大型公共建筑复合式地源热泵热物性测试及方案设计

胡金强，陈建萍，范键兵

（1-英格索兰（中国）投资有限公司，上海　200051；2-挪信能源技术（上海）有限公司，上海　200072；3-上海东方低碳科技产业股份有限公司，上海　200031）

大型公共建筑复合式地源热泵热物性测试及方案设计

胡金强*1，2，陈建萍3，范键兵2

（1-英格索兰（中国）投资有限公司，上海200051；2-挪信能源技术（上海）有限公司，上海200072；3-上海东方低碳科技产业股份有限公司，上海200031）

通过地源热泵热物性测试和逐时负荷计算结果，进行了地埋管换热器设计、冷却塔选型以及机房设计。热物性测试结果表明，平均地温为21.97 ℃，平均导热系数为2.76 W/m·K；在管内流速0.43 m/s，进/出水温35/30 ℃的散热工况下，平均每延米换热量为57.51 W/m；相同流速、进/出水温为7/12 ℃的取热工况下，平均每延米换热量为68.27 W/m。

复合式地源热泵；方案设计；公共建筑；热物性测试

0　引言

地源热泵系统是以岩土、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统［1］。地源热泵系统属于可再生能源利用技术，具有高效节能、低运行成本和良好的社会环保效益等优点，尤其应用于大型公共建筑节能潜力巨大［2-5］。但是和传统的空调系统相比，地源热泵系统也存在一些不足，比如：初投资较高；系统存在热平衡问题；且需要打孔场地。这些不足在某种程度上局限了其应用。于是针对这些问题，例如夏热冬冷地区的大型公共建筑，为减少初投资、减少地埋管钻孔数目及解决地源热泵系统热平衡问题，就采用了复合式地源热泵系统。

1　项目概况

该工程位于广西，总建筑面积105，965 m2。其中大剧院为地上6层，地下2层，高45 m，建筑面积19，500 m2；图书馆为地上6层，高26.5 m，无地下室，建筑面积32，475 m2；博物馆地上4层，无地下室，高30 m，建筑面积34，195 m2；在院、馆、塔之间建设一层文化广场。由负荷计算得到，总冷负荷为9，980.3 kW，总热负荷为6，197.6 kW。经甲方要求，建成以地源热泵作为冷热源的集中供冷暖系统。

2　热物性测试试验

2.1地质勘测

该工程位于广西某地区，属典型喀斯特地貌，地下有溶洞发育。根据地勘报告，由于岩溶作用的影响，石灰岩中浅层岩溶较发育，其形态主要有溶沟、溶槽、溶蚀裂隙及溶洞等。岩溶发育的平面分布图见图1。

根据所钻570个灰岩钻孔统计，遇溶洞、“鹰嘴岩”的钻孔为67个，洞高（0.2～12.8）m，遇洞率11.8%，线溶率为3.6%，说明场地属岩溶较发育区。

勘察表明，拟建场地岩土大体可分3层。粉质粘土（Q2al）含漂石粉质粘土和漂石，下伏第三系新余群南雄组（Exn）全风化残积土、强中风化泥质粉砂岩，泥质粉砂岩，自地面向下各层情况如下所述：

第一层杂填土、耕土、淤泥、粉质粘土层，该层的厚度为（0.2～4）m，该层全场分布；

第二层石灰岩层，该层厚度为（3～80）m，平均层厚56 m，本层未发现溶洞，该层全场分布；

第三层白云石及白云石胶结物，本层含大量溶洞。

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；溶洞内含水量（地下水）极大，有利于地源热泵空调系统换热，该层全场分布。

图1　岩溶发育的平面分布图

2.2热响应测试装置

热响应测试法［6］最早由Mogensen于1983年提出［7］，用来在现场确定地埋管换热器周围岩土的导热系数和换热孔热阻。测试原理是通过传热介质在土壤热交换器循环，在给定的放热量和取热量条件下连续记录流体的进出口温度，并根据温度随时间变化的规律推知土壤的导热系数和换热孔热阻。该方法已经在世界范围内广泛应用于地源热泵地埋管换热系统的热工性能测试之中［8］。岩土热响应试验测试仪见图2，其技术参数见表1。

2.3热响应测试结果

表2为热响应测试试验中，实验井埋管的施工与安装数据。本项目共测试3口换热井，均为双U De25型PE管，100 m深。经测试，平均地温为21.97 ℃，平均导热系数为2.76 W/m·K，在管内流速0.43 m/s，进/出水温35/30℃的散热工况下，平均每延米换热量为57.51 W/m；相同流速，进/出水温为7/12℃的取热工况下，平均每延米换热量为68.27 W/m。

图2　岩土热响应试验测试仪

表1　热物性测试仪的技术参数

表2　实验井埋管的施工与安装数据

3　地埋管换热系统设计

地埋管换热系统设计是本土壤源热泵系统工程设计的核心内容，主要包括地下埋管换热器形式的选择，管径、管长、钻孔数目、冷却塔容量的确定。

根据甲方的需求与当地的实际情况，采用垂直式地埋管地源热泵系统，地埋管换热器有效埋深为100 m的双U形，管材选用公称外径为25 mm的高密度聚乙烯（HDPE100）换热管，地埋管换热器系统的设计将根据水文地质勘察资料、热物性测试报告以及及建筑物的动态负荷计算结果进行。

