垂直地埋管地源热泵空调系统设计

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简介：通过国税局办公大楼采用土壤源（垂直埋管）热泵的空调设计，介绍土壤源热泵的设计方法、施工工艺。同时根据该空调工程实际运行模式的参数测量、数据处理，得出土壤源（垂直埋管）热泵是一种节能、环保的空调能源。
关键字：土壤源热泵，垂直埋管，节能

　　近年来随着能源和环境的问题日益严重，在满足人们健康、舒适要求的前提下，合理利用能源，保护环境，减少常规能源消耗、节约能源已成为暖通空调行业需要面对的一个重要课题。土壤源热泵热泵空调系统是通过吸收大地（包括土壤、井水、湖泊等）的冷热量，冬季从大地吸收热量，夏季从大地吸收冷量，再由热泵机组向建筑物供冷供热而实现节能，是一种利用可再生能源的高效节能、无污染的既可供暖又可制冷的新型空调系统。为了合理利用能源、减少常规能源消耗、节约能源，大力推广这种新型节能空调系统，对设计、施工运行指导，国家建设部相继颁布了民用建筑及公共建筑节能设计标准，地源热泵系统工程技术规范。本文对宁波鄞州区国税局土壤源(垂直埋管)热泵空调设计、施工、调试及运行情况作了较详细的论述，供同行借鉴参考。

一、 工程概况

　　宁波市鄞州区国税局办公楼坐落在风景优美的宁波鄞州区鄞县大道旁，它是一幢办公性质综合楼。本建筑地上十九层，地下一层（主要为设备层及车库）。其中一至三层主要功能区为大厅、纳税大厅、办公室、餐厅、活动室，四至九层以及十一至十九层主要功能区为办公室、会议室、多功能厅、招待所，十层为信息中心、办公室，总建筑面积约为26000平方米，空调面积约为19000平方米。建筑高度为71.1米。

　　建筑外景

二、设计参数及空调冷热负荷

　　1、室外计算参数：（参见宁波地区气象参数）

　　2、室内设计参数：

房间名称夏季冬季新风m3/h·p噪声CLB(A)温度℃相对湿度%温度℃相对湿度%办公25<6520>3530<50会议25<6520>3525<50餐厅26<6520>3530<50大厅26<6520>3520<50

　　3、本工程空调逐时冷负荷综合最大值：2400KW，空调总热负荷：1600KW。

三、空调系统设计

　　1、空调系统划分

　　本工程空调系统由两个系统组成：K---1 由五台美国原装进口的Waterfurce热泵机组（每台机组的制冷负荷为88Kw），供十层、十五层、十四层局长办公室、十八层、十九层使用，该系统主要是满足十层计算机房、局长办公室、接待、多功能厅等特殊的场所的用途。K---2 由两台意大利克莱门特热泵机组（每台机组的制冷负荷为968Kw），供一至九层、十一至十三层、十六、十七层办公使用。

　　2、空调系统主要设备选择

　　选择五台 Waterfurce制冷量 Q=88Kw热泵机组、两台制冷量 Q=968Kw意大利克莱门特热泵机组。

　　五台小机组，夏冬季的制冷、制热转换是通过机组内置的电动四通换向阀转换制冷剂的流向来达到制冷、制热转换。而两台大机组通过外面设置的十二个手动阀门切换冷冻、冷却水来实现夏冬季制冷、制热转换。

　　3、空调水系统设计

　　（1）空调冷冻水系统采用一次泵变流量系统，管道附设采用竖向同程、水平同程。

　　（2）空调冷却水系统采用一次泵定流量系统，管道附设采用十四个水平同程环路。

　　4、空调系统方式

　　（1）一~四层大厅、餐厅采用空调风柜加低速风道系统。

　　（2）办公采用风机盘管加新风系统。

　　5、空调系统的自动控制：采用DDC控制系统。

四、室外垂直埋管换热器设计

　　由于埋管换热器中循环介质与大地岩土间的换热情况相当复杂，因此土壤源热泵热泵空调系统的设计难点主要集中在地下换热器的设计上。埋管形式、埋管或竖井的间距、埋深、管径、循环介质的流量等既是影响埋管换热器与大地岩土间换热的重要因素，又是构成埋管换热器具体形式的主要参数。此外，埋管地点的地质状况、气候特征、建筑物的负荷变化状况也都影响换热器的换热，其中地下岩土的热物性对传热的能力影响很大。

