岩石源热泵空调系统应用及地热不平衡解决思路

张雷，秦莹，张艳

（山东创尔沃热泵技术股份有限公司，山东 淄博 256409）

岩石源热泵空调系统应用及地热不平衡解决思路

张雷，秦莹，张艳

（山东创尔沃热泵技术股份有限公司，山东 淄博 256409）

在岩石丘陵地区地下岩石上钻孔埋管吸取地下的能源为建筑物提供冷、暖甚至生活热水，是可再生能源新技术的应用；岩石源地埋换热器的高性能和经济性对于岩石源热泵空调系统在类似地区的应用及推广具有重要的影响。本文讨论了岩石源热泵空调系统的应用案例、关键技术等，并从多个角度分析了全年运行后地下冷热负荷不平衡的解决思路。

岩石源热泵；地埋换热器；负荷不平衡

地源热泵是一种利用大地作为冷热源的热泵，通过热泵机组对建筑物实现供暖、制冷及提供生活热水。地源热泵一般将大地作为该系统的蓄能器，夏季通过热泵机组将建筑物内的热量转移到地下，冷却建筑物的同时储存了热量，以备冬季使用；冬季通过热泵将大地中的低位热泵提升温度后对建筑物供热，同时将建筑物内的冷量储存在地下，以备夏季使用。该技术大大提高了空调系统全年的利用效率，真正实现了可再生能源的合理利用。但有许多位于岩石丘陵地区的需要供暖空调的建筑物，比如大连、烟台、威海、青岛、淄博、潍坊、泰安、临沂、莱芜、日照等，这些地区部分区域存在地下多为岩石层结构、水源匮乏等情况，既难以采用地下水源热泵系统，也无法应用当前政府大力推广、应用广泛的土壤源热泵技术；基于国家逐渐废除燃煤锅炉房采暖系统的应用以保护大气环境的考虑，经过调查在以上区域内已实施的供暖空调系统的性价比不仅非常低，而且能源浪费较为严重，这在可再生能源的开发与利用方面提出了一个严峻的挑战；研究初期，由于该类地区受岩石钻孔设备及技术的限制，钻孔费用高昂和钻孔工期漫长，经过多年探索，近年在淄博市某校区内设计应用了一套岩石源热泵空调系统，通过跟踪分析系统的冷暖运行工况及效果，系统能效比高，从而证实该套技术适合在岩石丘陵地区推广应用。

1 工程概况

该项目位于山东省淄博市，地处华北平原坳陷区、济阳坳陷区的南部，为淄博凹陷的西北边缘。由于倾斜沉积盆地向北倾斜的簸箕状，形成自南而北由老到新的地层，为新生代第四系地层覆盖。校区东西长约720m，南北长约 520m，规划总用地 37.56公顷，总建筑面积约为 11万 m2；地势为南高北低，平均海拔高度在 72.0～ 105.0m之间，地形高差较大，地下多为岩石丘陵结构。本项目采暖空调建筑物均分布在山上，地下 15米内为粘土层，地下 15m以下为青石岩层，150m深井水流量约 20～ 25m³/h。本项目空调使用面积为60000m2，包括如下 9栋建筑：纺织楼、染化楼、机电楼、9#宿舍楼、10#宿舍楼、11#宿舍楼、行政办公楼、图书楼及第三教学楼办公区；其中前六栋楼为新建建筑，后六栋楼为原有建筑。

2 能量采集系统设计

（1）地下换热埋管方式的选择。岩石源热泵同土壤源热泵一样，地下环路的埋管方式多种多样。目前国内普遍采用的有竖直埋管、水平埋管和桩基埋管三种配置形式。竖直埋管换热器是在地下岩土层中垂直钻孔，钻孔深度一般为 100～ 150m之间，在孔内敷设优质 U型管，占地面积小，换热稳定。水平埋管换热器是在地下浅层土壤中水平埋管，占地面积大，受地表气候变化的影响，效率较低。桩基埋管换热器是充分利用建筑物的面积，在桩基内敷设U型管或螺旋管与周围大地形成换热，传热效率高，适用于空地少、建筑占地面积大的区域。本项目经现场勘察，最终确定利用学院操场约15000m2的区域采用双 U竖直埋管换热器方式。

（2）地热换热器设计参数。在地源热泵运行的额定工况下，针对该地域地质条件深层岩土热物性的测试情况、当地低温初始温度、气象条件以及建筑物特性等，最终确定设计依据如下：该地域采取竖直双U型埋管，钻孔间距为 4～ 5m；冬季每米孔深提取热量按 55～ 60W/m计，夏季每米孔深释放热量按 80～ 85W/m计；钻孔深度为100～ 120m，竖直埋管建议采用 PE100管材；由于该地埋系统较大，建议采用同程设计，设置地源侧检查沟，确保地源侧流量均衡。根据岩土热物性测试确定本项目换热参数如下：打孔直径为 180mm，数量为 450个，深度为100m，采用双 U竖直埋管设计，埋管直径为 De32mm，间距为5m同程设计，回填采用换热效率高的专用水泥基料；并设置 150m长检查沟和多个检查井。

