地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

5/5地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

—降低地源熱泵系統(tǒng)初投資的有效途徑

張俊巧北京誠(chéng)信能環(huán)科技有限公司100031

地源熱泵系統(tǒng)使用大自然中大量可重復(fù)利用的能源，產(chǎn)生100%的可利用的熱能，僅需要25%的電能，其他75%的能量來(lái)自大自然中免費(fèi)的可再生能源，不僅節(jié)能，而且環(huán)保效益顯著。

地源熱泵屬于利用淺層地能的新型能源利用方式，具有高效節(jié)能，運(yùn)行費(fèi)

用低、利用可再生能源，環(huán)保效益好等顯著優(yōu)勢(shì)，因此在能源日益緊張、環(huán)保

要求逐漸提高的主導(dǎo)形勢(shì)下，地源熱泵供暖、制冷系統(tǒng)越來(lái)越受到青睞。但是

到目前為止，地源熱泵供暖、制冷系統(tǒng)仍沒有成為行業(yè)主流，究其原因，主要

是其初投資較高，尤其是在地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理的情況下，地源熱泵室外

埋管費(fèi)用可能占到整個(gè)系統(tǒng)初投資的50%以上，迫于資金限制，大多對(duì)地源熱

泵感興趣的投資者不得不轉(zhuǎn)回到傳統(tǒng)的空調(diào)形式，從而限制地源熱泵系統(tǒng)的發(fā)展。

2．地源熱泵系統(tǒng)初投資高的主要原因

地源熱泵系統(tǒng)初投資一般較常規(guī)供暖、制冷系統(tǒng)高，一方面有其客觀原因，另一方面有主觀因素存在，在實(shí)際的地源熱泵系統(tǒng)工程中，初投資高有一大部分是由主觀因素引起的，是可以通過技術(shù)改進(jìn)和施工管理避免的。總結(jié)地源熱泵系統(tǒng)初投資高的主要原因有以下幾方面：

2.1預(yù)算定額不完善

地源熱泵系統(tǒng)主要由水源熱泵機(jī)組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)（室外埋管系統(tǒng)）、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成，其中水源熱泵機(jī)組、建筑物內(nèi)系統(tǒng)均有比較成熟的預(yù)算定額，而室外埋管系統(tǒng)卻沒有可參考的預(yù)算定額，目前這部分的投資預(yù)算大多以實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)為參考，對(duì)于同一工程各單位的報(bào)價(jià)差距較大，但卻很難判斷其報(bào)價(jià)的合理性，這也是限制地源熱泵發(fā)展的一方面原因。

2.2現(xiàn)場(chǎng)勘查不詳細(xì)

現(xiàn)場(chǎng)勘查在地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工中是最重要的一個(gè)的環(huán)節(jié)，現(xiàn)場(chǎng)勘查的結(jié)果是判斷地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性的主要依據(jù)，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)勘查的仔細(xì)與否是影響地源熱系統(tǒng)初投資的主要原因之一?，F(xiàn)場(chǎng)勘查主要有量方面的含義，一是現(xiàn)場(chǎng)狀況的調(diào)查，二是地質(zhì)勘查?，F(xiàn)場(chǎng)狀況調(diào)查主要包括以下內(nèi)容：

z場(chǎng)地規(guī)劃面積、形狀及坡度

z場(chǎng)地內(nèi)已有建筑和規(guī)劃建筑物的占地面積及其分布

z場(chǎng)地內(nèi)樹木植被、池塘、排水溝及架空輸電線、電信電纜的分布

z場(chǎng)地內(nèi)已有的、規(guī)劃修建的地下管線和地下構(gòu)筑物的分布及埋深通過現(xiàn)場(chǎng)狀況的勘查，初步確定工程是否適宜采用地源熱泵系統(tǒng)并為將來(lái)地源熱泵室外埋管設(shè)計(jì)提供了基本條件。

地質(zhì)勘查主要包括下列內(nèi)容：

z巖土層的結(jié)構(gòu)

z巖土體的熱物性

z巖土體的溫度

z地下水靜水位、水溫、水質(zhì)及分布

z地下水徑流方向、速度

z凍土層厚度

地質(zhì)勘查的主要目的是確定地下?lián)Q熱器每延米的換熱量以及地源孔施工的難易程度，從而確定地下?lián)Q熱器的大小、地源熱泵系統(tǒng)室外埋管部分的施工工藝及預(yù)期工期。