　　由于设置室外垂直埋管换热器的主要费用是钻孔工程的费用,因此正确设计室外垂直埋管换热器埋管的长度对于保证空调系统的效果和经济性十分重要。目前，国内外已开发了一些地热换热器设计计算软件，如：清华大学的DEST软件 2003年，美国地源热泵协会的GLHEPRO软件 3.03版,可以避免在设计中盲目估算带来的失误。

　　在工程设计中，室外垂直埋管换热器设计应根据埋管建筑物的地质勘察报告、气候特征等资料采用有关设计计算软件进行设计计算。

　　（一）本工程地质勘察报告资料

　　1、建筑物土壤地质资料

　　由本工程钻孔堪察结果提供的资料，分析得出，土壤在0—70米深范围内大致可分为如下几层：

地层标高（ m ） 主要土类 -10.17 粘土、淤泥 -21.27 淤泥、粉质粘土 -30.87 粘土 -36.697 粘土 -51.07 粉质粘土 -55.77 粉砂、粉质粘土 -66.07 粉砂、粉质粘土、圆砾 -70.87 粘土

　　2、大地热工特性表

地层材料传导率Btu/h*ft*0F扩散率ft2/h密度1b/ft3热容量Btu/1b*0F密集岩层(花岗岩)2.00.0502000.20普通岩石(石灰石)1.40.0401750.20重土-潮湿(粘土、紧密的沙子肥土)0.750.02501310.23重土-干燥(粘土、紧密的沙子肥土)0.500.0201250.20轻土-潮湿(松散的沙子淤泥)0.500.0201000.25轻土-干燥(松散的沙子淤泥)0.500.011900.20

　　详细准确的建筑地质工程堪察资料是土壤源热泵热泵空调系统设计的重要依据。 在设计中应注意地下岩土的温度场变化有二个主要特性：一是达到一定深度后温度基本上保持一个定值,这个值接近该地区的年平均气温(宁波地区年平均气温16.2度)；二是在地表以下一定范围内温度呈周期性变化,但波动幅度小于气温的波幅,而且存在时间上的延迟,随着深度的增加波幅减小,延迟度增大。这二点都有利于热泵系统工作能效比的提高。

　　（二）室外垂直埋管换热器设计

　　1、可行性及经济性

　　应根据岩土体地质勘察结果评估土壤源(垂直埋管)热泵系统实施的可行性及经济性。

　　根据建筑物室外总平面及实验钻孔情况，采用DN32,U型垂直埋管换热器，在地埋管方案设计中经过初步估算：钻孔数300口，间距5米，埋深65米，总埋长度39000米，钻孔施工费用140万RMB。

　　因此，经过比较分析：土壤源(垂直埋管)热泵系统方案是可行的，且是较经济的。

　　2、建筑物室外各种管线附设情况

　　建筑物室外总平面中主要有排水管几各中电缆管、深度在地下2m以上，埋管区域地埋管水平干管埋深在地下2.5m以下，同时预留了进出重型设备及车道位置。

　　3、地埋管材及管件的选用

　　设计中采用了化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小的塑料管及管件，d32 3.0+0.5/PE80 1.25MPa。

　　4、传热介质的选用

　　因宁波地区冬季室外气温较高，冬季冻土深度较浅，因此本工程设计中采用了水作为传热介质。未考虑在地埋管循环水中添加防冻剂。但为了防止冷却循环水管内循环水在极端气温下结冻，采用感温自控系统启动循环泵。当系统循环回水温低于4 ℃时，由自控系统启动循环泵驱动循环水并且报警提示，可以有效的避免地埋管内水结冻问题的出现。

