谢雨东
浙江省天正设计工程有限公司
摘要：本文通过浙江杭州某工业厂房地源热泵系统的设计，浅析地源热泵在工业厂房的应用。
关键词：地源热泵 工业厂房
The application of geothermal heat pump system to industrial building
Abstract：From the design of geothermal heat pump system to industrial building，analyzing the application of geothermal heat pump system to industrial building。
Keywords：geothermal heat pump system industrial building
1引言
地源热泵是利用地球表面浅层水源（如地下水、河流和湖泊）和土壤源中吸收的太阳能和地热能，并采用热泵原理，既可供热又可制冷的高效节能空调系统。即输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地下去。它不向外界排放任何废水、废气，能有效保护环境，是一种高效、节能的可再生能源空调系统形式。
2工程概况
本工程位于浙江杭州某工业园区内，总建筑面积约9000m2，共三层， 其中一层为冲压车间，二层为模具车间，三层为成品仓库，一层、二层采用舒适性空调，三层采用调温型除湿。建设地属于夏热冬冷地区，夏季有制冷要求，冬季有制热要求，满足地源热泵的先决条件。
3空调负荷
本工程地源热泵空调主要用于车间一层和二层。本工程负荷特点：⑴、车间内具有设备散热(且比较稳定)，占总冷负荷的绝大部分；⑵、本车间围护结构的负荷只占很小一部分，可视为比较恒定的；⑶、夏季冷负荷高，冬季热负荷小；⑷、车间只对温度要求，无湿度要求。
空调面积约6000m2，按杭州气候参数，夏季条年使用120d，冬季使用90d，每天按10个小时计算。根据负荷计算软件算得本车间夏季最大冷负荷为1170kW，冬季最大热负荷为610kW。根据全年动态负荷计算结果，夏季总冷负荷累计约为1160000kWh，冬季总热负荷累计约为450000 kWh。
由于夏季的总冷负荷和冬季的总热负荷相差悬殊，本项目以冬季的热量来选择供热方式，而夏季其余部分采用冷却塔解决。
4地质勘探及换热参数测试
本工程前期地质勘探及换热参数测试由浙江某地质勘探院完成，通过现场勘探及实际换热试验，提供了本次设计最关键的设计参数。
4.1地质勘探
根据钻探结果，可将底层分为7个工程地质层，10个亚层，详见下简表：
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简述 |
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1 |
素填土 |
主要由砂质粉土组成，厚度1米，底层深度为1米 |
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2-1 |
砂质粉土 |
主要由云母碎片组成，厚度12.5米，底层深度为13.5米 |
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2-2 |
粉砂 |
含石英、云母碎片，厚度2米，底层深度为15.5米 |
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2-3 |
层状土 |
主要由层状粉土和粘性粉土组成，厚度12.5米，底层深度为28米 |
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3 |
粉质粘土 |
局部流塑，厚度为7米，底层深度为30米 |
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4 |
粉质粘土 |
局部流塑及软可塑，厚度为28米，底层深度为58米 |
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5 |
硕砂 |
含原硕，厚度为3米，底层深度为61米 |
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6 |
粉质粘土 |
硬塑，局部硬可塑，厚度为14米，底层深度为75米 |
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7 |
泥质粉砂岩 |
全强风化，含少量矿物，层状构造，本次勘探未揭穿该层 |
4.2换热参数测试结论
（1）地埋管深度为75米，φ32单U管（PE聚乙烯管）平均单孔放热功率为3.72kW，平均单孔取热功率为3.17kW。
(2)通过双桥静力触探试验，地埋管孔在桩基础50cm以外施工基本不影响。
(3)本项目适合采用土壤源热泵技术。
5冷热源选择