如果現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)查不清楚，就可能會(huì)給設(shè)計(jì)以及將來(lái)施工帶來(lái)困難，以往實(shí)驗(yàn)表明，地下?lián)Q熱器單位孔深的換熱量為40~70W/m【1】【2】，范圍較大，為規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，一般設(shè)計(jì)會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取最不利工況設(shè)計(jì)，地下?lián)Q熱器總長(zhǎng)度設(shè)計(jì)過大，由此引起的材料費(fèi)和安裝費(fèi)用較高，導(dǎo)致地源熱泵系統(tǒng)初投資將明顯高于其它空調(diào)系統(tǒng)。

2.3施工管理不嚴(yán)格

因?yàn)榈叵聯(lián)Q熱器與土壤之間的換熱主要依靠地埋管和土壤之間的導(dǎo)熱，地源熱泵室外埋管施工工藝和施工管理的質(zhì)量直接影響地下?lián)Q熱器的運(yùn)行性能，因此地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮施工管理水平。

地源熱泵技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用發(fā)展還處于起步階段，相應(yīng)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)還不健全，施工工藝及施工管理還比較混亂，地源熱泵室外埋管系統(tǒng)的施工水平參差不齊，鉆孔、下管、回填等關(guān)鍵工序的施工工藝和管理方法不能保證系統(tǒng)的高效性，從而，地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)保留較大的余量，這也是造成地源熱泵系統(tǒng)初投資高的原因之一。

3．降低除投資的主要途徑——地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)我公司通過大量的實(shí)際工程實(shí)踐，摸索出了一套地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工管理的方法，能夠最大程度提高地源熱泵系統(tǒng)的性能、降低地源熱泵系統(tǒng)的成本，現(xiàn)總結(jié)如下：

3.1全面的現(xiàn)場(chǎng)勘查

現(xiàn)場(chǎng)勘查是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，現(xiàn)場(chǎng)勘查一定要細(xì)，只有對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況有了比較細(xì)致的了解，才能設(shè)計(jì)出最優(yōu)的地源熱泵系統(tǒng)方案。

我公司對(duì)地源熱泵系統(tǒng)工程現(xiàn)場(chǎng)的勘查主要采取“看、問、查、測(cè)”四步驟?？矗船F(xiàn)場(chǎng)實(shí)地查看，對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)已有建筑、樹木植被、池塘、排水溝及架空輸電線、電信電纜等面積及分布仔細(xì)查看；問，對(duì)于工程規(guī)劃情況、地下管線情況直接詢問知情認(rèn)識(shí)，獲得第一手材料；對(duì)于工程有設(shè)計(jì)規(guī)劃圖紙的，可進(jìn)行下一步的現(xiàn)場(chǎng)勘查——查，對(duì)照?qǐng)D紙，結(jié)合看、問，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)已有和規(guī)劃情況了解清楚，初步確定該工程是否適合采取地源熱泵供暖、制冷。若初步勘查確定工程適合采

用地源地源熱泵，則需要進(jìn)一步勘查——測(cè)，就是在施工現(xiàn)場(chǎng)選擇典型的位置打1-2個(gè)測(cè)試孔，取得原始地質(zhì)資料。

通過打測(cè)試孔，可以測(cè)試地源孔每延米的實(shí)際換熱量（包括取熱量和排熱量），從而根據(jù)負(fù)荷再適當(dāng)考慮管群影響確定地下?lián)Q熱器的總長(zhǎng)度，相對(duì)于不打測(cè)試孔而直接按照最不利工況設(shè)計(jì)地下?lián)Q熱器，根據(jù)測(cè)試結(jié)果不同，精確測(cè)試后設(shè)計(jì)的地下?lián)Q熱器總長(zhǎng)度能夠減少20％-40％不等，相應(yīng)的地源熱泵室外埋管部分的初投資能夠下降20％-40％，可以說(shuō)根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)地下?lián)Q熱器是降低地源熱泵系統(tǒng)初投資的關(guān)鍵。

3.2合理的系統(tǒng)形式設(shè)計(jì)

