重庆某办公楼复合式地源热泵系统设计

朱柏山，艾民（中机中联工程有限公司，重庆　400039）



重庆某办公楼复合式地源热泵系统设计

朱柏山，艾民
（中机中联工程有限公司，重庆400039）

摘要：该文结合重庆某办公楼复合式地源热泵系统设计实例，对复合式地源热泵系统地埋管换热器部分的设计过程进行了分析。地温检测、管路反冲洗及泄漏检测系统的设置，确保地埋管换热器系统安全稳定运行。以上分析对今后重庆地区地源热泵系统的设计具有指导作用。

关键词：复合式地源热泵系统；地埋管换热器；反冲洗系统

0　引言

能源是人类赖以生存和发展的物质基础。随着人类文明的进步和社会发展，人类对能源的消耗越来越多，地源热泵作为一种利用地表浅层能量（太阳辐射）的一种可再生能源，其高效节能、绿色环保、节水省电、运行可靠以及环境效益明显的特点，被世界各地广泛应用。对于重庆地区，地源热泵系统工程实例较少［1］。为解决由于夏季供冷量远大于冬季供暖量，导致地源热泵系统向土壤中的排热量远大于取热量，而土壤全年热量吸热和放热的不平衡将导致系统运行周期内土壤温度明显上升、系统性能衰减，甚至无法使用［1］的问题，离心式冷水机组加地源热泵螺杆机组的复合式系统形式成为了一种很好的解决方案［2］。

本文将对重庆某办公建筑复合式地源热泵系统地埋管换热器部分设计过程进行分析，以期对重庆地区地源热泵系统的设计具有参考价值。

1　工程概况

该项目位于重庆市高新区大杨石组团，总用地面积7110m2，总建筑面积为4.67万m2，总空调面积为19641m2。该综合办公楼由一栋单体高层建筑加裙房组成。该建筑地上21层，地下5层，建筑总高度为91.2m；地下-5F层为设备用房，-4F至-1F为车库，1F至5F为厨房、餐厅、会议室、档案室，6F以上为办公室。项目实景如图1所示。

大楼采用集中空调形式，全年运行。门厅、报告厅、员工餐厅等大空间区域采用全空气系统空调形式，办公及办公区域内的小会议室采用风机盘管加新风系统形式，新风系统采用全热新风换气机组。

根据前期地质勘察报告，项目设置地埋管换热器系统的地下土壤主要由砂岩和泥岩组成，水文地质简单，无地下水。

2　空调负荷计算及岩土热响应实验

为了验证复合式地源热泵系统在项目应用的合理性，在项目方案阶段编写了可行性分析报告，报告通过了专家评审。由于本文篇幅所限，下文只列举分析报告中的全年动态空调负荷计算及岩土热响应实验结果，其作为施工图设计的重要输入条件。

该项目采用DeST能耗模拟软件对建筑全年空调逐时负荷进行逐时模拟分析，并利用鸿业暖通负荷计算软件进行复核。经过详细的空调负荷计算［3］，可得到整栋建筑的空调冷负荷为2992kW，冷负荷指标为148.7W/m2；空调热负荷为1093kW，热负荷指标为55.6W/m2；全年累计热负荷635238 kW·h，全年累计冷负荷4373691kW·h。为得到岩土体初始温度、岩土热物性参数以及地源热泵地埋管单位深度换热量，在设计前期对项目所在地深层土壤进行了岩土热响应试验。经过实验及后期计算，该工程地质条件下采用DN32的双U管地下换热器，竖直埋管深度100m，冬季供暖季单位钻孔长度换热量为46W/m，夏季空调季平均单位钻孔长度换热量为65W/m。

图1　建筑实景图

3　地源热泵设计

地源热泵系统设计主要是地源侧地埋管换热器设计和用户侧水系统设计，地埋管换热器的释热和吸热是否达到设计要求，对整个项目空调系统正常运行尤为重要。

3.1地源热泵系统设备选型

对于重庆地区的建筑，夏季供冷量远大于冬季供暖量，夏季释热量全部由地埋管换热器带入地下，势必会造成初投资大量增加。为了在保证系统全年高效运行的情况下减少初投资的费用，地源热泵螺杆机组及地埋管换热器优先满足冬季负荷，夏季地源热泵螺杆机组冷量不足的部分由一台离心式冷水机组补充（系统设备选型参数详见表1）。

