土壤源热泵空调系统在宁波地区应用注意及案例分析

2022-10-18高家绪,王轩,潘松法

绿色建筑 2022年5期

相关权威资料通过资源性条件（土壤平均温度）和系统性条件（节能性、经济性、环保性和平衡性）对各气候区域的两类典型建筑（办公和居住）的地源热泵空调系统进行了适宜性研究[1]，得出夏热冬冷地区（含宁波地区）应用单一式地源热泵系统和复合式地源热泵系统分别为一般适宜区和较适宜区。具体到单体项目的地源热泵空调系统适宜性，则要考虑其具体特点，进行分析和论证，决定是否采用。

2010 年以来，宁波市数以百计采用地源热泵空调系统的项目已竣工运行，项目涵盖了宾馆、医院、办公楼、商业甚至住宅小区。笔者结合工程实例及设计经验，从以下几方面对地源热泵系统中土壤源热泵空调系统的选用、施工及建筑物的应用提出一些看法，供参考。

1 土壤热平衡问题

宁波市全年冷热负荷差别较大。夏季工况时，土壤源热泵空调系统向岩土排放的热量远大于冬季所提取的热量，若不采取热平衡措施，长期运行势必使岩土层温度升高，系统的运行效率将逐年降低，严重时会导致空调系统不能正常运行，反之亦然。当然，有卫生热水需求的宾馆等建筑理论上是可以通过夏季消耗冷凝热的方式来缓解或消除土壤热平衡现象的。但对于办公楼、商业等建筑，解决此问题的方法只能是设置冷却塔等辅助散热源，排除多余的热量，多数情况下节能性会受影响。

下面以宁波某公建为例，分析冷热负荷差值及所需补充的“取热量”解决途径。

（1）工程概况：项目位于湖畔，是集文化交流、会展服务及民俗体验等功能于一体的文化活动中心。总用地面积 11 370 m2，总建筑面积 4 175 m2，其中地下 1 层，地上 3 层。地下层是设备用房，1～2 层为展览厅，3 层为观光层。

（2）冷热负荷：空调冷负荷 590.9 kW，热负荷 389.6 kW。

（3）岩土冷热平衡措施：全年累计冷负荷 320 980 kWh，累计热负荷 194 461 kWh，两者比值为 1.65∶1，考虑机组的能效后，夏季向土壤排热量 394 922 kWh 达到冬季吸热量 147 031 kWh 的 2.69 倍，存在极大不平衡性。因此，制冷时采用湖水辅助散热 247 891 kWh（累计运行 620 h），则夏季向土壤排热量可减少为 147 031 kWh，解决了土壤冷热不平衡问题。

2 土壤源热泵空调系统的节能性问题

众所周知，土壤源热泵空调系统的合理应用既可以解决环境热污染（冷却塔排热），环境噪声（冷却塔风机运行噪声）及水资源浪费（冷却塔飘水、排污等），又可以废热利用（利用冷凝热制取卫生热水）。然而，通过实际工程的调研可知，真正做到土壤源热泵空调系统合理应用并产生社会、环境效益双赢的并不算多；部分工程甚至消耗了更多能源。

我们总结了一下采用土壤源热泵空调系统但节能效果欠佳的工程，有以下几个原因。

（1）带有个人功利思想或以获取政府节能补贴为目的，未对项目进行客观分析，盲目采用该系统。单纯认为只要采用此系统，就会产生良好的节能效益。其结果适得其反。

（2）想当然地认为只要有卫生热水需求都会达到土壤的热平衡。这些工程有医院，餐饮，甚至还有宾馆。其实，卫生热水的“取热量”是“累计值”，是需要根据计算得出的，实际上土壤源热泵空调系统室外换热器的排热量与吸热量的不平衡指的是全年的累计值，而不是简单地采用冷热负荷值对比。只有在达到足以弥补冷热平衡差值，在夏季“排热”峰值时集中“取热”才是合理的“平衡”方式。

（3）卫生热水用热量冬季大，夏季小，比如洗浴中心。尽管全年“总耗热量”可观，但实际能称为“免费用热”的仅有夏季，其余三季卫生热水都依赖土壤源热泵空调系统制取，即使“热汇”现象得以解决，但系统的经济性及节能性未必很高，应进行详细分析比较。据了解，许多洗浴中心所用卫生热水来自购买的电厂余热，经专用槽车统一配送。既经济、节能，水温也可保障，是个不错的选择。而采用土壤源热泵空调系统独立制取的并不多。可见，用户掌握着绝对的发言权和体验感，耗资大，不经济的制取方式难以得到使用者的认可。

