地埋管地源热泵系统热平衡

1、上海外高桥海工楼地埋管地源热泵系统热平衡问题的解决前言环境污染和能源危机已成为当今社会的两大难题。在我国,大约有1/3的电能消耗在商用建筑和民用居所上。如何在享受舒适的室内空气环境的同时付出最少的代价逐渐成为人类的共识,在这种背景下以环保和健康为主要特征的绿色建筑应运而生。尽可能少地消耗能源为建筑物创造舒适环境已经成为空调的发展方向,开发利用天然的冷/热源能够为空调带来节能和环保双重效益,因而越来越受到人们的重视。我们身边的土壤环境就是一个巨大的天然资源,可以随意获取和使用、对设备无害,是一种理想的天然冷热源。在应对当前的能源短缺,建设节约型社会的今天,越来越多的目光投入到建筑能源技术领域。地

2、源热泵由于其节能幅度较大,节能原理浅显易见,引起了人们格外的关注,得到了迅速的发展和应用。地源中央空调系统是一种从土壤资源中提取热量的高效、节能、环保、再生的供热(冷系统。随着土壤深度的增加,土壤的温度趋于稳定,当深度在15m以下时可视为一个恒定的温度值,接近于当地全年平均气温,约在1518,土壤温度波动随土壤深度的变化见下图: 由上图可见,当深度达到15m以下时,地下温度随季节的波动趋于平缓,这就为地源热泵机组的运行提供了有利条件。这就使得地源热泵与采用空气作为冷热源的风冷热泵机组、VRV机组相比具有效率高,运行稳定的优势。采用地源热泵制冷时机组效率可达6.0以上,制热时效率可达5.0,且整

3、个运行季节都稳定,不受外界空气温度影响。本文主要介绍地埋管地源热泵系统在上海外高桥造船有限公司新建办公楼(海工楼的运用。一、地源热泵系统的组成、工作原理与特点 图1 地源热泵系统的组成地源热泵系统主要由地埋管换热器、地源热泵机组、循环水泵、用户端风管、水管等组成(见图1。 图2 地源热泵系统工作原理图地埋管换热器是由高密度塑料PE管组成的闭式环路。循环介质为水或加有防冻液的水溶液。系统夏季运行时,通过地下换热管中介质的循环流动,将地源热泵机组冷凝器放出的热量散发给土壤。冬季运行时埋在地下换热管中的介质从土壤中吸收热量并将它传递给地源热泵机组的蒸发器(见图2。 地埋管换热器主要有两种埋管形式(图

4、4:垂直埋管系统,水平横埋管系统图4 地埋管换热器的形式(左:垂直埋管系统右:水平埋管系统二、上海地区采用地源热泵系统的可行性分析上海地区属于“夏热冬冷”地区,近几年最热月平均气温已达30.2,最冷月平均气温为4.2。最冷月与最热月平均相对湿度分别为75%、83%。高于35的酷热天气长达半个月至一个月,日平均温度低于5的天数长达两个月以上。因此每年传给土壤的冷热量基本相同,能充分发挥土壤蓄能的作用,适合于地源热泵系统。地源热泵的地下埋管换热器所处的位置是在地壳中的浅层地表土壤中。土壤的类型、热特性、热传导性、密度、湿度等对地源热泵系统的性能影响较大。根据地质钻探可知上海地区浅层土是以粘土、亚粘

5、土及粉砂为主的软土,属于第四世纪沉积层,且土壤潮湿,地下水位高,是埋管系统较适合的土壤类型。海工楼后面有一片绿地,可提供办公楼地源热泵系统布管的土壤面积。因此项目用地源热泵空调系统是非常适合的。三、项目概况3.1 建筑概况海洋工程新建办公楼(简称海工楼项目位于上海外高桥造船有限公司厂区内(洲海路3001号,纬五路南侧靠洲海路位置。建设用地面积约17800平方米,建筑层数地上15层,地下1层,建筑高度62.4米。建筑功能用途:办公、科研、会议、接待,展示。总建筑面积21886平方米,其中地上建筑面积17476m2,地下建筑面积4410 m2(汽车库和设备房。3.2 空调概况项目是上海外高桥造船有

6、限公司集办公、科研、会议、接待,展示公司形象于一体的标志性建筑,采用地源热泵系统作为裙房及主楼一至二层的提供冷热源,空调区域总冷负荷为825KW,总热负荷为530KW。地源热泵空调系统冷热源由地下室机房的2台地源热泵机组提供, 每台热泵机组制冷量为446kW, 制热量为480kW, 夏季冷冻水供回水温度7/12, 冬季热水供回水温度45/40,室内空调系统及室外地埋管换热器循环系统水泵均采用两用一备。四、地埋管地源热泵系统4.1 地埋管地源热泵系统选择本工程地处长江入海口冲积平原, 地下2m 就有水, 地下水位较高, 土壤湿度大, 打孔造价低, 土质的传热、蓄热性好, 根据以往工程经验和数据,

