土壤源热泵在内蒙古中部地区的.doc

土壤源热泵在内蒙古中部地区的应用分析与研究岳建军1 徐向荣2（内蒙古工业大学 能源与动力工程学院，内蒙古 呼和浩特市 010051）摘 要:本文以内蒙古自治区发展和改革委员会综合办公楼土壤源热泵系统这个国家示范项目，着重介绍了对于土壤源热泵技术在整个设计和施工过程中的核心问题地热换热器的设计、埋管回填施工和水压试验，以及在工程建成后如何进行跟踪测试，对其进行节能状况评估作了叙述。通过该示范项目，与传统的空调系统进行相比，总结得出了土壤源热泵技术在供热、制冷方面的应用优势，同时也为在内蒙古地区及全国更广泛的推广土壤源热泵技术在设计和施工方面积累了宝贵经验。关键词: 土壤源热泵 地热换热器 内蒙古中部地区 节能 0 引言内蒙古自治区发展和改革委员会综合办公楼的空调系统采用了土壤源热泵技术，该项目是国家第一批可再生能源在建筑中应用示范工程之一，也是内蒙古地区首次使用土壤源热泵技术。内蒙古地区自然资源丰富，尤其是浅层地能十分丰富，在内蒙古地区利用土壤源热泵可有效的替代常规能源，从而可以缓解该地区能源危机和遏制环境污染。本文以该示范项目为实例，对该示范项目中的核心技术地热换热器的设计、埋管施工及水压试验作如下探讨。1工程实例1.1 工程概况内蒙古自治区发展和改革委员会综合办公楼工程位于内蒙古呼和浩特市（在内蒙古中部地区）如意开发区,总建筑面积约5.1万平方米，A区为综合楼，B区为机关办公楼，C区为二级办公楼。本工程冷热源系统采用土壤源热泵系统，地下埋管换热器的数量为724个，占地面积为1.81万平方米。冬季，基本负荷由土壤源热泵系统承担，峰值负荷冬季由燃气锅炉产生经过换热器加热空调系统供水；夏季，冷负荷完全由土壤源热泵系统承担。用户末端主要采用风机盘管新风系统。该工程设有两个相互独立的热泵机房，均选用两台相同的热泵机组，单台制热量为865kw，单台制冷量为835kw。地源热泵机组工况参数见表1：表1 地源热泵机组工况参数 参数工况空调供回水温度（）地埋管侧出水温度为（）冬季供暖50/408/3夏季制冷7/1218/261.2 地热换热器系统设计与传统的空调系统相比较,土壤源热泵空调系统与传统的空调系统的主要区别在于增加了地热换热器,即地下埋管环路。因此，土壤源热泵空调系统设计的核心就是地热换热器的设计，地热换热器的设计与土壤的热物性参数、建筑物负荷以及换热器负荷随时间变化等都有很大的关系，不能仅根据建筑物冷热负荷来简单计算埋管长度。由于地热换热器换热效果受土壤热物性及地下水流动情况等地质条件影响非常大，使得不同地区，甚至同一地区不同区域土壤的换热特性差别都很大。为保证地热换热器设计符合实际，满足使用要求，通常设计前，需要对现场土壤热物性进行测定，并根据实测数据进行计算，从而确定工程的埋管形式、垂直埋管的深度、钻孔数量和分布等情况。1.3 地热换热器埋管施工 本工程采用竖直埋管的换热器，每个钻孔中设置两组U形管，根据实测和计算结果表明：双U形埋管比单U形埋管可提高1520的换热能力，可有效地提高单孔换热能力，减少钻孔数量，从而降低了施工量和初投资。地热换热器及至地埋管分集水器均采用PE管热熔连接。竖直U形管地埋管换热器的安装应在钻孔钻好且孔壁固化后立即进行，下管过程中，U形管内充满水，并每隔24米设一弹簧卡或固定支卡，将U形管分开，以消除管间的热干扰。U形管安装完毕后，应立即灌浆回填封孔，隔离含水层。回填材料热物性的好环直接影响地热换热器周围温度场的分布和局部换热量的大小，因此要求回填材料要有较好的传热性能1。灌浆回填材料采用膨润土和细砂（或水泥）的混合浆，膨润土的比例占46。地热换热器埋管施工中的关键是回填，若要人工从孔口回填，会因压力不够使井内空气排不出来而造成回填料与换热器及孔壁之间空隙较多，严重影响传热效果。本工程采用导管灌浆，由孔底部导入填料逐渐向上反填，排除孔内空气，确保无空隙，保证了传热效果，从而避免了此类问题。1.4 地埋管水压试验 水压试验宜采用手动泵缓慢升压，升压过程中应随时观察与检查，不得有渗漏；不得以气压试验代替水压试验2。聚乙烯管道的水压试验，是为了间接证明施工完成后的管道系统密闭的程度，应进行四次水压试验：1.4.1竖直地热换热器插入钻孔前，应做第一次水压试验，试验压力应为工作压力的1.5倍，且不应小于0.6MPa。在试验压力下，稳压至少15分钟，稳压后压力降不应大于3，且无泄漏现象；将其密封后，在有压状态下插入孔内，完成灌浆之后保压1小时。