（4）较大规模的商业建筑，办公楼等几乎没有卫生热水需求，无法夏季“耗热”，而冷、热负荷相差又较大。假设室外有足够的埋管面积，按冷负荷选型土壤源热泵空调系统主机时为避免冷热失衡，只能增加辅助散热设施（如：设置板换+开式冷却塔排热）。这样会造成室外地埋管的初投资本就较高，而板换设置又造成换热温差损失，还增加冷却水泵功耗，其结果甚至超过常规冷水机组+燃气锅炉系统的运行能耗，形成初投资+能耗的“双输”局面。

（5）埋管地质状况为岩石层或土层厚度小于 30 m 的项目，打孔费用过高。例如：岩石地耦孔市场价约为 100～120元/m，是普通黏土地质的近 2 倍，其回收期将会很长。

（6）由于室外埋管场地不足，部分垂直埋管及水平联接管只能敷设于地下 2 层、甚至地下 3 层。埋管系统在敷设过程中有效埋管深度（有效深度应刨除地下层高）、管道承压等多方面都会面临问题，特别是地下水位较高的项目，问题则会更多。

3 室外埋管面积不足时，采用传统“能量桩”的安全性问题

对于埋管面积充足的工程，设计人员需关注：做好换热系统的冷热平衡以及其性价比怎样才能更合理；而对于室外埋管面积不足的项目，需要解决的是：埋管面积如何合理利用才能满足项目的需求。有些工程，室外埋管面积连冬季使用都无法满足，可是仍按夏季工况采用了土壤源热泵空调系统。不足的埋管面积充分利用建筑物地下室的“底板面积”，随传统桩基（钢筋笼）绑缚地埋管，即所谓的“能量桩”。对此做法，个人认为隐患较大。分析如下：

（1）施工工艺复杂，安全性差。地埋管道为聚乙烯管材，属于塑料材质，不耐高温，遇焊渣或高温时管壁有可能变薄，甚至融化，发生“粘连”。传统“能量桩”的做法是：捆绑在钢筋笼上的塑料地埋管材，随钢筋笼埋入桩孔内。钢筋笼分段连接，每段长度 6 m 左右。即：每隔 6 m 左右，地埋管道就要被动接受“钢筋笼”的高温焊接一次，一根 50～60 m 的结构桩施工完毕要接受至少 8次焊接。焊接时焊渣飞溅，焊点处上千度高温烘烤，绑扎在钢筋笼上的地埋管道一定会受影响，但损坏程度不得而知。笔者曾经在南京、宁波等工地上亲历了传统“能量桩”的施工，大家看后都表示风险较大。而且，土建与管线施工人员本就属于两支队伍，协调、配合更是堪忧。

（2）损坏后的无法修复性。即使能量桩的施工、后续的试压、水平管道的联接等工序均顺利完成，系统投入运行，但一些潜在的破损点（原先变薄的管壁长期高压运行）若出现渗漏，会造成系统失水。而管线又敷设在底板下，无法打孔埋入，造成系统的“无法修复性”，导致一组或几组管线需要关闭；随着破损组数的增多，系统的换热量大受影响，无法全部排入地下的热量必然影响空调系统的正常运行。

（3）关于管材的使用寿命。地埋管埋入结构桩基中，由于塑料管材的线膨胀系数与混凝土相差较大，如何解决其膨胀变形后的挤压问题，并无实验数据。8 760 h 的蠕变试验中，塑料管是在裸露状态下的试验数据。因此，桩基中塑料管材的使用寿命是个未知数。

（4）地下水位对施工及运行的影响。地埋管随桩埋入地下室底板下，甚至是地下 2 层，地下 3 层。对于地下水位较高的地区，水平管道浸泡在管沟内，二级分集水器汇集处及一级分集水器机房连接处的防水在施工中难以处理。长期的水中运行，对阀门，甚至换热效率都会带来较大的影响，况且建筑物底板或侧壁的防水问题也会影响其品质。

综上，对于埋管面积不足而采用传统“能量桩”可能存的安全性问题，近年来被 “静钻根植桩”的发展，为地埋管的“绑缚”创造了条件。这种具有挤土效应小，噪声小等显著特点的桩基技术，在提升混凝土桩基性能和承载力的同时，固定在桩侧的地埋管不再需要高温焊接，人为损坏率大为降低。采用这种新型“能量桩”方式完工的项目效果良好；但管材的使用寿命、损坏后的无法修复性依然存在，只是概率较低。住宅小区，大型商业等项目，大多属于室外埋管面积不足而地下室面积相对充裕，采用“能量桩”的方式埋管，还须慎重。

