浅层地热地埋管热泵设计运行分析.pdf

浅层地热地埋管热泵设计运行分析丁宗保许健王煜哲尚永升（河南省建筑设计研究院有限公司，郑州；河南省地质矿产勘查开发局，郑州）摘要：河南省黄河迎宾馆节能改造项目选用高能效磁悬浮热泵机组有效降低运行费，为满足接待宾馆冬季供热品质，串联原有燃气热水机组实现冬季供水 以上要求，增强了系统冬季可靠性。年多的运行能耗计量与分析显示，具有良好的经济和社会效益。全年监测换热地温，掌握了地源热泵热平衡、换热量与地温的变化规律，证实了土壤热平衡、换热量及热物性试验的结论。本文介绍了宾馆建筑特点、岩土热响应试验结果及对设计的影响、热泵机组的选择、空调机房设计、浅层地埋管的设计计算、热平衡方式及项目实际运行效果。关键词：浅层地热；地埋管；磁悬浮热泵；热平衡；热响应试验 年河南省住房城乡建设科技计划项目“河南省中深层与浅层地热能多能互补分布式供暖关键技术研究与示范”（编号：）丁宗保，男，年生，大学，工程师 郑州市金水路 号 ：收稿日期：引言宾馆空调系统的能耗约占宾馆总能耗的。而空调主机的能耗又约占整个空调系统能耗的 ，所以选用高效机组是降低宾馆空调系统能耗的有效途径之一。河南省黄河迎宾馆改造前夏季采用普通冷水机组冷却塔供冷；冬季采用燃气热水机组供热，冬季燃气价格高，污染环境，碳排放量高。浅层地埋管热泵可以实现同时给宾馆供冷供热，通过浅层地埋管中的传热介质（水）与岩土体进行换热，在岩土体中散热或吸热，再通过热泵技术，实现夏季供冷和冬季供热，同时也降低了冬季碳排放。宾馆空调使用率变化大，大量时间运行在部分负荷下，所以热泵机组在整个空调运行期的综合部分负荷性能系数高低能够真实反映热泵机组的节能性，磁悬浮热泵机组综合部分负荷性能系数比传统螺杆式、离心式热泵机组更高，与地埋管耦合既能实现冬季清洁供热，又能降低全年空调系统的运行费。工程概况河南省黄河迎宾馆是郑州市重要的接待宾馆之一，位于郑州市惠济区。宾馆共设置南北个空调机房，南侧机房为已有机房，北机房为该项目设计改造机房，个机房通过院内管网连接 栋接待楼及会议中心等；南北个空调冷热源机房相互连通、相互备用补充。北机房共负担栋接待客房楼，总建筑面积为 ，其中号楼建筑面积分别为 、。北机房系统夏季计算空调冷负荷为 ，冬季计算空调热负荷为 ，新增加台制冷量 、制热量 的高效磁悬浮热泵机组。地埋管设置在机房西侧绿化用地和号楼北侧的景观湖内，共设置换热孔 个。项目岩土热响应试验 浅层地热能赋存条件 地形地貌项目位于郑州市北部的黄河冲积平原，由于地壳不断下降，堆积作用强烈，新构造运动具有明显的继承性，晚近期以来间歇性下降为主，沉积了巨厚的新生代地层。地表岩性为全新统的亚黏土、亚砂土和粉砂、粉细砂。地层岩性项目区主要是第四系地层，在地表广泛分布，自下更新统至全新统均有沉积，自西南向东北由薄变厚，与下伏新近系呈不整合接触。根据收集到的黄河迎宾馆钻孔资料，建设区地层主要由第四系黏土、粉质黏土、中细砂互层组成。水文地质条件项目区位于地下水富水性强区，主要含水层自上而下分别由第四系全新统和上更新统冲积物细中砂组成，结构松散，局部半胶结，水量丰富，是区内地下水主要开采层段。含水层岩性以中细砂为主，其次为粗砂、粉细砂，局部含有砂砾石。厚度一般为 ，渗透系数为 ，为富水性强区。降水入渗和地表水侧向补给是地下水的主要补给来源，受地形控制，该项目建设区在势能的作用下地下水由西北向东南径流。浅层地温场特征根据收集到的 年黄河迎宾馆钻孔热响应试验资料，场地地层主要由第四系黏土、中细砂互层组成，土壤原始温度自地面以下 趋于稳定，温度为 ，制冷工况下岩土综合导热系数为 （），制热工况下岩土综合导热系数为 （）。