1.4.2竖直地热换热器与环路集管装配完成后，回填前应进行第二次水压试验。在试验压力下，稳压至少30分钟，稳压后压力降不应大于3，且无泄漏现象。1.4.3环路集管与机房分集水器连接完成后，回填前应进行第三次水压试验。在试验压力下，稳压至少2小时，且无泄漏现象。1.4.4地热换热器系统全部安装完毕，且冲洗、排气及回填完成后，应进行第四次水压试验。在试验压力下，稳压至少12小时，稳压后压力降不应大于3。1.5 项目跟踪测试 目前，该工程在调试、试运行阶段。为了评估该项目建成投入使用后，其节能效果是否能达到设计要求，是否能实现预期目标，本项目在施工过程中在其中一个钻孔中埋设了热电偶，以便机组在运行时进行实时跟踪测试。 本项目温度测量采用的全部是PT100铜康铜热电偶，允许误差为0.5，所有参数测点都使用采控系统，实行连续自动采集和控制，并自动存储数据。热电偶是同U形管一起埋设到钻孔内的，每隔10m布置一个测点，热电偶测点布置见图1： 利用图1的热电偶测点布置来测量土壤温度，及时反应地下土壤温度场的变化，通过对热泵机组在连续运行和间歇运行工况下的测试，可以得出土壤温度的可恢复性对热泵机组的性能是否有影响，从而可以找到一种更能充分换热、更节能的运行方式。同时，要测量热泵机组进出口水温、流量，并且在地源热泵系统的耗电设备处设电表，记录供热、制冷工况的耗电量。通过这些参数的采集、处理后，能得到该系统的能源消耗及能源利用的效率，以便评估其节能效果能否达到设计要求。1.6 节能效果分析本项目是在内蒙古地区首次利用土壤源热泵系统，通常采用该系统每年比传统空调系统可节省运行费用3040，可节约40左右的一次能源。同时，该热泵系统没有锅炉，不用消耗煤炭、石油、天然气等宝贵的一次性不可再生能源，不排放二氧化碳及二氧化硫等有害气体，除使用少量的电能以外，其运行没有任何污染。因此，本示范工程具有显著的节能和提高资源利用率的效果，且由于该工程污染物零排放，能够有效解决关系人民群众健康的突出环境问题。2 土壤源热泵应用优势 2.1 利用可再生能源 土壤源热泵技术是利用地表浅层地能作为冷热源进行能量的转换。地表浅层不仅是一个巨大的太阳能集热器，而且是一个巨大的动态能量平衡系统，能够自然的将接受和发散的能量达到相对的均衡，从而可以无限制的重复利用。所以，土壤源热泵技术是一种利用可再生能源的技术3。 2.2 节能、运行费用低 土壤源热泵系统的COP值一般为36，与传统的空气源热泵相比，要高出40左右，每年运行费用可节约3040左右。研究表明，地下约10m深处的土壤温度比全年的平均温度在多数情况下要高出12，并且几乎无季节性波动。可以分别在冬、夏两季提供相对较高的蒸发温度和较低的冷凝温度。因此，土壤是热泵系统的一种最佳冷热源，并且由于地温较恒定的特性，使得热泵系统运行更稳定、可靠。 2.3 运行稳定 由于土壤温度（地下10m深以下）一年四季相对稳定，其日波动的幅度要远远小于空气的变化，使得热泵系统运行稳定、可靠，系统效率和经济性良好，且无需除霜。 2.4绿色环保 传统的热泵机组大多直接或间接使用煤炭、燃油等，这些燃料燃烧排放的烟气造成了大气污染和温室效应，而土壤源热泵技术是利用地表浅层地能资源，无燃烧产生的排烟及废弃物，不会对环境产生任何污染。土壤源热泵系统不用设置冷却塔和其他室外设备，不存在集中式中央空调的占地问题，节省了空间和土地，大大改善了建筑物的外部形象。 2.5 一机多用 土壤源热泵系统既可供热，又可制冷，还可以利用建筑物的余热提供生活热水，特别是对于同时需要供热、制冷的建筑物，优势更是显而易见。这样就只需配置一套机组即可，从而节省了工程的初投资。3 结束语随着地球上不可再生能源（煤、石油、天然气）的不断消耗，浅层地热能等可再生的清洁能源将成为全世界的一种重要能源。以土壤（岩石）作为冷热源的土壤源热泵技术，非常适合在寒冷地区使用，免去了冷凝器除霜4和对环境的污染等问题。通过本节能项目的节能、环保效应的影响，将为内蒙古中部地区及全国的建筑节能技术的推广起到良好的示范作用，为与呼和浩特市具有类似自然条件的广大西部地区利用浅层地能起到示范和带动作用，有利于推动我国循环经济和可持续发展战略的进程，为创建节约型社会做出贡献。参考资料：1 ASHARE编著，徐伟等译.地源热泵工程技术指南M.中国建筑工业出版社，北京:2001.2马最良，吕悦主编. 地源热泵系统设计与应用M.机械工业出版社，北京：2006.10.3陈东，谢继红编著. 热泵技术及其应用M. 化学工业出版社，