无论从空调冷热负荷及全年动态负荷来看，该工程全年的总冷量远大于总热量，为保持土壤的热平衡，以冬季负荷为依据设计地埋管系统，即冬季热负荷全部由地埋管及地源热泵机组系统承担，夏季空调冷负荷部分由地埋管承担，其余的采用冷却塔补充。
方案一：一台地源热泵机组+一台水冷冷水机组，冬季采用地源热泵机组供暖，夏季采用地源热泵机组和水冷冷水机组共同供冷。
方案二：两台地源热泵机组，冬季采用其中一台地源热泵机组供暖，夏季采用两台地源热泵机组供冷。
因地源热泵机组没有水冷冷水机组的COP值高，因此方案一的初投资以及运行费用比方案二低。但因业主要求以及项目的特殊性，本项目不设额外备用机组，但要求所设的两台机组能在冬夏季互为备用，以保证其中一台机组检修时，空调系统还能正常运行，维持生产车间的正常工作。
综上所述，本工程选用两台一样的地源热泵机组作为冷热源，两台机组冬夏季都可相互备用，冬季由一台机组供热，夏季由两台机组供冷。由于本车间夏季冬季负荷相差悬殊，因此，夏季设两台冷却塔，补充夏季冷负荷。
根据冬夏季负荷选择地源热泵机组，两台地源热泵机组，每台制冷量为585kW，制热量为616kW，制冷时COP为5.06，制热时COP为4.61。夏季：负荷侧进出水温度7/12℃，冷却侧32/37℃；冬季：地源侧10/5℃，负荷侧45/40℃。空调末端为常规设计，采用吊顶式空调及风机盘管。
6地源热泵系统设计
6.1地源热泵系统流程图设计
根据以上的结论，地源热泵系统流程简图如下：
说明：
1) “夏季制冷1”：地下冷热负荷平衡后，夏季制冷状态；“夏季制冷2”：地下冷热负荷平衡前，夏季制冷状态；“夏季制冷3”：地下冷热负荷平衡后，DYRB-1.2检修时的制冷状态；“夏季制冷4”：地下冷热负荷平衡后，DYRB-1.1检修时的制冷状态；“夏季制冷5”：地下冷热负荷平衡前，DYRB-1.2检修时的制冷状态；“夏季制冷6”：地下冷热负荷平衡前，DYRB-1.1检修时的制冷状态；“冬季制热1”：冬季开DYRB-1.1的制热状态；“冬季制热2”：冬季开DYRB-1.2的制热状态。
2) DYRB-1.1与DYRB-1.2冬夏季时都可互为备用，即在一台设备检修时，可保证冬季全部热负荷和夏季部分冷负荷。
3) 夏季使用天数为120d，冬季使用天数为90d；根据全年负荷情况，地源热泵冬季使用天数为90d，地源热泵夏季使用天数约为95d，其余部分由冷却塔解决；同时通过地下土壤以及冷却回水温度监测，分析地下土壤长时间的温度变化，从而在保证系统最大节能运行。
6.2地埋管的形式及布置
根据地质勘探的分析报告，综合考虑各种因素，本工程地源换热系统设计为垂直单U形地埋管系统，经分析，采用Dn32的单U形地埋管系统，钻孔孔径取150mm，管路布置采用并联多环路异程系统，尽量布置在生产车间旁的绿化带上面，不足部分布置在生产车间的正下方。连接地源井的水平支管采用4～5口井一回路，同程式连接，根据地埋管孔布置图设置单级分集水器，共6个并联环路，并在集水器上设置平衡阀，水平埋管深约2米，系统最高点设自动排气阀。
经计算，共需地埋管孔数200个，考虑一定余量后实际钻孔数为240个，钻孔间距最小为4m，个别孔位根据现场情况适当调整。地下地埋管布孔平面简图如下：
6.3地埋管的管材及连接
地埋管采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热率大，流动阻力较小的聚乙烯(PE)管，地埋管的质量应符合“给水用聚乙烯(PE)管材”GB/T13663及“冷热用聚乙烯（PE）管道系统”GB/T19473.2的要求，管材公称压力为1.6MPa，U形竖直埋管采用Dn32的PE管。连接管道小于等于Dn63采用电熔连接，大于Dn63可采用热熔连接。管道的施工必须满足“埋地聚乙烯给水管道工程技术规程”CJJ101-2004的有关规定。
6.4地埋管长期运行的可行性分析
通过夏季冷冻水冬季热水的流量累计，转成负荷来估计夏季的地源侧的运行时间。并通过传感器不断检测夏季冷却水（地源侧）回水温度，当回水温度达到32°时，地源侧的冷却效率就会低于冷却塔效率，此时需关闭地源系统，开启冷却塔系统。而相对冬季而言，随着土壤温度的升高，其运行效率将更加高效。
7设计总结及建议
根据本工程设计可以得出以下结论及建议：
(1)通过本工程的地源热泵设计，可见地源热泵系统在工业厂房中也是可行的。地源热泵不仅高效、节能、环保，其运行费用比传统中央空调系统大约低25%，鉴于地源热泵初投资比较大，如果没有相关政策补贴，很难在工业厂房中推广。
(2)为了降低初投资以及运行费用，夏季冷负荷宜由水冷冷水机组（冷却塔散热）+地源热泵机组（地埋管散热）共同承担，冬季热负荷全部由地源热泵机组（地埋管吸收）承担。
参考文献
(1) GB50366-2005（2009版） 地源热泵系统工程技术规范
(2) CJJ101-2004 埋地聚乙烯给水管道工程技术规程
(3) 陆耀庆 实用供暖空调设计手册（第二版）
(4) 徐伟等译 地源热泵工程技术指南 中国建筑工业出版社2001
(5) 施春燕 姚国梁 地源热泵空调在某地下商业建筑中的运用 浙江省暖通空调动力学术年会论文集2009 P115～P122 |
