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地源热泵系统在住宅项目中的应用

发表时间：2021/6/4 来源：《基层建设》2021年第2期作者：陈鑫力☆ 贾金鹏董志勇刘浩姬传恩

[导读] 摘要：通过对地源热泵系统特点及应用现状分析，结合实际住宅项目情况，对科技系统能源侧进行了介绍。

        天津津辉置业有限公司天津市 300202
        摘要：通过对地源热泵系统特点及应用现状分析，结合实际住宅项目情况，对科技系统能源侧进行了介绍。根据项目初期土壤源测试井热工参数，制订了地源热泵系统全年运行策略。对该项目运行数据研究后，证明地源热泵系统在合理的运行模式下，能够保证土壤内热量平衡，可作为节能、经济、稳定的能源形式应用于较大规模住宅中，为打造低碳经济做出贡献。
        关键词：地源热泵科技系统土壤源热量平衡运行策略
        Application of ground source heat pump system
        in residential project
        Chen Xin-li☆，Jia Jin-peng，Dong Zhi-yong，Liu Hao and Ji Chuanen
        （Tianjin Jinhui Real Estate Co.，Ltd，Tianjin，300202，China）
        Abstract：The energy side of science and technology system is introduced through the analysis of the characteristics and application status of ground source heat pump system.According to the thermal parameters of the ground source test well in the initial stage of the project，the annual operation strategy of the ground source heat pump system is formulated.It is proved that the ground source heat pump system can ensure the heat balance in the soil under a reasonable operation mode after studying the operation data of the project，Ground source heat pump system can be used as an energy-saving，economic and stable form of energy in large-scale residential buildings，and contribute to building a low-carbon economy.
        Keywords ground source heat pump，science and technology system，ground source，heat balance，operation strategy
        0 引言
        地源热泵系统是通过输入少量电能等能源，利用浅层或深层的大地能量（如土壤、地表水、地下水等），由热泵机组向建筑物供冷或供热的系统。根据浅层地热能的来源可分为土壤源热泵系统、地表水源热泵系统、地下水源热泵系统[1]。
        土壤源系统经过多年的工程应用表明，其作为一种可靠的能源形式，具有后期运行费用低、使用寿命长、清洁环保等诸多优势。土壤源热泵系统相对于空气源热泵应用范围及领域更加广泛，能够创造出更好的经济、社会、环保效益。本文通过实际工程案例，对地源热泵系统的应用情况进行专项描述，并对今后的发展前景进行展望。
        1 系统特点及形式
        1.1 特点
        地表向下50-150米左右，一年四季的温度相对恒定，一般在15-20℃左右。从能耗角度分析，地源热泵系统利用储存与地下或地表浅层取之不尽的能源，成为可再生能源的一种形式。地源热泵系统之所以节能，是因为其将土壤、地表水或地下水作为能源，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天可将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。通过消耗少量的电能，实现能量由低位向高位或由高位向低位的转换，从而充分利用地下能量。
        在相同工况下，只消耗约40-50%的能源，就可提供同等热量，相对于其它系统形式优势显著：比溴化锂系统节能约65%；比蒸汽压缩式制冷节能最高达40%；供热比锅炉形式节能约35%[2]。系统在运行时，由于不使用天然气、汽油、氟利昂等燃料和冷媒，可有效减少温室效应及对臭氧层的破坏，是一种环境友好型的供热形式。
        1.2系统形式
        地源热泵系统根据系统交换形式的不同，主要分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。
        1.2.1垂直式
        垂直埋管式地源热泵属于土壤源地源热泵系统的一种形式[3]。它是通过垂直埋入地下的换热器利用地表浅层土壤中储存的低温能，将闭合换热系统埋置在50-400m深的岩土体与土壤进行冷热交换。在冬季，地源热泵从大地中收集自然界中的能量，由热泵装置通过压缩机和热交换器将大地的能量集中起来，以较高的温度提供给室内，不需要辅助热源；夏季地源热泵系统将室内多余热量不断排出而被大地所吸收，使建筑物内保持适当的温度。
        垂直埋管式地源热泵又可分为U型管式、套管式和单管式3种，比较常用的是U型管式。直埋管式地源热泵的优点是运行及维护费用低，占地面积小，充分收集大自然的能量不产生任何污染，节能效果明显。此种系统适合于制冷供暖面积较大的建筑物，周围有一定的空地，如写字楼、办公楼、小区等。
        1.2.2水平式
        水平埋管式地源热泵也是属于土壤源地源热泵系统的一种，有单管和多管两种形式。将室外换热管以水平方式安装在地下，埋管一般离地下2-3m。通过水平埋置于地表面以下的闭合换热系统，与土壤进行冷热交换。
        与其他地源热泵相比，换热效率高，节能效果明显，运行及维护费用低，室外施工费用相对较低，冬季供暖无需辅助热源，不产生任何污染，但是占地面积较大，此种系统适合于制冷供暖面积较小的建筑物，如别墅和小型单体楼。
        1.2.3地下水式
        地下水源热泵系统以地下水为热源。冬季热泵机组从地下水中吸热，对建筑物供暖，将取热过的水排到地下。夏季则相反，地下水将热泵机组的冷凝热带走，同时将热量带给地下水。其优点是运行及维护费用低，室外施工费用低，占地面积小、换热效率高，节能效果明显，不产生任何污染。但是，地下水源热泵有可能会引起地下水温、水质的改变。此系统适合建筑面积大，周围空地面积有限的大型单体建筑和小型建筑群落。
        1.2.4地表水式
        地表水式地源热泵系统利用池水或湖水下稳定的温度和显著的散热性，不需钻井挖沟，通过布置在水底的闭合换热系统与江河、湖泊、海水等进行冷热交换。此种系统适合于中小制冷供暖面积，临近水边的建筑物。初投资较小，但需要建筑物周围有较深、较大的河流或水域[4]。
        2 工程案例
        2.1 项目简介
        近年来，作为清洁能源类型的土壤源热泵系统，在办公、学校、商场、工厂等各类业态中，出现的身影越来越多，并且在各种绿色建筑评价中起到至关重要的作用[5]。然而在住宅项目中，特别是成规模的住宅小区却难觅踪迹。究其原因，土壤源热泵系统作为较小规模建筑使用时，其热平衡及后期运维较成熟，并且有较多的成功案例；但若大规模应用于小区项目，前期设计、中间施工、后期运维环节往往难以连贯起来。因此，对于土壤源热泵系统在大规模住宅项目的应用，各地区的相关单位投入精力较少，后期运维能力不高[6]。
        天津上东金茂府位于天津市东丽区，为金茂“府系”标准住宅，土壤源热泵系统作为科技住宅的重要组成部分，应用于本项目中。此外，上东金茂府科技住宅还包括了单元式新风系统、毛细管网辐射系统、户内地送风末端、制冷机组与冷却塔（辅助冷源）、燃气锅炉（辅助热源）等，诸多节能技术助力此项目成为天津市首个获得BREEAM绿建四星认证的住宅项目（图1）。以下对地源热泵系统相关技术进行重点介绍。

