí)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，本工程空調(diào)熱負(fù)荷6，197.6 kW，冷負(fù)荷9，980.3 kW，確定采用地源熱泵SSHR-280主機(jī)37臺(tái)，每臺(tái)地源熱泵主機(jī)的制冷量為270 kW，能效比為4.7；每臺(tái)地源熱泵主機(jī)制熱量為311 kW，能效比為4.0。夏季空調(diào)冷凍水供/回水溫度為7/12℃，地埋側(cè)供/回水溫度為30/35℃。冬季空調(diào)熱水供/回水溫度為40/45℃，地埋側(cè)供/回水溫度為10/5℃。

由于圖書館、大劇院、博物館使用空調(diào)時(shí)間和頻率存在差異，為提高空調(diào)系統(tǒng)的使用效率，降低運(yùn)行能耗，設(shè)置一個(gè)集中的冷熱機(jī)房。考慮地埋管換熱系統(tǒng)取熱與散熱平衡的因素，地埋管換熱器按冬季負(fù)荷配置，根據(jù)熱負(fù)荷數(shù)據(jù)來配置與地埋管換熱器相匹配的地源熱泵主機(jī)用于冬季空調(diào)采暖；夏季負(fù)荷超出部分另外配置主機(jī)及冷卻塔。為了保證機(jī)組可以互相備用及切換，選用同一型號(hào)的37臺(tái)主機(jī)。同時(shí)選用8臺(tái)閉式冷卻塔，一方面可以避免開式冷卻塔水系統(tǒng)中的雜質(zhì)導(dǎo)致地源熱泵主機(jī)效率下降，另一方面也可實(shí)現(xiàn)閉式冷卻塔與地埋管系統(tǒng)的并聯(lián)與切換。機(jī)房平面布置圖見圖6。

圖6　機(jī)房平面布置圖

5　結(jié)論

本文提出夏季采用冷卻塔作為地源熱泵輔助冷源的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)，其應(yīng)用于我國南方地區(qū)的實(shí)際工程中能有效解決土壤熱失衡問題，保證地下土壤冬夏季取排熱平衡，提高機(jī)組的運(yùn)行效率，降低初投資和運(yùn)行費(fèi)用，減少鉆孔數(shù)目與打孔場(chǎng)地，有利于地源熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定高效的運(yùn)行。本項(xiàng)目為廣西及同類地質(zhì)條件下大型公共建筑采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的熱物性測(cè)試、地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)等積累了可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

［1］武曈，劉鈺瑩，董喆，等.地源熱泵的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.制冷技術(shù)，2014，34（4）∶71-75.

［2］湯志遠(yuǎn)，丁國良，胡海濤.我國地源熱泵技術(shù)研究進(jìn)展和產(chǎn)業(yè)發(fā)展探討［J］.制冷技術(shù)，2009，29（3）∶6-14.

［3］何耀東，孟震.地源熱泵中央空調(diào)的多種設(shè)計(jì)方案及其特性分析［J］.制冷技術(shù)，2009，29（2）∶7-11.

［4］張旭，王松慶，劉俊.世博軸及地下綜合體工程地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性模擬研究［J］.制冷技術(shù)，2010，30（S1）∶13-16.

［5］鄧軍，熊渝興，黃鍵良.淺談可再生能源在我國的發(fā)展［J］.能源與環(huán)境，2009（02）∶100-101.

［6］王灃浩，顏亮，馮琛琛，等.地源熱泵巖土熱響應(yīng)測(cè)試影響因素分析［J］.制冷技術(shù)，2012，32（2）∶1-5.

［7］MOGENSEN P.Fluid to duct wall heat transfer in duct system heat storages［C］//Proc Int Conf on Subsurface Heat Storage in Theory and Practice，Sweden，1983（6-8）∶652- 657.

［8］AUSTIN W，YAVUZTURK C，SPITLER J D.Development of an Insitu system for measuring ground thermal properties［J］.ASHRAE Transactions，2000，106（1）∶365-379.

［9］ASHRAE.Commercial/institutional ground source heat pump engineering manual［M］.Atlanta∶American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Inc.，1995.

Thermal Properties Test and Scheme Design of Hybrid Ground Source Heat Pump in a Large Scale Public Building

HU Jin-qiang1，2，Chen Jian-ping3，F(xiàn)an Jian-bin2
（1-Ingersoll-Rand（China）Investment Co.，Ltd，Shanghai 200051，China；2-NuoXin Energy Technology（Shanghai）Co.，Ltd，Shanghai 200072，China；3-Shanghai East Low Carbon Technology Industry Co.，Ltd，Shanghai 200031，China）

Depending on the results of thermal properties test on ground source heat pump and hourly load calculation，underground heat exchanger，selection of cooling tower and machinery room are designed.Thermal property test results show that the average ground temperature is 21.97oC，the average thermal conductivity of soil is 2.76 W/m·K，when the flow rate is 0.43m/s in the pipe，the average per meter test hole of heat exchange is 57.51 W/m under the cooling condition of the inlet/outlet water temperature for 35/30oC and the average heat exchange is 68.27 W/m under the heating condition of the inlet/outlet water temperature for 7/12oC with the same flow rate in the pipe.

Hybrid ground source heat pump；Scheme design；Public building；Thermal properties test

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.207

*胡金強(qiáng)（1980-），男，工程師，碩士。研究方向：地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化與建筑節(jié)能。聯(lián)系地址：上海市仙霞路99號(hào)9樓，郵編：200051。E-mail：hujinqiang88@126.com。