土壤源热泵在严寒地区办公建筑中的应用

金玮涛

（哈尔滨工业大学建筑设计研究院有限公司，哈尔滨 150090）

0 引言

随着人民生活水平的日益提高，对于建筑环境方面的要求也逐渐提升。空调系统在当前建筑中十分普遍，为居住环境的改善起到了非常大的作用，严寒地区建筑高能耗的问题也日趋突出，因此我们努力寻找更为清洁的能源系统。土壤源热泵系统就是这样的暖通空调技术，在节约能源以及降低污染方面具有非常可观的碳减排能力，是未来我国实现碳中和达到碳达峰的有力支撑。

国内土壤源热泵的理论研究与工程应用发展较早，已积累了大量的理论和实践经验。鲁芬豹等［1］确定了随机因素对地埋管换热的定量影响，使得在工程中地埋管长度计算更加准确。龚皓玥等［2］通过工程实例中土壤温度全年监测数据，对地埋管换热器周围土壤的温度恢复及热堆积现象的影响进行了分析研究。徐东亮等［3］以18个高纬度严寒地区土壤源热泵系统的成功实践，填补了土壤源热泵在高纬度地区应用的空白。文中以严寒地区办公建筑为案例，介绍了土壤源热泵系统的设计思路，提出了几点在设计中的思考，希望能够为土壤源热泵技术在严寒地区的进一步应用提供帮助。

1 项目概况

项目位于齐齐哈尔市，是一栋办公建筑，总建筑面积：40280m2，地上34830m2，地下5450m2。主体建筑为地上七层，地下一层，建筑总高度：33.9m。空调总热负荷为2351.5kW，空调总冷负荷为2961.7kW。工程以设计负荷为依据，结合该项工程具体地理位置自然条件状况，经全面分析计算整体建筑物冷热负荷与地质地温变化周期的地能保有量及产出量的变化系数，经计算将建筑主体的室内空间和室外地表浅层地下空间，设计成了热泵的冷凝器和蒸发器，利用循环水泵提供动力，将收集到的低品位热量源源不断的送到室内用户空间，从而实现冬季空调供暖及夏季空调制冷的功能。

2 技术特点

地源热泵技术通过少量电能驱动，利用低品位的地热能进行供暖，制冷的技术。地热能是指地球表层所积蓄的能量，其最终来源是太阳能，具有绿色、清洁、可持续的特征［4］。根据能量来源又细分为土壤源热泵，地下水源热泵和地表水源热泵。土壤源热泵系统因其在使用上不受水资源的限制，可根据不同地域采用灵活多样的方式，适用范围广而得到了广泛的应用。土壤源热泵以土壤中蕴含的能量为热源，冬季通过从土壤中取热，对建筑物进行供暖，夏季利用相反的过程从建筑物中取热，从而降低室内温度，同时夏季储存在地下的热量又能够为冬季取热创造条件，如此周而复始形成闭合循环。

3 设计思路

3.1 系统勘察、确定参数

土壤源热泵系统设计时需要同时掌握建筑物的负荷分布情况以及周围环境与水文地质信息，因此在常规空调系统设计的基础上需要对工程地点进行系统性的勘察，收集整理所需的信息。地埋管换热系统的勘察包括岩土层的结构，热物性和温度，地下水的水温、水位、水质及分布，冻土层的厚度等。其中岩土热物性参数作为重要的设计依据，必须准确检测以保证设计的可靠性，避免出现换热器过大或者换热能力不足的情况。当地埋管地源热泵系统应用面积在5000m2以上时，应进行热响应试验。在实地勘察的基础上，确定热响应试验测试方案，测试孔的数量和位置，当采用多个测试孔测试时，应对测试结果取算数平均值。一般在试验前按照正确工艺将独立单孔换热器连接到恒温和恒流循环热源系统中，在测试孔完成并放置至少48h后方可进行试验，并做好循环水流量，加热功率，换热器进出水温、运行时间等数据的记录，确保单位长度孔深换热能力及总换热量满足要求。其次，要对建筑场地的地形地貌、用地范围和周围建筑物构筑物整体把控，尽可能避免因其他因素的干扰而影响空调系统施工。