        图1 上东金茂府BREEAM绿建四星证书

        图2 绿建评审模型及数据（1）

        图3 绿建评审模型及数据（2）

        图4 绿建评审模型及数据（3）

        图5 绿建评审模型及数据（4）
        2.2 冷热负荷分析
        对成湖项目C1地块整体进行DeST建模（图6）。计算模型如下图：

        图6 成湖C1 DeST计算模型
        表1 冷热负荷指标及冷热量

        图7 逐月冷热负荷
        根据表1中冷热负荷指标及图7中逐月冷热负荷，可以看出，夏季建筑冷负荷大多集中在峰值负荷的10-60%之间，大于峰值负荷60%的时间只占到整个供冷季的6%左右，大于峰值负荷80%的时间只占到整个供冷季的1%左右，见图8。

        图8 冷负荷范围
        冬季建筑热负荷大多集中在峰值负荷的40-80%之间，大于峰值负荷80%的时间只占到整个供暖季的8%左右，低于峰值负荷20%的时间约占供暖季的10%左右，见图9。

        图9 热负荷范围
        3 地源热泵系统分析
        系统主要由室外地埋管换热管线、地源热泵机组、制冷机组、燃气锅炉、冷却塔、组合式新风机组、户内毛细管网系统及新风、回风系统。制冷机组、燃气锅炉、冷却塔作为辅助冷、热源使用，地源热泵系统能源供应占比约50%。以下主要针对地源热泵系统进行介绍。
        3.1 地源测试井
        测试时间：2017.9.17-2017.9.23
        测试地点：项目所在地现场（见图10）
        测试对象：本次针对2个试验孔进行岩土热响应试验
        测试孔参数：见表2
        测试孔试验时间：见表3