3.2.1冷熱平衡計(jì)算

地源熱泵系統(tǒng)較常規(guī)空調(diào)運(yùn)行性能高，主要原因是地源熱泵的冷熱源（土壤）的溫度恒定且相對(duì)于空氣溫度冬季較高、夏季較低，因此保持土壤溫度恒定是維持地源熱泵系統(tǒng)高性能運(yùn)行的有力保證。

地源熱泵系統(tǒng)投入運(yùn)行后，冬季供暖時(shí)從地下提取熱量，夏季制冷時(shí)向土壤排放熱量，若地下?lián)Q熱器的吸熱和放熱不平衡，多余的熱量（或冷量）就會(huì)在地下積累，引起地下土壤年平均溫度的變化![3]土壤溫度的變化將導(dǎo)致地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行性能逐年下降，同時(shí)破壞了土壤的生物環(huán)境，其節(jié)能環(huán)保效益下降。為滿足常年使用性能，在相同的設(shè)計(jì)條件下，埋管總長(zhǎng)度隨著冷熱負(fù)荷比增大和地?zé)釗Q熱器運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而增加【4】，從而系統(tǒng)投資增加。為避免冷熱量不平衡現(xiàn)象的發(fā)生，降低系統(tǒng)初投資，在設(shè)計(jì)初期需要結(jié)合工程的冷熱負(fù)荷以及地源熱泵系統(tǒng)預(yù)期全年運(yùn)行情況，精確計(jì)算地源熱泵系統(tǒng)全年的取熱量和排熱量，若差距較大，可采取其它輔助冷熱源進(jìn)行補(bǔ)充，投運(yùn)后再根據(jù)實(shí)際情況調(diào)控地下?lián)Q熱器和輔助冷熱源的運(yùn)行情況。根據(jù)工程冷熱差距的不同，采取輔助冷熱源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式可以降低地源熱泵系統(tǒng)除投資約10%～20%。

3.2.2埋管形式

地下?lián)Q熱器的主要形式有U型管和套管兩種形式，其各自特點(diǎn)如下：

套管增大了介質(zhì)與土壤之間的換熱面積，換熱效果好，但內(nèi)腔與外腔內(nèi)流體發(fā)生熱交換會(huì)帶來(lái)熱損失，另外套管的密封比較困難，目前再國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。U型管介質(zhì)在管內(nèi)流動(dòng)，受管徑限制流量小，總換熱效果稍差，但U型管有專用的管接頭，且管接頭的與U型管的連接采用熱熔焊接，密封性較好。

圖3-1U型管圖3-2套管

由于地下?lián)Q熱器一旦埋入地下，幾乎不可維修，因而對(duì)系統(tǒng)安全性要求較高。因此國(guó)內(nèi)地源熱泵系統(tǒng)多采用U型管式。

根據(jù)一個(gè)地源孔中放置U型管的數(shù)量不同，U型管式地下?lián)Q熱器又分為單U管和雙U管兩種形式，如圖所示：

圖3-3單U管和雙U管

雙U管與土壤的接觸面積相對(duì)較大，因此無(wú)論是夏季排熱工況還是冬季取熱工況,均比單U管單位孔深換熱量稍高【5】，因此對(duì)于相同的冷熱負(fù)荷，采取雙U型管埋管方式可以減少地源孔的鉆孔總深度，鉆孔費(fèi)用下降，但同時(shí)管材費(fèi)用成倍增加，管材價(jià)格和鉆孔價(jià)格共同決定采用哪種埋管方式更經(jīng)濟(jì)。在現(xiàn)場(chǎng)條件允許的情況下，我公司利用自己編制的軟件計(jì)算出各中價(jià)格水平下最經(jīng)濟(jì)的埋管方式。根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)狀況何管材時(shí)價(jià)不同，采取該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式可以降低地源熱泵系統(tǒng)除投資約5%～10%。

