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更新時間：2019-02-23 
瀏覽次數：15008摘要 本文簡單介紹了垂直埋管式地源熱泵的工作原理，分析了一個應用垂直埋管式地源熱泵的工程實例。北京市某區某警衛*培訓基地改造工程原先冬季采用燃氣鍋爐利用散熱器供暖，夏季辦公樓采用分體空調，所有生活熱水由鍋爐房燃氣鍋爐提供，現改為垂直埋管式地源熱泵系統方案。本文概括介紹了其設計要點和關鍵技術，并通過與原冷熱源方案的對比，對地源熱泵系統進行了經濟性分析，指出垂直埋管式地源熱泵的優缺點及廣闊的應用前景。
關鍵詞 地源熱泵 工程實例 地埋管 節能
The application example and economy-analyze
of Ground- Source Heat Pump
Li Juan Beijing university of technology;
Kou Xiupei Beijing Institute of geo-exploration and Technique ;
Zhao Jiancheng Beijing university of technology
Abstract : This paper introduced the principle of ground- source heat pump system, take an engineering application for an example. This engineering is for some army base in Beijing, its formerly system is that, using radiators for heating in winter and using separation air-condition in summer and using gas fired boiler for hot water. Now the whole system was instead by ground- source heat pump system .This paper introduced its design plan and key technical and economical analysis of ground- source heat pump’s instance. In conclusion, pointing out the advantage and disadvantage of the ground- source heat pump, and it will have a broad future.
Key words: Ground- Source Heat Pump; the application example; pipe-underground; energy-saving
1 引言
以土壤為熱源的地源熱泵系統按地下埋管形式可以分為水平埋管、垂直埋管和蛇形埋管。其中垂直埋管式地源熱泵系統以其環保、穩定、節能、節省占地空間、低維護、運行費用低等優點成為一種值得研究與大力發展的可再生能源利用方式。
2 地源熱泵系統簡介
垂直埋地管式地源熱泵系統如下圖所示，即在地層中直接埋設高密度PE管，加入換熱液，通過換熱液循環系統，實現系統與地層的直接換熱。
系統由地下換熱部分（換熱孔）、能量轉換部分（機房系統）及能量釋放部分（空調末端部分）三部分組成。
圖1 原理簡圖 夏、冬季運行流程圖為：
冬季，系統將地表下恒溫土層中的低位熱能提高為高位熱能進而對建筑物進行供暖，同時在地表恒溫土層中貯存冷量，以備夏季制冷時用；夏季通過系統將建筑物內的熱量轉移到地表恒溫土層中，從而達到建筑物夏季制冷的要求，同時在大地中貯存熱量，以備冬季時用。
3 工程實例分析
3.1工程概況
北京市某區某警衛*培訓基地改造工程，由1#、2#、3#樓、禮堂、游泳館、宿舍樓、門診部、食堂、室內網球場、車庫等建筑組成?？偨ㄖ娣e約為3.6萬平方米，其中1#、2#、3#樓、禮堂、游泳館目前采用的是中央空調系統，宿舍樓、門診部、車庫等目前采用暖氣系統，東部為1.5萬平方米大型操練場。