4 成片住宅区采用土壤源热泵空调系统的应用分析

4.1 冷热平衡问题

成片住宅区夏季集中排热量远大于冬季集中取热量，而卫生热水的需求量却不大，冷热不平衡无法避免。而集中设置冷却塔等复合系统，必然受到设置区域，设备管理、维护及噪声的限制。因此，冷热平衡问题难以解决。

4.2 如何收费问题

住宅的空调使用时间因人而异，入住率也难以控制。同时，商品住宅又与其销售状况息息相关。集中空调的统一运行，必然导致业主的使用费大增，尤其是入住率低的时期。如何合理收费是物业公司和住户都将面临的难题。目前仅个别开发商的几处楼盘采取的是按面积统一收费（与物业费结合）的粗放型模式，但其他房产公司的楼盘并未效仿。

4.3 投资回收期问题

住宅区域即使土壤源热泵空调系统投入运行，资金也很难在 5～6 a 内得以回收。对于房产开发商及物业公司来说，无论是投资回收期、运行过程中的利润空间以及运维成本均难以在短期内得到解决，这是开发商和物业公司都不愿接受的。

5 独栋别墅类建筑采用土壤源热泵空调系统的应用分析

独栋别墅类建筑采用土壤源热泵空调系统理论上是可行、适合的，而且该系统在北美被称为“弗吉尼亚系统”，原本就是应用于独栋别墅上的。但我们仍需考虑以下几个必要条件。

（1）是否有合适的地质条件，如岩土的温度、热物性、岩石层的厚度（岩石层的传热性虽好，但打孔费用较高，总成本通常超 1 万元/孔）。地质条件是否适合，关系到地产投资方或业主的回收期长短，应引起重视。

（2）地埋管的安全性问题。如前文所述，独栋别墅室外如果没有足够的埋管场地，地下室需部分埋管时，埋管的安全性和不可逆性需考虑。若全部埋管均可在室外实施时，即使有个别损坏，也可在原孔附近或合适位置重新打孔敷设。位于分集水器端的支路重新设置即可。虽费时费工，但空调系统仍可继续使用。

（3）场地条件允许的情况下，尽量增大埋孔距离，尽可能地降低冷热不平衡所带来的“热汇”现象，使系统更加安全地运行。

（4）水平连接管的敷设也应注意埋深及与排水、雨水、电缆等管线的交叉。埋深过浅不但会增加与其它管线的交叉机会，还可能因土层承载力不足而导致管线连接处损毁、拉裂；但埋设过深也会造成开挖量、回填量增大，且减少了垂直埋管的有效深度，也不可取。根据工程经验，地面下 2.0 m 的埋深比较适合水平管道的敷设。

6 例证分析宾馆类建筑土壤源热泵空调系统的应用

宾馆类建筑在冬夏两季虽然冷热负荷不均衡，但有大量的卫生热水需求，使得抵消排热与取热的差值成为可能。从上述特点来看，采用土壤源热泵系统看似合理。但实例证明：不是所有的宾馆都适合采用土壤源热泵空调系统。分析后认为，是否采用该系统，除需满足上文所述情形外，还需考虑以下几种因素。

（1）需进行细致、客观的冷热平衡计算。设计单位应根据项目的使用特点，运行情况，卫生热水的“用热量”及土壤源热泵空调系统的“吸，放热量”进行细致，客观的热平衡计算，辅以全年冷热负荷分析；冷热不平衡时，应设置必要的散热装置（如：冷却塔，喷泉等），给出运行警示，并转换运行（如回水温度超过 32 ℃ 时转入其他冷却装置散热）。

（2）安全性问题。如室外埋管场地不足，需采用“能量桩”作为地埋管换热系统时，投资方及运营方都应考虑该系统的安全性。该问题前文已详述，不再赘述。

（3）项目的运行费及投资回收期问题。如果宾馆建于山地，埋管场地以岩石为主，其埋管价格将比土壤地层增加近一倍，合理周期内回收初投资难以实现。

下面以某宾馆为例，对土壤源热泵系统、冷水机组+燃气锅炉等空调系统在适用性、初投资、运行费用等多项对比分析。

工程概况：某新建五星级宾馆，分为酒店客房和会议中心 2 部分；总用地面积 34 261 m2，总建筑面积 69 726 m2，地上 12 层，地下 2 层。其中酒店 1 层主要为全日餐厅，2～12 层为客房；会议中心主要为多功能厅、接待厅及厨房等配套用房。空调总冷负荷为 7 285 kW，空调总热负荷为 4 606 kW。按此条件选取两类冷热源系统，进行初投资比较。常用的多联机系统及风冷热泵系统，则因且酒店一层为高大空间，采用普通多联机系统难以满足高星级酒店送回风舒适性、空调区域精准控制湿度以及中效过滤的洁净度要求；而风冷热泵机组能效比较低且噪声大，不适用于体量较大的高档宾馆。因此，未将这两种系统作为对比系统进行比较。