地埋管换热能力测试孔施工于 年月在工作区指定场地完成，包括浅层地热能测试孔眼，编号为 。）热响应试验第组（孔）采用地埋孔专用钻机，孔径 ，孔深 ，下入双管后采用原浆回填。）热响应试验第组（孔）采用取心钻机钻孔取心，孔径，然后物探测井，之后采用地埋孔专用钻机进行扩孔，孔径 ，孔深 ，回填采用中细砂回填。暖通空调 年第 卷增刊 供暖供热）热响应试验第组（孔）采用取心钻机钻孔取心，孔径，然后物探测井，之后采用地埋孔专用钻机进行扩孔，孔径 ，孔深 ，回填采用水泥中细砂回填。）热响应试验第组（孔）采用取心钻机钻孔取心，孔径，然后物探测井，之后采用地埋孔专用钻机进行扩孔，孔径 ，孔深 ，回填采用膨润土中细砂回填。测试孔深 度 均 为 ，岩 土 体 初 始 平 均 温 度 约 为 ，各孔测试结果见表。表测试孔现场热响应试验测试结果埋管类型回填方式初始温度小功率导热系数（）大功率导热系数（）每延米排热量参考值（）每延米取热量参考值（）测试孔编号双中细砂 单中细砂 双水泥中细砂 双膨润土中细砂 双原浆 注：每延米排热量或取热量是在特定进、出水温度下测得的，表中给定的每延米排热量为供回水温度 条件下的拟合值，每延米取热量为供回水温度条件下的拟合值。试验结果表明，采用中细砂回填换热效果最好，其次为原浆回填（钻遇地层累计砂层厚度较厚，原浆中砂含量较高），之后为水泥中细砂回填和膨润土中细砂回填。与原浆回填相比，采用中细砂回填方式，拟合工况条件下的排热能力和取热能力分别提高了 和；采用水泥细砂回填方式，拟合工况条件下的排热能力和取热能力分别降低了 和；采用膨润土中细砂回填方式，拟合工况条件下的排热能力和取热能力分别降低了 和。磁悬浮热泵机组磁悬浮热泵机组无润滑油，机组 较需润滑油机组提高以上，磁悬浮数字控制磁轴承系统能耗仅为传统机械轴承摩擦损失能耗的。空调系统多数时间都在部分负荷率下运行，而磁悬浮机组部分负荷能效值高，最高综合能效比达到 以上比普通螺杆机或离心机（）省电，大大降低机组运行成本。机组可以以较小的电流启动，对电网没有冲击。磁悬浮机组运行噪声低，最低可低至 左右，结构振动接近。由于无油无摩擦，磁悬浮机组的运行维护成本极低，实现全寿命周期节能。磁悬浮机组无油，正压设计，可靠性高；无增速齿轮，可靠性好；设计寿命 年，是普通机组寿命的倍。机组使用对臭氧层没有潜在破坏的 环保制冷剂，对环境友好。空调冷热源系统设计 热泵机房设计宾馆空调冷热源整体方案：磁悬浮热泵机组浅层地埋管冷却塔（原有），原有燃气热水机组和南侧空调机组作为冬夏季备用或补充冷热源。夏季计算空调冷负荷为 ，冬季计算空调热负荷为 ，单位面积冷负荷指标 ，单位面积热负荷指标 。浅层地埋管热泵的供回水温度：夏季用户侧供回水温度为 ，地源侧供回水温度为 ，冷却塔供回水温度为 ；冬季用户侧供回水温度为 ，地源侧供回水温度为。冬季蒸发器出水温度低于时，热泵机组自动报警停机。设计选用台高效磁悬浮热泵机组，单台热泵主机设计制冷工况（，）下，制冷量为 ，设计工况下制冷性能系数不低于 ；设计制热工况（，）下，制热量为 ，设计工况下制热能效比不低于 。台热泵机组最大供冷量为 ，是计算空调冷负荷的 ；最大供热量为 ，是计算空调热负荷的 。供冷季负荷率超过 的时间很少，供冷量不足时由宾馆南侧空调机房补充。冬季磁悬浮热泵机组能够满足宾馆的供热需求，并且原有热水机组作为宾馆备用热源。磁悬浮热泵机组能效比高，但冬季供水温度仅能达到，为满足宾馆更高的供热需求，串联原燃气热水机组，二次加热到，热泵机房工艺流程见图。