原有建筑物冬季采用燃氣鍋爐利用散熱器供暖，夏季辦公樓采用分體空調；所有生活熱水由鍋爐房燃氣鍋爐提供。由于3臺150冷噸的燃氣鍋爐每年的運行費用都在400萬元以上，運行成本太大；另外根據北京市環保要求，決定于2005年4月將原來的鍋爐房進行改造，采用新型能源方式，同時也改善培訓人員的居住環境。
本文通過對此項目地源熱泵系統方案、施工進行較詳細的論述，為地源熱泵的進一步發展提供經驗。
3.2設計參數
3.2.1設計負荷：
冬季：采暖指標116W/m2，大采暖負荷為4176KW；
夏季：制冷指標116W/m2，大制冷負荷為4176KW；
3.2.2 游泳池加熱負荷：
根據游泳池的大小，以及室內游泳池的散熱等相關標準及規定，游泳池的大加熱負荷計算為240KW；
3.2.3 生活熱水用量：
1200人大生活熱水用量為120m3/天（50℃），全年供生活熱水，小時變化系數取2，則大小時所需要的生活熱水為10 m3/天（50℃）。生活熱水由自來水從10℃加熱到50℃，大小時加熱量為10m3/h，則生活熱水所需要的大加熱負荷為466KW；
3.2.4 空調使用時間：
夏季：5月1日到10月1日；
冬季：11月1日到次年4月1日
3.3技術方案
3.3.1綜述
本項目采用垂直埋管式的地源熱泵系統來提供所有建筑的冬季供暖和夏季制冷、以及全年生活熱水和游泳池用水的加熱。其中生活熱水由地源熱泵系統加熱后，通過生活熱水循環泵直接供給用戶。
3.3.2機組選型
選擇意大利克萊門特PSRHH3903型螺桿式地源熱泵機組3臺，其中1臺為全熱回收機組。其中全熱回收機組在供冷的同時，可以通過吸收空調系統中的廢熱來制取生活熱水。
空調水循環泵和地源側循環水泵各選三臺，衛生熱水機組側循環泵和衛生熱水循環泵各選兩臺。均采用清華創科泵業生產的屏蔽泵。
PSRHH3903型熱泵機組性能參數表如下：
表1 PSRHH3903型熱泵機組性能參數表
工況 | 制冷量(kw) | 冷凍液溫度(℃) | 冷卻水溫度(℃) | 冷凍液流量(m3/h) | 冷卻水流量(m3/h) | 蒸發器壓降(m) | 冷凝器壓降(m) | 耗電量(KW) |
制冷 | 1572 | 7/12 | 22/32 | 271 | 166 | 7.9 | 6.5 | 263 |
制熱 | 1675 | 9/3 | 40/45 | 199 | 291 | 2.4 | 5.9 | 356 |
3.4關鍵技術
地埋管換熱系統是地源熱泵系統的核心和關鍵。室外地埋管換熱系統是先鉆換熱孔，再在換熱孔內安裝高密度聚乙烯管（HDPE管），其通過HDPE管內的液體不斷循環，而實現地層與換熱液、換熱液與機組、機組與房間內空氣之間的熱交換。
3.4.1本項目中地埋管的設計
經過土壤的熱物性測試，模擬了夏季制冷運行工況下土壤的溫度變化，分析了土壤溫度和加熱功率，同時考慮建成后大部分時間都會在部分負荷狀態下運行，進行了如下的設計。
換熱孔布設在工程區內的操場下面，共鉆孔348個，井徑大于ф150mm，深150m，孔間距5×5m,孔內安放雙U形管，管材選用抗高壓的高密度聚乙烯管（HDPE100），管徑φ32mm，管壁厚3mm、承壓能力1.6MPa。換熱孔通過地面聯絡管分區連接后，分別匯入機房內。
換熱孔口位于地面1.2m深以下,孔位分布總面積為8700m2，而操場的總面積為1.5萬平方米，可以滿足換熱孔布設的要求亦不影響操場的使用。
3.4.2施工工藝
地埋管系統是整個地源熱泵系統的核心和關鍵，其質量的好壞直接關系到整個系統的安全。而且工程一旦完成，其將不可修復。
（1）PE管下入孔前的技術準備
傳統的方法是將連接好的PE管直接下入換熱孔內，PE管在下入孔內后的形狀將不規則，PE管之間會發生強烈的換熱干擾，從而影響整個換熱孔的換熱效率；本工程采用的做法是在PE管下入換熱孔之前，在PE管之間安裝支架，分隔管材，使PE管之間具有一定的距離，且盡可能緊靠換熱孔的孔壁，加強換熱管與地層的換熱效果，減小PE管之間的換熱干擾。同時選用加重管底接頭，保持管材下入時的垂度
（2）下管后的填料