表1　复合式地源热泵系统设备选型

地源热泵螺杆机组是冬夏两用型机组，夏季机组冷凝器将建筑的热量通过地埋管换热器释放到土壤中，冬季作为机组的蒸发器通过埋管换热器从土壤中吸热，机组冬夏季节的转换通过水系统侧阀门调节改变井水、空调循环水的流通路径，实现制冷、制热工况的转换。冬夏季水系统原理图如图2和图3。

图2　夏季系统原理示意图

图3　冬季系统原理示意图

3.2地埋管系统设计

目前埋管形式主要有水平埋管和竖直埋管两种形式。

水平埋管。由于水平管的埋深较浅，其埋管换热器性能不如竖直埋管，而且施工时占用场地大。在实际使用中，往往是单层与多层互相搭配：螺旋管传热性能优于直管，但不宜施工。由于浅埋水平管受地面温度影响大，埋管区域面积过大，故该工程不予考虑［2］。

竖直埋管。根据埋管形式的不同，一般有单U形管，双U形管，小直径螺旋盘管和大直径螺旋盘管，立式柱状、蜘蛛状、套管式等形式；按埋设深度不同分为浅埋、中埋和深埋。目前使用最多的是U形管、套管和单管式。

竖直埋管的埋设深度应根据当地地质情况、工程及场地的大小、投资及使用的钻机性能等情况综合考虑。其中有几点应注意到：（1）钻60m以内的钻机成本少，费用低，如果大于60m，其钻机成本会提高；（2）井深100m以内，可用国产普通型承压（承压1.2MPa）塑料管，如深度大于100m，需采用高承压塑料管，其成本大大增加。

根据工程情况，鉴于需地下换热量较大，且受到埋管面积限制，因此考虑到充分利用较深地层的换热能力，故选用双U型换热器形式，埋管深度设计为100m，并辅助设计冷却塔以进行夏季负荷调峰，降低地埋管费用和平衡冬夏提取和排入地下的热量。

地埋管换热器长度计算，主要是在参照机组实际运行供水温度条件下做的岩土热响应实验所得的双U管单位井深换热量和建筑空调热负荷两个条件下确定地埋管长度。岩土热响应实验结果可知，冬季DN32的双U管单位井深换热量为46W/m，考虑到工程安全余量的因素，本项目冬季双U管单位井深换热量取43W/m。根据所列参数，计算可以得，地埋管需要的总长度为25419m。

通过实地测量，确定满足地埋管要求的场地面积为4453m2，多次布孔方案对比，最终确定设置251个孔数的地埋管，单孔埋管深度为100m，孔间距为4.5m×4m，布置区域位于建筑车库投影区内，垂直埋管采用分区设计，分为2个区，总共设置10组地埋管组，每个管组包含7～34个地埋孔，每个管组均采用同程式敷设管道。具体布置位置详见图4-图6。

图4　负二层地源热泵布管位置

图5　负四层地源热泵布管位置

3.3地埋管水利计算

为保证地埋管系统及时排气和加强换热，《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2009中推荐双U管形地埋管流速不宜小于0.4m/s。同时，相关地埋管中水的流速对地埋管换热影响的研究也表明，当地埋管流速大于0.4m/s之后，随着介质（水）与土壤换热时间的缩短，热流量随流速变化更加缓慢。考虑到增加流速需要加大循环泵的扬程以及运行费用的增加等成本因素，换热器内设计流速取0.4～0.6m/s［4］较为合理。

根据该项目土壤热响应实验结果及地埋管系统循环水泵扬程及运行费用等因素，双U管设计流速取0.5m/s。

由以上所确定的参数，通过各环路详细水利计算，最终确定各环路地埋管管径及地源热泵地源侧循环水泵的扬程。

图6　负五层地源热泵布管位置

4　其它设计

复合式地源热泵系统地埋管换热器的安全稳定运行，对空调系统至关重要，在设计中考虑相关辅助措施是很有必要的。

（1）为保证地埋管换热器运行安全可靠，在设计过程中预留两个地埋管竖井作为温度检测井，检测地下土壤温度变化。测试井每10m设置一个测点，测点数据通过数据线连接至这冷机房内的地温测试仪中。在地源热泵系统运行过程中，根据地温仪所测数据，判定地温是否超过规定数值。当地温升高超过规定数值，空调控制系统立即调整离心式冷水机组和地源热泵螺杆机组的运行策略，保证地温保持在合理范围内。