　　5、土壤源热泵系统总吸热量与总释放量相平衡的措施

　　在土壤源热泵热泵空调系统设计中，土壤源热泵系统总吸热量与总释放量相平衡的措施对于保证大地岩土的热稳定性、土壤源热泵系统的经济性及空调实际运行效果十分重要。

　　本工程经过技术经济比较，设计中采用辅助冷却源与地埋管换热器并用的调峰形式。利用室外530m3消防喷泉水池辅助散热来消除最热月峰值负荷。

　　6、钻孔回填材料的选用

　　本工程钻孔回填材料采用了原土回填。

　　7、土壤源热泵系统地埋管水系统设计

　　设计采用了十四个水平同程环路与机房集水器及分水器相连。地埋管水系统采用一次泵定流量系统。

　　8、土壤源热泵系统运行方式

　　（1）、5台小热泵机组夏季冷却由室外喷泉水池散热实现，冬季制热热源来自地埋管系统。

　　（2）、2台大热泵机组夏季冷却由地埋管散热实现，冬季制热热源来自地埋管系统。

　　（3）、5台小机组，夏冬季的制冷、制热转换是通过机组内置的电动四通换向阀转换制冷剂的流向来达到制冷、制热转换。而2台大机组通过外面设置的十二个手动阀门切换冷冻、冷却水来实现夏冬季制冷、制热转换。

　　9、室外垂直埋管换热器设计计算及调整后的主要数据

　　采用美国俄克拉荷马州Oklahoma大学开发的GLHEPRO软件程序进行计算。

　　室外垂直埋管材质选择：采用PE管U型单排管 d32 3.0+0.5/PE80 1.25MPa

　　（1）、井间距：5*5米

　　（2）、井径：D110

　　（3）、井深：73米

　　（4）、打井数量：14组（每组约为26个），总共370个、管径D32

　　（5）、总埋管长度：54625米

　　（6）、指标：制冷44w/米, 制热30w/米。

　　（7）、钻孔回填材料：原土回填。

　　注：因室外总平面中有富裕的埋管区域，经业主要求，为确保空调效果，总埋管长度及打井数量在设计计算的基础上加大了15%。

五、室外垂直埋管系统主要施工工艺

　　1、采用的设备：

　　钻机采用XY-1，XY-1B，往复式泥浆泵采用BW-250。

　　2、材质：采用PE管U型单排管 d32 3.0+0.5/PE80 1.25MPa

　　3、. 井下垂直PE管预制

　　(1)、预制程序

　　目测PE管的外观质量，查验三证和理化报告，合格并签证后方可预制。

　　(2) 、减少磨损

　　安装单位按图纸要求截取PE管所需长度并要求在此长度的地面上铺上细砂，以减少管子与地面的磨损。

　　(3) 、热熔焊接

　　该PE管采用热熔连接。连接方法应按热熔承插连接和热熔对口连接。热熔机采用台式和便携式。具体工序要求：削平需焊的二管口工作面使其在同一工作面上，保证与管线垂直，并标出两管连接轴线。加热熔接温度：承插式260℃±10℃；对接式200℃—210℃。焊接后焊接处强度应大于管子本身强度。先焊好管线底部的“U”形弯。然后注水加压至试验压力1.2Mpa,保持15分钟，压降小于0.001Mpa合格泄压。保留管内清水，焊好封头。

　　(4) 、PE管下井头部定位针制作

　　为了使PE管顺利插入井底并定位，施工制作1.65m头部带箭头的直径16mm螺纹钢，在距箭头50cm位置焊一条“7”字形的15cm长，直径１０mm圆钢，以利于放管和定位。1.5m长，直径16mm螺纹钢绑扎在PE管中间，带箭状的头部伸出U形弯底部15cm。

　　(5) 、管口标记

　　若埋底不露管头的还应在PE管的闷盖处扎一条红色醒目的条带以便挖土时寻找管头，另一闷盖处扎一条施工尼龙绳来控制落管的深度，控制管头与地面的尺寸,要保证线的强度，以免断线造成管子滑下而取不出管。

　　(6) 、管间距控制

　　一口井内的两条管子必须保持一定的间隙，应用标准d32PE管制成圈套，用电缆扎带以4m一档扎紧。

　　4、放管监控

　　(1) 、FTS搭接关系

　　FTS时距为零时，就说明本钻井工作与其紧后放管工作之间的紧密衔接。因此安装打完一口井时应立即放管，停留时间越长，井下的挤压现象越严重，管子也就越难放。

　　(2) 、严禁管道弯曲翅角

　　放管时必须多人合作，提起管子不得在地上拖拉 ，不应该形成不自然的弯曲，更不允许角度产生，然后钻杆套住直径１０mm圆钢，利用钻杆压力将管子缓缓放下直到设计深度。

　　(3) 、定位控制

　　管子底部的螺纹钢箭头直插井底中心，因井下土质较软，管子会继续下沉，为了控制落管尺寸，施工人员要拉住施工尼龙绳使管不再下滑，在达到尺寸要求后锁定位置，迅速灌沙定位。在同一型号、同一场地的管子顶部尺寸要尽量保持一致。在放管和制作过程中严禁在地面上拖拉PE管，车辆进出时切勿碰撞滚压PE管。管头露出地面的勿用。