填料的密實與否直接關系到換熱孔的換熱效率，為了提高填料的密實程度，一方面要嚴格控制填料的速度，沿孔壁四周均勻慢速填料，減少因填料過快而造成填料在孔內搭橋的機會；另一方面在下入PE管時，隨同下入一根φ[11] 25直徑的PE細管到孔底，在均勻填料的過程中沿細管向孔內注入水或空氣，邊提管邊填料，使填料處于懸浮狀態，均勻下沉，從而避免填料在孔內形成搭橋，即使形成搭橋也可沖開，確保填料密實，并邊填料邊提管。
通過以上施工工藝，可確保室外換熱管系統使用壽命在50年以上。
3.5經濟分析
測算參數取值如下表：
表2 估算費用取值表
類別 | 電費 | 燃氣 | 自來水 | 排污費 |
單位 | 元/kwh | 元/ m3 | 元/噸 | 元/噸 |
費用 | 0.56 | 1.8 | 3.9 | 5.4 |
3.5.1冬季采暖費用
本工程冬季供暖運行費用為121萬元，燃氣鍋爐方式的運行費用為384萬元。地源熱泵比燃氣鍋爐節約運行費用263萬元，節約68%。
表3 地源熱泵與燃氣鍋爐冬季采暖費用比較
采暖總負荷（KWh） | 地埋管提取地能總量（KWh） | 地源熱泵耗電量（KWh） | 電費（萬元） | 燃氣采暖耗氣量（m3) | 燃氣費 （萬元） |
8641814 | 6481361 | 2160454 | 121.0 | 320067 | 384.1 |
3.5.2夏季制冷費用
本工程與常規冷水機組的夏季制冷運行費用比較見表4。地源熱泵的運行費用為53萬元，冷水機組為64萬元（冷卻塔方式），節約11萬元，節約17%的運行費用。
同時冷水機組在運行時，需要向冷卻塔進行補充自來水，一般1萬平方米的建筑，整個制冷季需要補充自來水3000噸，為1.62萬元。則地源熱泵比冷水機組節約自來水費約5.8萬元。
表4 地源熱泵與冷水機組夏季制冷費用比較
運行天數 | 運行總負荷（KWh） | 地源熱泵運行費用（萬元） | 冷水機組運行費用（萬元） |
150 | 5140155 | 52.62 | 63.97 |
3.5.3生活熱水費用
地源熱泵生活熱水的成本與燃氣鍋爐加熱成本測算見表5。由表5看出，地源熱泵生活熱水的加熱成本為547元/日（5.7元/立方米）。采用燃氣鍋爐加熱生活熱水成本為1737元/日（1.81元/立方米）。生活熱水所需要的自來水費為18.9萬元。
地源熱泵的年運行費用合計為30.7萬元，折算成本為8.8元/m3；燃氣鍋爐的年運行費用為82.3萬元，折算成本為23.5元/m3。地源熱泵系統年節約63%的運行費用。
表5 運行費用統計表
地源熱泵 | 熱水(m3) | 用電量（kwh) | 電費合計(元) | 加熱熱水直接成本(元) |
96.0 | 976.9 | 547.08 | 547.08 | |
燃氣鍋爐 | 熱水(m3) | 耗燃氣量（m3) | 燃氣費(元) | 加熱熱水直接成本(元) |
96.0 | 964.9 | 1736.75 | 1736.75 |
工程中采用地源熱泵系統后，2005年11月投入使用后，經測試各房間的溫度在18~25℃之間，運行37天實耗電費25萬，在預測費用之內。
3 結論和建議
由于土壤溫度穩定且有蓄能的作用，垂直埋管式地源熱泵較空氣源熱泵具有運行中不需要通過風機或水泵采熱,無噪聲,換熱器也不需要除霜等優點，是一種環保、節能的系統。
該項目采用地源熱泵系統為培訓基地解決3.6萬平方米建筑的冬季供暖和夏季制冷，以及全年生活熱水和游泳池加熱是與北京市能源發展政策高度一致的。通過經濟性分析，得出地源熱泵比燃氣鍋爐節省運行費用。
地源熱泵系統的壽命大概在50年左右，如果對系統維護、處理得當，系統壽命還有可能增加。同時考慮投資效益和開發新能源，地源熱泵方案是比較好的系統形式。
但在工程中也發現了垂直埋管式地源熱泵存在的主要缺點是: (1)土壤的熱導率小,地埋管的傳熱系數小,需要較大的傳熱面積；(2)造價較高,運行中發生故障不易檢修。這些是以后需要進一步研究的地方。
參考文獻：
[1] 徐偉 等譯、朗四維 校.地源熱泵工程技術指南.北京：中國建筑工業出版社， 2001年11月*版.
[2] 何詠梅1 ,孫東喜2 ,黃 晶1 ,王國平3.地源熱泵空調應用的幾點建議.ENERGY CONSERVATION ，2005 (9):38-40.
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