3.2.3埋管深度

在埋管總長(zhǎng)度和埋管形式確定的情況，如何確定單孔的埋管深度也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟。土壤中的熱量一部分來(lái)自太陽(yáng)能，絕大部分來(lái)自地心熱量，土壤溫度隨著深度增加而升高，深度每增加100米，土壤溫度升高約3℃，因此單從提高地下?lián)Q熱器的換熱性能角度考慮，埋管深度越深越好。但是埋管深度增加，其單位埋深的成本也上升。一方面鉆孔到深度超過120米，鉆孔必須使用專用的鉆頭，與一般淺孔鉆孔設(shè)備不同，設(shè)備的價(jià)格高，鉆孔成本上高；另一方面，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的地下?lián)Q熱器用管材承壓能力有限，若埋管深度超過120米，埋管就必須采用進(jìn)口管材，而進(jìn)口管材的價(jià)格幾乎是國(guó)產(chǎn)管材價(jià)格的2倍，由此使得埋管造價(jià)升高。由以上兩方面的原因，設(shè)計(jì)單孔埋深不宜超過120米，實(shí)際工程中，單孔孔深的設(shè)計(jì)還要結(jié)合地質(zhì)勘察結(jié)果。根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)狀況不同，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)穆窨卓梢越档偷卦礋岜孟到y(tǒng)除投資約10%～20%，不僅如此，對(duì)于特殊的地質(zhì)狀況，埋管深度可能是決定地源熱泵系統(tǒng)方案是否可行的關(guān)鍵因素。

3.2.4地下?lián)Q熱器系統(tǒng)連接方式

對(duì)于大型的地下?lián)Q熱器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)于換熱器的性能與整體造價(jià)都至關(guān)重要。影響大型地下?lián)Q熱器性能的難點(diǎn)主要是水利平衡，目前解決辦法主要有兩種，一是在系統(tǒng)管路異程連接+平衡閥，二是設(shè)計(jì)同程連接，原理圖如下：

圖3-1異程連接圖3-2同程連接

同程連接的效果一般優(yōu)于異程+平衡閥，但對(duì)于系統(tǒng)較大地源熱泵系統(tǒng)，若完全采用同程連接，其管材以及井小室的數(shù)量大大增加，系統(tǒng)造價(jià)升高，為在保證地源熱泵使用性能的前提下控制成本，我公司一般采用局部同程或異程+平衡閥的方式，實(shí)踐證明，使用該原則設(shè)計(jì)的地下?lián)Q熱器系統(tǒng)性能良好，造價(jià)比全部同程連接降低10%～15%。

3.3先進(jìn)的施工工藝和嚴(yán)格的施工管理

因?yàn)榈叵聯(lián)Q熱器一但埋入地下，幾乎不可能再進(jìn)行維護(hù)修理，因此地源熱泵室外埋管的施工必須依靠先進(jìn)的施工工藝和嚴(yán)格的施工管理將風(fēng)險(xiǎn)控制在發(fā)生前。我公司根據(jù)多年的施工經(jīng)驗(yàn)結(jié)合《地源熱泵系統(tǒng)工程施工規(guī)范》探索出一套比較完善的施工工藝流程和施工管理方法，保證地源熱泵系統(tǒng)安全、高效。

首先，把好管材的質(zhì)量關(guān)。從管材的選擇到設(shè)備進(jìn)廠檢驗(yàn)均執(zhí)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)制度，所有管材、管接頭必須有產(chǎn)品合格證、廠家資質(zhì)證明、進(jìn)廠設(shè)備檢驗(yàn)合格證等。

其次，在施工過程中嚴(yán)格執(zhí)行水壓試驗(yàn)。由于地源熱泵在我國(guó)的發(fā)展應(yīng)用較晚，這方面相應(yīng)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)還不健全，雖然在2005年初發(fā)行了《地源熱泵系統(tǒng)工程施工規(guī)范》，但其中的水壓試驗(yàn)步驟預(yù)防方法可操作性還比較差，我公司根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，探索出了分別在下管前、下管后回填前、水平連管后、整體源熱泵系統(tǒng)連接完畢后進(jìn)行水壓試驗(yàn)的方法和步驟，分別用于管材質(zhì)量和系統(tǒng)連接嚴(yán)密性的檢驗(yàn)，保證系統(tǒng)的質(zhì)量和安全。

再次，采用專用的管接頭和焊接工藝，保證地埋管的密封性，并減小了地下?lián)Q熱器中的水力損失。

另外，在其他條件相同的情況下，回填料的成份和回填工藝的優(yōu)劣也是影響地源熱泵地下?lián)Q熱器性能的主要因素。對(duì)于不同的工程，我公司根據(jù)地址勘查的結(jié)果選擇合適的回填料和