　　(4) 、回填材料

　　在上述放管工作完成后，应立即向井内回填材料，绝对稳定管子在井中的位置。不让管在井中移动和沉浮。因为井中的泥浆比重很大，沙子不容易沉落，这时应向井内注入清水调稀泥浆，减小泥浆比重，使砂便于沉落井底。灌砂的深度应是井深的50%-60%，其余部分自然会被泥石填充。

六、空调系统运行状况及节能经济分析：

　　1、冬季调试记录时间（2004—12---26），正值宁波地区近年来的最低气温-7℃。初始时，地源侧出水温度19℃，经一天（24h）不间断运行，热泵机组热水出水温度在40-45℃间，最终地源侧的出水温度稳定在11--13℃。室内实测气温：20--22℃。

　　冬季运行了一个多月，每天地源侧的初始时的出水温度在18-19℃间，空调系统运行9h后，最终地源侧的出水温度在11--13℃间。

　　2、夏季运行记录时间（2005—9---.8 pm4:30），热泵机组冷冻水进出水温度在11.8/7.5℃间，冷却水进出水温度在27.2/32.8℃。室内实测气温：24--26℃。

　　3、节能分析：冬季最终地源侧的出水温度稳定在11--13℃，热泵机组的能效比达到4.0以上，显然，土壤源热泵热泵空调系统冬季供热比空气源热泵空调系统及燃气锅炉供热要环保节能，不存在空气源热泵冬季需化霜、极端气温下供热效果不理想的问题；夏季土壤源热泵热泵空调系统冷却水进出水温度在27.2/32.8℃，与常规空调冷水机组冷却水进出水温度在32/37℃相比，在满负荷运行时，机组能耗要节约15%,在70%负荷运行时, 机组能耗要节约35%,在50%负荷运行时, 机组能耗要节约60%。

　　4、经济分析：本工程土壤源热泵热泵空调系统总投资960万RMB.。其中：室外地埋管工程：168万RMB，30元/米;工程单位造价：370元/平方米。2004年冬季及2005年夏季空调实际运行费用为：62万RMB/年，26元/平方米；本工程若采用常规空调冷水机组+燃气锅炉供热系统，经计算分析，空调系统总投资需860万RMB，工程单位造价：330元/平方米，运行费用需100万RMB/年，38元/平方米；本工程土壤源热泵热泵空调系统与常规空调冷水机组+燃气锅炉供热相比较，总投资增加12%，100万RMB；但是全年空调运行费用要节约38%，3年可回收成本。若业主不要求加大15%设计计算总埋管长度及打井数量，则2年可回收成本。

　　经过2004年冬季及2005年夏季运行,空调效果理想,达到了设计及甲方使用要求,节能效果显著。本工程获2005年浙江省“钱江杯”奖，其中成功采用环保节能的土壤源热泵热泵空调系统是获奖的重要因素。

七、结论：

　　1、本工程土壤源热泵热泵空调系统与常规空调冷水机组+燃气锅炉供热相比较，总投资增加12%，全年空调运行费用要节约38%，3年可回收成本。

　　2、土壤源热泵热泵空调系统设计难点主要集中在地下换热器的设计上。地下换热器的主要费用是钻孔工程的费用，因此正确设计室外地下换热器对于保证空调系统的效果和经济性十分重要。

　　3、土壤源热泵热泵空调系统设计要注意土壤源热泵系统总吸热量与总释放量相平衡措施的采用，以防空调系统设计失败。

　　4、土壤源热泵热泵空调系统是应大力推广应用的新型节能环保空调系统。

　　参 考 文 献

　　1 GB50019— 2003 采暖通风与空气调节设计规范

　　2 徐伟 等译 《地源热泵工程设计指南》

　　3 陆耀庆，主编， 实用供热空调设计手册

　　4 清华大学 江亿 等DEST软件 2003年

　　5 美国地源热泵协会,GLHEPRO软件：3.03版

　　6 土壤换热器设计换热尺寸的影响因素 北京工业大学 于凤菊等

　　7 夏热冬冷地区建筑节能技术 付祥钊主编