        图10 土壤源热泵测试井位置
        表2 成湖C1地埋测试孔参数

        表3成湖C1地埋测试孔试验时间

        土壤特性：地源热泵系统的性能好坏与当地土壤热特性密切相关，地源的最佳间隔和深度取决于当地土壤的热物性和气候条件。土壤的热特性研究主要包括土壤的能量平衡、热工性能、土壤中的传热与传湿以及环境对土壤热物性的影响等[7]。
        3.2热响应测试结果
        1）采用旋转钻机进行成孔，成孔深度均为150m，下管深度均为140m，井深度均为144m。地层岩性主要为粉土、粉质粘土、粉砂、细砂；
        2）土壤的原始温度按15.6℃（见图11）；
        3）室外换热孔综合换热系数参考值3.43W/（m•℃）；
        4）测试工况下，夏季（30/35℃）每延米排热量57.96W/m，冬季（4/8℃）每延米取热量32.92W/m（详见表4）；
        5）为群孔运行，后期设计时需考虑预留10%的裕量。

        图11 土壤源热泵测试井参数
        表4 试验孔换热系数及热量

        3.3 上东金茂府C1地块地埋井概述
        1）地埋换热器采用PE100双U型De32的垂直埋管，深度135m；
        2）根据相关工程经验，为保证工程进度，避开本项目首开区，C1地块下可打换热孔数500口，其中绿地下打孔185口，首开区外的车库底板下315口；
        3）根据岩土热响应报告数据，考虑10%群孔系数，考虑5%坏井率，考虑10%安全系数；
        4）冬季地埋管取热量约32.92W/m，即总取热量约600x135x32.92/1.1/1.05x0.95=2193kW。地源热泵机组最大有效供热量约2631kW，供热占比50.1%；
        5）夏季地埋管散热量约57.96W/m，即总排热量约600x135x57.96/1.1/1.1x0.95=3685kW。地源热泵机组有效供冷量约3071kW。供冷占比53%。

        图12 地埋管布置图
        3.4大区系统组成
        1）在理想情况下，地源热泵供暖占比约50%，满足金茂科技系统标准中，地源热泵控制范围的要求；
        2）项目因成本等原因对地库面积和机房面积要求较高，需重点考虑。本项目拟建一个冷热源机房，地源热泵系统在C1地块下打井（见图12）；
        3）可采用的冷热源方案分析如下：
        地源热泵（供热占比50%）+燃气锅炉（供热占比50%）+调峰冷机+冷塔，详见图13及表5。

        图13 冷热源系统组成
        表5 冷热源主要设备

        3.5冷热源方案与运行策略
        1）除主要水泵选用变频泵之外，对各主机的负荷变化率，以及流量变化率均提出要求，从而更好的实现整个系统在满足各种工况下，变流量运行的要求；
        2）调峰冷机与地源热泵主机容量相当，调节更方便，水力平衡更易实现。
        3）冷热源系统及末端组成见图14，图15。

        图14 冷热源系统示意图（1）

        图15 冷热源系统示意图（2）
        3）地源冷热平衡分析
        供冷工况下释放到土壤中的热量=空调负荷x（1+1/EER）+输送过程得热量+水泵释放热量；供暖状态下从土壤中吸收的热量=空调负荷x（1-1/COP）+输送过程失热量-水泵释热量。
        本项目通过全年动态负荷配比地源热泵运行时间，进行热平衡分析：①在不考虑冷热平衡情况下，地源热泵优先运行，计算全年不平衡率；②调整地源热泵运行时间，确保全年土壤热平衡[8]。
        地源热泵连续运行情况下，冬季向地下取热为：热泵机组蒸发器的散冷量，本项目2台热泵机组最大土壤散冷量约2056kW；夏季向地下排热为：热泵机组冷凝器的散热量，本项目2台热泵机组最大土壤散热量约3070kW，见图16。
        供暖季：11月1日至次年3月30日，共140天；制冷季：5月15日-9月30日，共137天。
        若采用地源热泵优先连续运行，地源侧冬季总取热量：6.13x106 kWh；地源侧夏季总散热量：5.80x106 kWh。夏季散热量小于冬季取热量，不平衡率约5.7%，见图17。