经年供热运行，地埋管磁悬浮热泵系统适当加大循环水量运行能满足宾馆供热要求，未启用原燃气热水机组。图热泵机房流程图 地埋管换热器设计设计采用 双，深度 。根据 地源热泵系统岩土热响应试验报告 进行设计：制热工况运行时，载热流体的进出水温度为，双管单位长度钻供暖供热暖通空调 年第 卷增刊孔取热量为 ；制冷工况运行时，地埋管系统的进出水温度为 ，双埋管单位长度钻孔散热量为 。表给出了地埋管换热器换热孔计算结果。表地埋管换热器换热孔计算结果计算空调热负荷 总制热量 （考虑管路损失）制热能效比 取热量系数（）总取热负荷 取热指标（）计算换热井长度 修正换热井长度（系数）换热孔计算数量个 地埋管换热器换热孔计算数量为 个，考虑到换热孔的施工成孔率，平面实际布置换热孔为 个，单个换热孔有效长度为 。施工时，下管深度超过 的为有效换热孔，小于 时为废弃孔（废弃孔不接入地埋管换热系统），深度不足的换热孔长度累加后采用备用换热孔进行补充。地埋管换热器换热孔布置在机房西侧绿湖带和楼北侧的景观湖底，换热孔布置在场地 以下，设计换热孔间距为。充分利用宾馆内闲置绿化用地，把换热孔布置在湖底解决了埋孔面积不够的问题。热平衡计算及解决措施 项目热平衡计算冬季土壤取热量按照式（）进行计算：取（）（）式中取为冬季土壤总取热量，；为空调系统冬季总耗热量，；为机组冬季平均性能系数，取。夏季总排热量按照式（）进行计算：排（）（）式中排为夏季总排热量，；为空调系统夏季总耗冷量，；为 机 组 夏 季 平 均 性 能 系 数，取。夏季冷却塔排热量按照式（）进行计算：塔排取（）式中塔为夏季冷却塔排热量，。土壤冬季取热量和夏季土壤排热量一致，夏季多余热量由冷却塔排出，计算数据见表。表土壤热平衡计算空调系统冬季总耗热量（负荷系数，供热 ，每天，间歇附加率）（）空调系统夏季总耗冷量（负荷系数，供冷 ，每天）（）夏季总排热量排（）冬季土壤总取热量取（）取为冬季土壤总取热量（）土壤热不平衡率（冷却塔不使用）夏季冷却塔排热量塔（）通过土壤热平衡计算可知，每年不使用冷却塔的土壤热不平衡率为 ，必须采用热平衡措施才能保证系统的稳定运行，每年需要冷却塔排热量为 。宾馆实际运行中受到各种因素的影响，供冷量、供热量也处于变化之中。解决热平衡的措施宾馆建筑负荷的特点一般是夏季冷负荷比冬季热负荷大，因此在热堆积的情况下，就出现了热不平衡的问题。在这种负荷特性下，地埋管的数量以建筑物的热负荷作为设计基础，夏季供冷时室内多余热量采用辅助散热设备冷却塔散热。由于建筑负荷与周围环境息息相关且负荷变化是一个动态过程，冷却塔的启用控制方法为根据机组出水温度来判断是否需要冷却塔辅助，且当所选冷却塔出水温度低于土壤在热泵制冷工况运行下的平均进水温度时启用冷却塔。该项目原有冷却塔仍然可以使用，所以从节省初投资的角度考虑，采用浅层地埋管热泵耦合冷却塔，调节系统的热平衡，通过监测地源侧取热量和排热量数据及在埋管区域内的地温变化，调整冷却塔的运行，保证土壤温度在全年内保持相对稳定。项目实际运行效果 机房实际运行分析浅层地埋管热泵系统 年夏季制冷量为 ，总 耗 电 量 为 ，能 效 比 为 ；年冬季总制热量为 ，总耗电量为 ，能 效 比 为 。根 据 高效空调制冷机房评价标准 第 条，河南省黄河迎宾馆浅层地埋管热泵机房运行效率大于寒冷地区冷源季节能效比一级能效值（），机房能效高出一级能效评价值。年冬季，宾馆北机房启用磁悬浮热泵机组给号楼供热，南机房仍采用燃气锅炉给 号楼及会议中心供热，通过实测数据对磁悬浮热泵系统和燃气锅炉供热系统进行对比分析。