（1）初投资比较。①土壤源热泵空调系统。本项目场地基本为黏土层，可采用打孔埋管的土壤源热泵空调系统。考虑初投资及土壤热平衡因素，以热负荷需求计算地埋管长度，设计地埋孔 1 395 个，垂直地埋孔间距取 4 m×4 m。主机选型：以空调热负荷为基础，选择 3 台额定制热量在 1 634 kW/台的土壤源热泵机组（额定制冷量为 1 582 kW），再选择 2 台制冷量在 1 329 kW/台的离心式冷水机组补充冷负荷需求；同时，本项目生活热水系统设计小时耗热量 1620.17 kW，选择土壤源热泵机组中的一台为全热回收型。经核算，初投资约为 2 050 万元（包含主机、水泵、冷却塔、空调末端、室外换热器及机房安装工程）。②冷水机组+燃气锅炉系统。主机选型：以冷负荷选择 4 台制冷量在 1 888 kW/台的离心式冷水机组，再以热负荷选择 4 台制热量在 1 550 kW/台的真空燃气热水锅炉，可同时满足夏季与冬季的空调冷热负荷需求（未包括生活热水需求）。经核算，初投资约为 1 350 万元（包含内容同上）。

（2）运行费用对比。① 空调负荷时间频数法计算全年的空调能耗。宁波地区酒店类建筑冷热负荷频数、空调负荷的时间频数及部分负载率下的主机制冷 COP 参考值、主机制热 EER 参考值如表1、表2 所示［① 表1、表2 所用数据均引自浙江省住房和城乡建设厅发布的《民用建筑项目节能评估技术导则》；②浙江省北部地区（含宁波市）夏季空调运行天数 130 d，冬季 80 d，宾馆按 24 h 运行计算］。② 运行费用对比。根据前文宁波地区酒店建筑冷负荷频数以及各类冷热源系统主机制冷 COP 值、制热 EER 值计算相应系统的年运行能耗，得出：土壤源热泵系统年运行能耗折合标煤 1 310.5 t；冷水机组+锅炉系统年运行能耗折合标煤 1 443.3 t（以上计算值均包含冷热源、水泵、冷却塔及空调末端）。

表1 浙江省宁波市的酒店建筑冷热负荷率频数比例单位：%

表2 部分负载率下对应的主机制冷 COP、制热 EER 参考值

（3）数据评价分析。综合判断指标公式见式（1）[1]。

其中E值为一次能源利用率，β值为投资回收期，T值为冷热源系统每平方米节煤量。得出的A值越大，以土壤源热泵系统替代相应冷热源系统的节能性越高。冷热源能源利用综合判别见表3。

表3 冷热源能源利用综合判别表

经计算，不含热水情况下，A＝0.79。在满足适宜性原则的基础上，当判断指标A≥0.8 时，该项目采用土壤源热泵空调系统是适宜的，反之，则不宜采用。从A值的结果上看，以土壤源热泵空调系统替代冷水机组+燃气锅炉系统的节能性并不理想，原因分析：冷负荷较大时，酒店建筑会运行能效比更高的离心式冷水机组，但土壤源热泵空调系统在夏季能够制取免费卫生热水的优势并未考虑在内。

根据给排水专业提供的夏季日热水耗热量为 3 752 kWh，取空气源热泵能耗比为 2.5，则夏季采用空气源热泵制取热水的用电量为 195 104 kWh。因此，包含热水能耗时，以土壤源热泵空调系统替代冷水机组+燃气锅炉系统 A＝0.93，节能性则较为可观。

综上，只要体量合适，室外埋管条件满足，并且有大量稳定热需求的情况下，合理利用热回收型土壤源热泵机组制取“免费”卫生热水会提高系统的节能性，对比常规冷水机组+燃气锅炉系统在年运行费用上有优势，可在合理的周期内收回投资。如酒店体量较大（2 万 m2以上）且初投资较为紧张时，应进行必要的技术经济综合比较后确定空调系统形式。

例证结论：并不是只要建筑物是宾馆就应该使用地源热泵系统，就一定会节能。