        图16 夏季散热量及冬季取热量
        地源热泵逐时向土壤取热和散热量：

        图17 取热量与散热量不平衡率分析
        根据以上不平衡率，需地源热泵调整运行时间。供暖季末期，土壤温度下降较快，地源热泵热效率下降较快，需有效控制地源热泵供暖季末期的开启时间。
        调整后的供暖季：11月20日至次年2月28日，共120天；制冷季：5月15日-9月30日，共137天。
        采用地源热泵优先连续运行，地源侧冬季总取热量：5.81x106 kWh，地源侧夏季总散热量：5.80x106 kWh，不平衡率约0.2%（图18）。夏季散热量与冬季取热量基本相同，满足规范要求。
        因此，地源热泵机组的运行策略为：地源热泵冬季供暖优先运行，从11月下旬至2月底，冬季后期地温场温度下降较快，3月初后停止运行，采用燃气锅炉采暖，提高系统COP的同时，可调整冬季取热量与夏季释热量的平衡，保证土壤源温度场的稳定，确保系统正常运行。

        图18 调整后取热量与散热量不平衡率分析
        综上所述，全年冷热源系统运行模式如下：
        1）优先启动土壤源热泵机组；
        2）容量不足时，即热泵机组>额定供冷、供热量95%时，启动辅助冷水机组或燃气锅炉；
        3）设置地源温度场监测功能，当土壤温度过低＜4℃时，或如土壤温度过高＞37℃时，地源热泵机组停止运行，启动调峰锅炉或冷机。
        4）冷源/热源设定轮值功能，土壤源换热器分组投入使用，使各机组均处于高效运行状态，且克服土壤的热惰性以实现自平衡。
        3.6节能运行策略
        实际运行时，在制冷季初期（4月末），因土壤经整个冬季热泵释冷后温度场较低，可通过地源侧板换直接换冷为末端进行初期供冷，可有效延缓冷机启动时间，降低运行费用[9]。
        4 结束语
        地源热泵作为一种可靠、环保、节能的能源方式，是建筑物供暖和制冷的合理可行选择。作为金茂科技住宅的核心技术，地源热泵系统在减少二氧化碳，氮氧化物、硫化物的排放、打造社区清洁环境，减少城市热岛效应等方面中，做出了突出贡献。
        地源热泵技术在降低投资、提高效率及系统稳定性方面还有较大提升空间，在后续发展过程中仍需持续改进[10]。随着技术更新迭代及在更多项目中经验的积累，其必将在发展低碳经济，助力社会可持续发展中发挥更大的作用。
        参考文献：
        [1]武瞳，刘钰莹，董喆，方莹，刘益才.地源热泵的研究与应用现状[J].制冷技术，2014，34（4）：71-75
        [2]李高建，胡玉叶，地源热泵技术的研究与应用现状[J].节能技术，2007，2：176-178
        [3]王丽丽，魏宝军.浅析我国地源热泵现与发展前景[J].基层建设，2017，10：32-34
        [4]张秀峰.浅析地源热泵的应用[J].科技尚品，2017，5：：63-64
        [5]Han Jingyang，Cui Minghui，Chen Junyi，Lv Wenjuan.Analysis of thermal performance and economy of ground source heat pump system：a case study of the large building[J].Geothermics，2021，89：101-103.
        [6]孙建平，王景刚，张子平.地源热泵系统运行特性的分析[J].华北电力大学学报，2004，31（5）：52-55.
        [7]郝赫，张素芳，李妍，史勇.负荷平衡度对地源热泵系统的影响[J].暖通空调，2014，02：51-54
        [8]Hao Wu，Wanfu Liu，Wuqin Qi， Shuo Ma，Analysis of refrigeration and heating efficiency of ground source heat pump[J].E3S Web of Conferences，2021，233：38-39
        [9]徐卫荣，夏卓平，邱建中，土壤源热泵系统运行策略及优化分析[J].制冷与空调，2020，34（6）：77-78
        [10]王永镖，李炳熙，姜宝成.地源热泵运行经济性分析[J].热能动力工程，2002，06：75-77
        作者简介：陈鑫力（1986.12.9），男，天津市，硕士学位，工程师，主要从事建筑节能及暖通空调方面研究（18521543@qq.com）。
        作者基本情况表