地埋管地源热泵技术在大型公共建筑群的应用研究

2024-06-02屈高阳李佳

中国设备工程 2024年10期

屈高阳，李佳

（三门峡职业技术学院，河南三门峡 472000）

地源热泵通过输入少量的高品位能源，实现低温位热能向高温位热能转移。由于地下温度变化较小，不太受季节影响，冬季比环境温度高，而夏季比环境温度低，因而可达到冬季供热与夏季制冷的目的。供热工况时，土壤或水体作为热源，通过换热装置获取其中热量后输入用户末端起到供热效果；而制冷工况时，土壤或水体则作为冷源，将建筑物内热量输入大地中，再通过土壤或水体的导热把热量扩散出去。因此，可以得知，地源热泵系统是可以基本平衡地热的，因为供热工况下从土壤或水体提取的热量可以在制冷工况下得到补偿。

三门峡职业技术学院灵凤湖校区为新建校区，2020年秋投入使用，中央空调系统采用地埋管地源热泵技术，2020 年冬投入使用。本文对其地埋管地源热泵系统的关键技术和运行情况进行分析研究，对地埋管地源热泵技术的推广提供有效的参考及建议。

1 项目介绍

位于河南省三门峡市职教园区，占地面积约1143 亩，建筑总面积41.5 万平方米，供暖制冷面积39.9 万平方米。共有20 栋楼，各个建筑具体面积见表1。

表1 各个建筑具体面积

2 地埋管地源热泵系统情况

学校有大量的操场和绿地，且地面无荷载，为地埋管地源热泵技术的应用提供了良好的场地环境，因地制宜采用地埋管地源热泵技术。地埋管地源热泵系统是一套复杂的制冷供暖系统( 图1、图2)，主要分为三个部分：室外地源换热系统、地源热泵机组、室内末端系统。地埋管地源热泵系统的工艺流程如图3所示。

图1 地埋管地源热泵系统冬季采暖工质循环示意

图2 地埋管地源热泵系统夏季制冷工质循环示意

图3 地埋管系统工艺流程图

地源井4900 孔，井深150m，井直径0.15m，井间距4.5m。埋地换热管规格为De32 的双U 型PE 高密度聚乙烯管。中央空调主机共设置3 个机房，南区2 个机房，分别配置3 台中央空调主机和2 台中央空调主机，北区1 个机房，配置3 台中央空调主机。主机机组标准制冷量1799kW，标准制热量1959kW。机组地源侧冬季进水温度为14℃，出水温度为7℃；夏季进水温度为23℃，出水温度为28℃。机组用户侧冬季供水温度为42℃，回水温度为37℃；夏季供水温度为9℃，回水温度为13℃。供暖季室温达到18 ～22℃（教室18℃，宿舍22℃），供冷季室内温度达到25 ～27℃（教室27℃，宿舍25℃）。

3 地源热泵关键技术

地埋管地源热泵技术的应用效果关键在于埋管与土壤的换热效率，为保障充分换热，需做到以下几个方面。

3.1 选取回填料

地埋管下管后，对井孔进行回填。把钻井时取出的泥沙浆直接回填，会造成回填不密实，影响地埋管的换热效率。回填料与埋管紧密接触，回填料的导热能力直接影响埋管的换热能力。因地质结构和回填料的膨胀能力不同，回填料的凝固强度等级也不同，回填料对埋管的挤压力也不同。因此，依据地质报告，配比选择回填料，是保证地埋管地源热泵技术高效应用的关键环节。项目回填料根据热响应实验显示的地质条件，由膨润土和细砂的混合浆料，膨润土的体积比例占5%。回填料加入膨润土后，导热系数高于本地区地质的导热系数，避免回填料对地质层导热系数的破坏，并且对环境无污染。

3.2 回填方式

回填采用井底反浆回填，国产泵压力较小，回填一半时不能继续回填，另一半只能采用人工回填的方式。人工回填，回填压力不足，空隙多，影响换热效果，达不到设计要求。

项目采用德国进口高压力的柱活塞泵，具有很大的回填压力，由井底部位注入回填料向上反填，逐步排除空气，确保回填密实，无空腔，保证了传热效果。

3.3 U 型管专用接头

地埋管整体呈U 型，由两根地埋管和U 型弯管接头组成。U 型弯管接头，不得采用直管管道煨制弯管接头，也不得采用两个90°的弯管对接的方式构成U 型弯管接头。

地埋管均为高密度聚乙烯管（PE 管），管道内的水不会产生水垢，但机房内的管道为钢管，水流经机房后再回到地埋管，会存在水垢。如果产生水垢，因为空调系统运行最高温度不高于50℃，在温度低于60℃时，水垢都比较松散，水循环可以带走一部分。此时，U 型管接头位置处于整个系统的最低端，水流带不走U 型管底的水垢，造成U 型管水垢堆集。

项目采用德国专利技术的双U 型管专用接头，如图4 所示，与垂直管道电熔连接，接口强度大于管材本身的强度，确保地埋管为一个整体，不存在机械连接存在的漏水隐患和采用金属管件存在腐蚀而影响使用寿命的问题。同时，在保证U 型弯强度的前提下将管线阻力降至最低。接头上部有一个沉淀腔，可以对水垢进行沉淀，有效容纳系统的沉积物，保证使用效果。

图4 双U 型管专用接头

3.4 U 型管间隔热

U 型管一端进水，另一端出水，水流经U 型管的过程，即为水和地埋管换热的过程，地埋管再把热量传递给与之接触的土壤，从而实现水和土壤的换热过程。水在U 型管内流动，随着流动距离的增加，水温逐渐上升（冬季）或下降（夏季），U 型管两根支管之间有温差，易发生热回流现象。为保证换热效果，下管时采用分离定位管卡进行分离定位，U 型管两根支管之间保持距离3 ～4m。