（2）地埋管换热器运行过程中，地埋管管网中会集聚污物，如不及时清理将会阻塞管网，严重影响系统正常运行。为保证污物及时排出系统，在地源热泵地源侧设计中设置了反冲洗系统。反冲洗系统在非空调季节系统维护启动时，来自于地埋管分水器的反向高速水流冲刷地埋管系统，把污物带至地埋管集水器，然后从集分水器底部泄水管排入机房排水地沟。

（3）地埋管换热器各环路在运行过程中，有可能部分管道接口密封不严［5］，导致某环路发生泄漏，如不能及时发现，不但增加运行费用，而且影响系统安全运行。为了及时检测到地埋管换热器各环路中循环水是否泄漏，在地源侧膨胀水箱的补水管上设置流量表，检测地源侧补水量是否出现异常。当补水量异常，流量表反馈信号到控制中心，控制中心确认后，关闭空调系统，对地埋管换热器各环路进行检查。

（4）地埋管换热器管路深埋地下，如果在建筑施工及后期场地开挖过程中管路被损坏，整个地埋管换热器系统有可能无法使用。为确保地埋管换热器系统施工安装完成后不被人为损坏，项目在施工过程中要求施工方在地埋管竖井及管沟区域设置警示标志，并安排相关人员现场巡查。项目竣工后，在地埋管竖井及管沟区域设置警示标志，防止场地开挖过程中损坏地埋管网。

5　运行策略分析

地源热泵系统运行策略是否合理，不但影响空调系统运行效率，而且影响空调系统能耗及系统检修周期和使用寿命。

由于重庆地区5-8月室外温湿度较低，离心式冷水机组能效高，空调系统优先运行离心式冷水机组；在9月室外温湿度较高的时候，离心式冷水机组能效比降低，此时利用地源热泵能效高的特点，地源热泵机组与冷水机组同时运行；10-11月份室外温湿度逐渐降低，当土壤温度高于限定值时，只开启离心式冷水机组，停止向土壤释热防止土壤温度继续升高；当土壤温度低于限定值时，只开启地源热泵机组，增加向土壤的释热量保证冬季空调系统所需的热量；在12月至次年2月，开启地源热泵机组，对整栋塔楼进行供热。

6　结论

（1）项目选用竖直双U管的埋管形式以及竖直埋管深度100m，不但可以节省建设初投资，也保证了地埋管换热器换热能力。

（2）埋管换热器中水的流速选取较常规水系统的要大，使管中产生湍流，保证地埋管高效换热。

（3）复合式地源热泵系统的温检测系统可以检测地温情况，并根据地温调整空调系统运行策略；管路反冲洗系统和泄漏检测系统可确保埋管换热器各环路不被阻塞，地埋管换热器某环路发生泄漏被及时发现。以上三个系统的设置，可以确保系统安全稳定运行。

参考文献：

［1］李娟，寇秀培，赵建成.垂直埋管式地源热泵的实例应用及经济性分析［J］.建筑热能通风空调，2007，26（3）: 41-44.

［2］马最良，吕悦.地源热泵系统设计与应用［M］.北京：机械工业出版社，2006：197-198.

［3］中国建筑科学研究院.GB 50736-2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［4］付文彪，蒋绿林，纪洪林，等.地源热泵设计中两个重要参数的实验研究［J］.暖通空调，2009，39（2）: 118.

［5］中国建筑科学研究院.GB 50366-2009地源热泵系统工程技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2006.

责任编辑：孙苏，李红

Design of Hybrid Ground-coupled Heat Pump System for an Office Building in Chongqing

Keywords:hybrid ground-coupled heat pump system；ground heat exchanger；backwashing system

Abstract:Based on the design case of hybrid ground-coupled heat pump system for an office Building in Chongqing，the design process of its ground heat exchanger is analyzed.Temperature detection，pipeline backwashing and leak detection system are set up to ensure the stable operation of the buried pipe in the heat exchanger system.The analysis is expected to offer some references for related field in Chongqing.

中图分类号：TU243.2

文献标识码：A

文章编号：1671-9107（2016）04-0009-03

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.04.009

收稿日期：2016-2-29

作者简介：朱柏山（1981-），男，甘肃金昌人，研究生，工程师，主要从事暖通设计工作。