磁悬浮热泵系统：年 月 日至 年月日，运行，热泵机组地源侧循环泵空调侧循环泵，总用电 ，电费 元（），总电费 元，供暖面积 ，供热单价 元（）。燃气锅炉系统：年 月 日至 年月日，运行，天然气费机组运行电费总计 元，供暖面积 ，供热单价 元（）。根据上述分析可以得出，年磁悬浮热泵系统供暖运行费为 元（），远低于同期燃气锅暖通空调 年第 卷增刊 供暖供热炉供暖运行费 元（），地源热泵系统约为燃气锅炉运行费的 ，节能运行效果显著。室外土壤温度变化情况夏季：）监测孔地温整体呈波浪形的变化趋势；整体地温随着夏季制冷负荷的增大而升高，制冷负荷减小时，地温又逐渐降低；到月中下旬制冷需求减小，地温逐渐下降。年月 日平均温度达到最低 ，与背景值（监测孔）同期平均地温 相比升高了约 ，同时当天制冷量为；年月 日平均温度达到最高 ，与背景值（监测孔）同期平均地温 高 。）为影响半径监测孔，位于 号孔下游 处。从 不同深度地温随时间变化曲线可知：监测孔恒温带浅层地温整体呈缓慢上升趋势；年月 日平均温度达到最低 ，同时当天制冷量为 ；年月 日平均温度达到最高 。）监测孔不同深度地温均呈缓慢上升趋势，地温随着夏季制冷负荷的增大而升高，制冷负荷减小时，地温又逐渐降低，到月中下旬制冷需求减小，地温逐渐平稳。冬季：）为参与换热地温监测孔，不同深度地温均呈先降低后升高的趋势，地源热泵系统运行后地温迅速降低，然后随着制热负荷的增减上下浮动；月日平均温度达到最低 ，当天制热量达到最大值 ，月 日平均温度达到最高 ，最大变幅 。）为影响半径监测孔，位于 号孔下游 处。不同深度地温均呈缓慢下降趋势，随着地源热泵系统运行，地温整体下降，月地温相对较为平稳，变化幅度不大，进入月份之后地温下降幅度增大，最低温度为月日的 ，最高温度为 月 日的 。）为影响半径监测孔，位于号孔东北侧处，垂直于地下水流向。不同深度地温均呈缓慢下降趋势，随着地源热泵系统运行，地温整体下降，最低温度为月日的 ，最高温度为 月 日的 。结论）地埋管浅层地热能利用是绿色低碳高效的空调冷热源方式，是现阶段推广发展的方向；在该项目设计中充分证明了宾馆建筑选择浅层地热能作为低品位能源及采用高效磁悬浮机组能够实现空调系统的节能运行。）在浅层地埋管热泵设计中应以岩土热响应试验的结果为依据确定地埋管换热器的容量，统筹考虑造价与换热效果的关系。）可利用宾馆绿化用地和湖底区域，有效利用土地资源，浅层地埋管系统施工场地面积大，设计时应充分考虑绿化恢复与湖底防漏等措施。采用双双回路技术，提高地埋管可靠性，采用 深度减少埋孔区域面积。）根据近年土壤温度监测结果，地源热泵系统土壤冷热基本平衡，耦合冷却塔可作为保障土壤温度平衡备用设备。）宾馆改造过程中充分利用了原有设备，与原有系统充分融合，一方面减少了初投资，另一方面保障了宾馆空调系统的可靠运行。）根据该项目冬夏季的测试结果，机房能效达到了高效机房一级能效标准。宾馆冬季供热运行费比改造前降低 ，项目改造节能效果显著。）宾馆供热运行证明，地埋管热泵系统选用磁悬浮热泵机组能够满足宾馆较高温度的供热需求。参考文献：中国建筑科学研究院地源热泵系统工程技术规范：版北京：中国建筑工业出版社，中国建筑科学研究院民用建筑供暖通风与空气调节设计规范：北京：中国建筑工业出版社，建设综合勘察研究设计院有限公司，江苏山水环境建设集团股份有限公司地源热泵系统工程勘察标准：北京：中 国 建 筑 工 业 出 版 社，中国建筑科学研究院公共建筑节能设计标准：北京：中国建筑工业出版社，李芬荣混合式地源热泵系统的应用分析有色金属设计，（）：供暖供热暖通空调 年第 卷增刊