3 能量提升系统

依据用户的要求及各建筑的使用性质、同时利用等情况，经详细的冷热负荷计算确定本项目单位面积冷负荷指标为 48W/m2，单位面积热负荷指标为 50W/m2；因用户要求，本项目设计思路以供热为主、供冷为辅，冬季要求室内温度为 20±2℃，夏季要求室内温度为30±2℃，而且无需考虑新风，因此本项目的供热负荷大于供冷负荷。

4 能量释放系统

本项目室内末端依据学院各建筑的使用性质及装修等，分别选用了明装卧式风机盘管机组及明装立柜式风机盘管机组，安装方便、外形美观，送风效果好；经跟踪室内温度：夏季温度可达到 26～ 28℃，冬季温度可达到 20～ 22℃。

5 地热平衡模拟分析

保证地下热平衡是地下换热器系统常年稳定运行的关键，在计算周期内，地源热泵系统总释热量宜与其总吸热量相平衡。经测试计算，本项目岩石源侧的总吸热量大于总释热量，考虑技术经济合理，可采用多种夏季补热的方式：冷却塔逆向运行补热、太阳能补热、空气换热器补热、夏天非潮湿天气地埋管直接供冷补热（主机不启动）。本项目采用的是冷却塔逆向运行补热与地埋管换热器并用的方式，根据岩石源侧全年动态负荷情况，在保证地下热平衡的前提下，来确定冷却塔的基本参数等，最后根据地热平衡专业软件进行校核计算，模拟出地下流体温度变化情况。

冷却塔逆向运行补热措施。本措施的换热机理是地源水与室外高温空气的直接对流传热与传质，主要增加一台冷却塔及两台冷却水循环泵与室外地埋换热器进行连接，在夏季供冷末期，通过开启冷却塔及冷却水循环泵将地埋换热器的循环水同大气热量进行交换，释放土壤中的多余冷量，直至冬夏两季平衡为止；排放期间，冷却塔必须做好防尘、防污染处理，以防堵塞地埋换热系统。2010年经跟踪测算，本项目选用一台 300T/h的冷却塔及两台冷却水循环泵，地源侧初始运行工况为供水 10°，与室外 32～ 38°热空气强制换热后，回水温度为 14°，温差可高达 4°，最终 192个小时内放冷完毕，按每天开启 12个小时，共需 16天时间，排放过程中，通过地源侧温度传感器，随时记录地源水的水温变化情况，并根据温度变化情况及时调整冷却塔运行状态，以达到地热平衡的目的。

直接供冷补热措施。本措施的换热机理是地源水与室内高温空气的间接换热，主要是将机房内地埋换热器的分、集水器与空调系统的集、分水器分别串联起来，并通过阀门自动控制，在夏季供冷初期的非潮湿天气，将地埋换热器直接与室内末端机组连通，关闭地源侧循环泵，开启空调水循环泵进行循环，通过直接循环将地下土壤中的多余冷量向建筑物室内进行排放，直至冬夏两季平衡为止；地源侧与空调侧系统水混合前，空调水系统必须进行清洗，并在地源侧入口处增加多级过滤、除污装置，确保地源侧换热系统的畅通与使用寿命。2011年经跟踪测算，本项目开启两台总流量约为 500m³/h的空调水侧循环泵，通过风机盘管直接往室内送冷，地源侧供回水温差为3℃，最终排冷时间为 155个小时，按每天开启 12个小时，共需 14天时间；排放过程中，通过地源侧温度传感器，随时记录地源水的水温变化情况，并根据温度变化情况及时调整末端及水泵的运行状态，以达到地热平衡的目的。

6 岩石源热泵系统运行经济分析和节能效果

运行经济分析。常规冷水机组夏季制冷费用约为120万元；岩石源热泵机组夏季供冷费用为 48万元；集中供热冬季采暖费用约为 150万元；岩石源热泵机组冬季供热费用为 60万元；岩石源热泵机组比常规供冷和供热方式全年节省运行费用约 162万元。

节能及应用效果分析。岩石源热泵全年节约煤炭资源数量（一次能源）约 600t。

减少对大气污染物的排放，体现绿色环保效果。由于每吨煤燃烧排放的污染物分别为二氧化碳 2620kg、二氧化硫 8.5kg、氮氧化物 7.4kg以及 100kg的煤渣，因此岩石源热泵每年可减少排放污染物：二氧化碳 1572t,二氧化硫 5.1t、氮氧化物 4.5t以及 60t的煤渣。

7 结语

岩石源热泵空调系统作为可再生能源利用的形式之一，具有节能、环保、可再生的特点，对于岩石、丘陵地区能源优化利用提供了有效的途径；通过对本项目近3年运行情况的跟踪，岩石源换热工况远远优于土壤源换热工况，完全能够有效解决岩石、丘陵地区建筑物采暖、空调及生活热水的需求，实现节能、环保双重目的。同时本项目的地热平衡问题通过不同补热方式的实际运行调节，均改善了地下冷热负荷不均衡的现状，为今后类似项目的设计提供了借鉴。

TU831.3

A

1671-0711（2017）07（下）-0141-02