7、 针对此地质条件以大地作为冷热源, 采用地埋管地源热泵系统即满足了用户需常年制冷( 供热 的要求, 又节约能源。4.2 地埋管换热器布置因本工程高层建筑周围可供布管的地面较少,采用节约用地面积, 换热性能好的垂直埋管形式。整个地埋管热交换器总共210口井, 每口井深80米,两井间距根据现有的施工条件在4m5m, 能确保两孔间的热量不互相干扰。系统均采用同程式连接。地下换热系统主要技术参数如下表: 上海富田空调地源热泵事业部谢业惠 133*海洋工程办公楼地埋管地源热泵系统介绍 地埋管换热系统布局图 五、系统热平衡问题 地源热泵系统的热源和热汇都是扩散半径范围内的土壤，在系统供冷供热期间， 地埋管

8、换热器向周围土壤持续排热或取热， 在一年内由于冬夏冷热负荷大小与运行时 间不同，换热器向地下排放热量与取热量并不一致，随着年份的增加，土壤出现了冷 热堆积，土壤温度呈明显的升高，造成机组性能衰减甚至停机，这即通常称谓的地埋 管地源热泵热平衡问题。在上海地区，夏季冷负荷明显大于冬季热负荷，制冷运行时 间也比采暖时间长，所以系统向地下放热量大于取热量，地埋管换热器四周的土壤温 度逐年升高，夏季换热器内水的运行温度逐渐上升，从而可能引起机组制冷性能的衰 减。 解决方法： 解决方法： 工程上常见的解决土壤热平衡的措施有：冷却塔调节、提供热回收生活热水、土 壤源优化分组、增大埋管间距、设置土壤温度监控测

9、试系统等，本项目中生活热水需 -6- 海洋工程办公楼地埋管地源热泵系统介绍 求太小,职工浴室离海工楼距离 300 米以上， 增加热回收无论初投资还是后期运行费用 都不经济，海工楼作为外高桥造船厂的标志性建筑从外观上不允许放置冷却塔。所以 本项目采用以下几个措施： （1）间歇运行 本项目的办公楼负荷特性是建筑负荷时间比较集中，间歇性运行的空调系统。间歇 过程有利于地温恢复，更有利于土壤与换热器间充分换热。 （2）地下热传导 本项目的埋管区域正好是饶着建筑的圆弧形,宽度在3555米之间, 而埋管区域 内的热量是从埋管区域外往内传导,这样的埋管方式(增加埋管间距,分散布置减少内 区埋管正好有利于减小

10、土壤不平衡，根据本项目建筑实际情况，埋管间距埋管间距取 44.5m。根据工程经验地埋管单井导热范围即吸收和释放热量的范围最大为半径 5.1m。本工程共打井210余孔，占地面积较大。埋管区域一般是边缘的地埋管井很容易 交换热量，而内部的地埋管井交换热量较困难。就像怀里揣了块石头，石头小了能揣 热，而石头大了就只能暖热石头表面，暖热不了石头里面。本地下换热系统占地是饶 着群楼埋管，埋管区域外圈很大，通过地下热传导自动实现热平衡。 （3）土壤换热器优化分组和优化运行策略 为了增加系统部分负荷的可调节性，降低运行能耗，同时提高土壤的恢复能力， 本项目最好将土壤换热器系统设计为 2 个区域，每 1 个区

11、域对应一台主机；在部分负 荷下，轮换运行使用不同的土壤换热器区域，降低土壤温升的风险。 本项目选择的是 2 台相同容量主机， 可根据回水温度与地温来决定机组开启台数。 （4）地下渗流 上海地区地下水位高，含水量充足，加上项目位于长江入海口，地下水渗流速度 相对较大，根据相关专业文献说明地下水渗流对地埋管换热器传热的影响很大，地下 水渗流速度对地埋管换热器的传热可以产生显著的影响。 地下水的渗流有利于地热换热器的传热，也有利于减弱或消除由于地热换热器吸 放热不平衡而引起的热量累积效应。有工程经验认为 2000 的冷暖系统，渗流可以解 决 40-60%的热平衡问题；5000 以上的冷暖工程，渗流可以解决 10-20%的热平衡问 题，系统越大渗流可以解决热平衡问题的能力越小。 综上所述，由于本项目所具备的可采取的间歇运行、增加埋管间距,埋管区域分 散布置减少内区埋管,增加地下热传导、长江边上地下渗流流速较高等多重优势组合, -7- 海洋工程办公楼地埋管地源热泵系统介绍 热平衡可以得到很好的解决. 六、 结束语 此项目由于是大型国有企业上海外高桥造船有限公色新建标志性大楼，外观要