地源热泵系统在轨道交通地铁车辆基地综合楼工程中的应用分析

刘冲

（西安铁一院工程咨询监理有限责任公司，陕西 西安 710065）

地源热泵系统是以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。地源热泵系统根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统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。本文就地埋管地源热泵系统在某市某轨道交通车辆基地综合楼中的应用进行了分析。

1 工程概况

某市地铁车辆基地综合楼工程空调系统，本项目为地铁车辆基地综合楼，地上11层，地下1层建筑，建筑高44.25m，建筑总面积约为22545m²，由会议室、培训室、办公用房、设备用房等组成。

2 综合楼空调系统冷热源设计

该综合楼位于市区，综合楼夏季空调逐时冷负荷综合最大值1671kW，按空调区域面积，冷负荷计算指标：169W/m2。冬季空调总热负荷：821kW,热负荷计算指标：83W/m2。

根据本工程的场地条件、地质勘察结果和地埋管换热系统实施的可行性和经济性，最终选择综合楼中央空调系统冷热源采用两台双工况（制冷、制热）地源热泵机组+一台螺杆式冷水机组（单冷）组合的复合能源方式。夏季工况：制冷量Q=554kW,冷冻水量95m³/h,冷却水量119m³/h。冬季工况：制热量Q=577kW；热水量119m³/h，热源水量95m³/h。螺杆式主机制冷量810.4kW，冷冻水量125.5m³/h，冷却水量143.9m³/h。以满足冬季供热量为基准选择地埋管地源热泵机组，夏季由地源热泵机组+螺杆式冷水机组向办公楼提供冷源，冬季由地源热泵机组向综合楼提供热源。

3 地埋管换热器的设计

3.1 地埋管的设置区域

本车辆基地综合楼的室外地埋管区域设置在综合楼南侧绿地、食堂西侧绿地和足球场东侧绿地。该区域具有较好的埋管场地条件。冷水机组配置两台冷却塔散热，地源热泵配置地埋管换热器及冷却塔加板式热交换器。通过采取单独配置一台冷水机组，地源热泵配置冷却塔加板式热交换器两个措施来平衡全年土壤的吸热量与释热量，保持土壤的热平衡。

地源热泵机组夏季从地埋管或冷却塔取水，冬季从地埋管取水，机房内通过阀门切换，向办公楼末端提供冷热水。地埋管换热系统聚乙烯（PE）管材及管件用于制冷机房主机冷却水与土壤的热交换，夏季从土壤取冷，冬季从土壤取热，且保证土壤全年的热平衡。

3.2 地埋管换热量的取值

对于地埋管地源热泵系统工程设计而言，最关心的是地埋管换热系统的换热能力，这主要反映在地埋管换热器深度范围内的综合岩土导热系数和综合比热容两个参数上，是一个反映了岩土、地下水流等因素影响的综合值。由于地质结构的复杂性和差异性，因此必须通过现场试验得到岩土综合导热系数和综合比热容等岩土热物性参数。

在试验测得岩土综合导热系数和岩土初始平均温度的基础上，结合地埋管换热器钻孔回填材料、钻孔直径、埋管类型（单/双U）、埋管间距、运行份额、运行工况下地埋管中传热介质设计平均温度、运行时间等条件，计算得出测试条件下地埋管换热器单位孔深换热量参考值，作为后期设计和施工的依据。

通过对本工程地埋管设置区域进行岩土热响应实验（热物性实验）结果及建议如下：

3.2.1 实验结构

工作区0～3.6m为素填层，1.4～11m为粉质黏土，4.1～16.5m为园砾层（厚度为1.5～3.6），6.4～18m为强风化泥质粉砂岩，11.1～100m中风化泥质粉砂岩，钻探较易。工作区100m以浅地层平均初始温度为20.3℃，温度变化19.6～21.9℃。