3.1夏季、冬季土壤最大释热量与吸热量

夏季最大释热量：

式中：

Qs——夏季向土壤中最大释热量，kW；

QL——夏季总冷负荷，kW；

EER——夏季的能效比，取4.7。

冬季最大吸热量：

式中：

Qx——冬季从土壤中最大吸热量，kW；

QR——冬季总热负荷，kW；

COP——冬季的供热系数，取4.0。

依据式（1）、（2）可计算得夏季向土壤放热与冬季从土壤吸热量分别为12，103.8 kW与4，644.5 kW。根据上述计算结果可以看出，冬夏季地源热泵系统的取热量和散热量差距较大，考虑到该地区空调系统夏季运行时间长，冬季运行时间短的特点，全年总取热量远小于全年的散热量，因此仅利用地埋管换热器取热、散热无法达到地源侧的热平衡要求，需采用复合型地源热泵系统。结合本项目的实际情况，采用按冬季热负荷配置地埋管换热器，夏季利用冷却塔调峰散热的方案。

3.2换热井数的确定

从热物性测试试验来看，测试工况是在单口井短时间换热条件下测得的换热能力，项目实际运行过程中是许多口井同时换热的状态，考虑到相互干扰及长期运行的因素，本工程按冬季标准工况（供/回水温7/12℃，管内流速0.4 m/s）下每延米取热量60 W，夏季标准工况（供/回水温35/30℃，管内流速0.4 m/s）下每延米散热量55 W计算。根据冬季地埋管换热系统的取热量4，644.5 kW进行地埋管井计算（根据热物性测试结果，考虑裕量，按冬季按每延米取热量60 W计）。故本工程共需换热管（双U型）长度为：

式中：

L——地埋管钻孔总深度，m；

q——冬季每延米吸热量，W/m。

按照有效井深100 m考虑，计算结果为打井774口，考虑10%的裕量，共需打井852口。钻孔有效深度100 m，双U型De25换热井，打孔间距5米，孔径一般为（160～180）mm。选用地源热泵专用高密度聚乙烯管HDPE，额定承压能力为1.6 MPa，联接方法为热熔联接。水平地埋管埋深为室外地面下1.5 m，采用双U型埋管并联连接，地埋管井位布置图、一级和二级集分水器布置图分别见图3、图4和图5。

图3　地埋管井位布置图

图4　一级集分水器布置图

图5　二级集分水器布置图

3.3辅助冷却塔容量的确定

1）冷却塔容量的确定

ASHRAE在1995年给出的推荐设计方法［9］：

式中：

QRej——辅助冷却塔设计排热量，kW；

QTot，Rej——设计供冷月散热总量，kW·h；

QLoop，Rej——通过地埋管排放到土壤中的设

计供冷月散热量，kW·h；

Hours——设计供冷月时间，h。

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

2）冷却塔选型

根据QRej计算得出冷却塔的水流量G=0.86× QRej/Δt=1，400 m3/h，选择8台标准水量为175 m3/h的模块闭式冷却塔。

4　地源热泵机房设计

根据逐时负荷计算结果，本工程空调热负荷6，197.6 kW，冷负荷9，980.3 kW，确定采用地源热泵SSHR-280主机37台，每台地源热泵主机的制冷量为270 kW，能效比为4.7；每台地源热泵主机制热量为311 kW，能效比为4.0。夏季空调冷冻水供/回水温度为7/12℃，地埋侧供/回水温度为30/35℃。冬季空调热水供/回水温度为40/45℃，地埋侧供/回水温度为10/5℃。

由于图书馆、大剧院、博物馆使用空调时间和频率存在差异，为提高空调系统的使用效率，降低运行能耗，设置一个集中的冷热机房。考虑地埋管换热系统取热与散热平衡的因素，地埋管换热器按冬季负荷配置，根据热负荷数据来配置与地埋管换热器相匹配的地源热泵主机用于冬季空调采暖；夏季负荷超出部分另外配置主机及冷却塔。为了保证机组可以互相备用及切换，选用同一型号的37台主机。同时选用8台闭式冷却塔，一方面可以避免开式冷却塔水系统中的杂质导致地源热泵主机效率下降，另一方面也可实现闭式冷却塔与地埋管系统的并联与切换。机房平面布置图见图6。

图6　机房平面布置图

5　结论

本文提出夏季采用冷却塔作为地源热泵辅助冷源的复合式地源热泵系统，其应用于我国南方地区的实际工程中能有效解决土壤热失衡问题，保证地下土壤冬夏季取排热平衡，提高机组的运行效率，降低初投资和运行费用，减少钻孔数目与打孔场地，有利于地源热泵系统稳定高效的运行。本项目为广西及同类地质条件下大型公共建筑采用地源热泵空调系统的热物性测试、地埋管换热系统设计等积累了可供借鉴的经验。

［1］武曈，刘钰莹，董喆，等.地源热泵的研究与应用现状［J］.制冷技术，2014，34（4）∶71-75.

［2］汤志远，丁国良，胡海涛.我国地源热泵技术研究进展和产业发展探讨［J］.制冷技术，2009，29（3）∶6-14.

［3］何耀东，孟震.地源热泵中央空调的多种设计方案及其特性分析［J］.制冷技术，2009，29（2）∶7-11.

［4］张旭，王松庆，刘俊.世博轴及地下综合体工程地源热泵系统运行特性模拟研究［J］.制冷技术，2010，30（S1）∶13-16.

［5］邓军，熊渝兴，黄键良.浅谈可再生能源在我国的发展［J］.能源与环境，2009（02）∶100-101.

［6］王沣浩，颜亮，冯琛琛，等.地源热泵岩土热响应测试影响因素分析［J］.制冷技术，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，Fan 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

*胡金强（1980-），男，工程师，硕士。研究方向：地源热泵系统优化与建筑节能。联系地址：上海市仙霞路99号9楼，邮编：200051。E-mail：hujinqiang88@126.com。