通过对五个测试孔进行稳定热流测试，岩土体平均导热系数λ为1.81W/(m·K)。具体数据详见表1。

表1 测试孔导热系数表

说明：该数值受外界因素影响可能存在一定的偏差，由于地层的复杂性，该数值只对该项目有效，对周边地区进行土壤源热泵系统设计不具有参考价值。

通过稳定工况（模拟夏季工况下，地埋管换热器进水温度为35℃）计算，在流量为1.0m3/h时，得到单位深度每延米换热量为49W/m。

本项目工作区岩土综合比热容为2296kJ/(m3·K)。

3.2.2 建议

由于系统建成运行后，测试孔区域地层温度会发生变化，对周边地层的温度场会产生一定影响，为了能够使系统安全和稳定地运行，应设置1～5个地质环境观测孔，记录测试孔区域及周围地层温度场的变化情况。地源热泵系统运行过程中，工程管理人员应做好地源热泵机组的运行记录，并及时注意观测地质环境监测孔内的温度变化情况。

通过测试计算得出了布管区域内初始温度为20.3℃，岩土体平均热导热系数λ为1.81W/（m·K），岩土综合比热容为2296kJ/(m3·K)，对比《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005（2009年版）中推荐的每延米换热量值（见表2），区内计算结果基本一致，建议在今后地埋管热泵系统实际设计或施工中，充分考虑管径、埋管间距、建筑物功能、主机选择以及运行策略、水力平衡、负荷变化、预算等因素。

表2 地埋管换热指标推荐值

根据车辆基地综合楼的总平面图、现场情况、建筑冷热负荷特点及地下管线情况,参考岩土热响应实验热物性报告，进行地埋管井布点设计。

本工程共设置总井数300口，钻孔直径为130mm，地埋井埋管有效深度为100m，地下钻孔之间间距大部分为5×5m，部分为3.5×3.5m。钻孔布置共分为3个区。室外地埋管示意图如图1。

图1

地源热泵系统设计采用垂直双U型竖直埋管，垂直埋管群井均布于建筑物地外绿化带内。垂直U型管形式为双U型De25管，其材质与规格为：SDR11系列聚乙烯(PE100），外径与壁厚为D25×3.0mm。水平埋管材质与规格为：聚乙烯(PE100），外径与壁厚位D110×10.0mm。

土壤换热器循环水设计温度夏季为30/25℃，冬季为5/10℃，冬季空调热负荷由地埋管换热系统承担。夏季采用地埋管换热系统为主排热，冷却塔为辅助排热，冷却塔主要承担是土壤源热平衡作用。

地埋管换热器内循环介质采用水，不加防冻剂，工作温度应在0～40℃范围内。竖直地埋管换热器U型管的组对长度应能满足插入钻孔后与环路集管连接的要求，组对好的U型管的两开口端部，应及时密封。供、回水集管的间距不小于0.6m。

室外地埋管换热器环路的水平管均采用同程式连接至室外集分水器，每个环路均需设球阀，各区室外集水器与空调机房集水器相连的集合管段上设温度计与平衡阀，室外分集水器需装排气阀并严禁出现倒流现象。水平管埋深标高为所在区地面高度-2m。

4 结语

本工程采用地埋管地源热泵应用有如下优点。

（1）经济性。综合楼一般设置轨道交通车辆基地场段内中，室外室外的绿地具有较好的埋管场地条件。地埋管地源热泵的应用能够解决场段内冷却塔的设置问题，从一定程度上减少对外界噪声污染以及地面景观因素的影响。同时，采用地埋管地源热泵时也具有良好的经济效益。

（2）节能性。冬夏季热泵机组能效比高，运行费用远低于传统的空气源热泵系统。同时地埋管热交换器不需要除霜，减少了结霜和除霜的能耗。

（3）可再生性。土壤有较好的蓄热性能，冬季通过热泵从土壤中吸热，同时释放冷量，夏季通过热泵将吸收冷量，释放热量，保证打底热量的平衡。