3.2 准确计算，科学设计

在初步设计阶段，需要根据现场勘查，水文地质数据进行科学计算，包含地面设施与深度，可用土地范围，建筑物的功能等。根据地质情况建立TRNSYS仿真模型，通过模拟确定换热器的直径、长度和位置，选择合适的设备和施工工艺。研究表明地埋管直径和钻孔间距对系统运行费用影响较大［5］，在设计过程中应优先确定钻孔间距，在此基础上再考虑增大地埋管直径来增加换热量。严寒地区需特别注意冬季换热器出口温度下限值的设定，以防止水温过低导致热泵机组结冰，进而影响系统运行的安全性。对于冷、热负荷计算方面，首先采用负荷估算指标计算建筑物的最大负荷及全年负荷，匹配合适的换热器，作为建设投资的依据。在后期施工图阶段不仅要考虑建筑外围护结构和环境的影响，还要考虑人体、灯光设备散热量以完善负荷计算，利用DeST软件对负荷进行建模分析，保证计算的准确性。

工程在主体周围设计8个取能器，各取能器间距＞50m，位置见图1所示。孔深105～110m，直径1.8m，取能器下至取能孔底，导热系数截面积传热功率大于等于300kW。热泵机械压机动力系统选用5：6齿形智能高效热泵机械压机系统4套，能效比大于等于1：6：8，总取热负荷大于等于2800kW，具备智能联网及远程联控自动控制功能；循环泵选用高效节能、高静音智能网络型变频热水循环泵，流量大于等于300t/h、扬程40m；具体型号由地源热泵厂家根据冷、热负荷计算结果并结合用能特点进行选型见表1。

图1 取能器位置示意图

表1 主要设备材料

3.3 保证土壤热平衡

土壤源热泵依靠土壤换热器从地下土壤中提取温差能，但是土壤作为热源，冬季释放的热量与夏季吸收的热量一般并不一致，这样长期不平衡会在土壤中积累，造成温度偏离初始设计温度，土壤温度上升和下降都对系统稳定运行不利，并导致系统运行效率逐年下降。一般情况下，土壤温度降低1K会使制取相同热量的能耗增加3%～4%。在设计时，通过建立模型对换热器周围土壤温度场进行模拟，计算在周期循环后土壤温度与原始地温的差值，在此基础上合理设计换热器的埋深和数量，保证热泵系统的性能稳定。另外，在必要情况下可采用辅助措施保证土壤的热平衡。我国北方地区冬季寒冷，供暖期长，采暖需求量大，浅层地表温度较低，冬季负荷高于夏季负荷，可采用辅助锅炉、太阳能辅助热源或等方式对热能进行补充；辅助冷源则可以采用冷却塔来辅助散热。工程地点位于严寒地区，存在全年热负荷大于全年冷负荷的情况，为防止热泵机组运行效率下降，保证土壤热平衡，采用了市政热源作为补充，冬季由空调和散热器联合供热。在运行时依靠多重监测系统收集各取能井温度数据，对比分析各取能井的温度变化情况，及时调整运行策略，合理分配负荷，保证系统高效运行。

3.4 水蓄热系统

夏季空调的大量使用导致用电高峰期电量紧缺，地方出台峰谷电价推荐用户削峰填谷，为保证热泵机组的正常运行，降低运行成本，响应政策的号召，进一步达到节能的目的，工程中设计了8个蓄水池，配套4个储能控制器和5台变频热水循环泵见图2。运行控制策略为：在夜间最大化利用低谷电价将冷量或者是热量保存在储能器当中，在白天空调负荷较高时优先利用储存的能量，其余部分再通过取能器获得。这样一方面可以提高热泵机组在满负荷状态下运行的时间，另一方面利用的峰谷电价的差额降低的机组的运行费用，提高机组运行的经济性。该系统与无蓄能的常规地埋管地源热泵系统相比，初投资节省约10%年运行费用节省约25%，设备装机容量降低7%，钻孔数量降低8%，节省地埋换热孔布置面积1500m2，经济效益显著。

图2 热泵主控机房系统

4 严寒地区热泵技术设计思考

严寒地区由于其所处纬度较高，冬季寒冷且持续时间长，夏季相对短暂而温和，全年冷负荷和热负荷不能完全平衡，热泵机组长期运行会在土壤中积累冷量，容易出现土壤温度偏离设计温度的情况，最终导致机组性能系数降低，冬季供热能力不足。另一个问题是严寒地区冬季室外温度低，建筑热负荷较高，为保证人民正常的生产生活需要，对热泵机组的高效稳定运行提出了更高的要求。

针对以上的问题，在设计上有几点思考。从热源角度考虑，冷热负荷不均衡的情况可通过降低热泵机组承担的热负荷来改善，采用太阳能辅助供暖，生物质锅炉房辅助供暖等手段可在冬季对建筑物内的热量进行补充，同时具备一定的调峰作用；从运行角度考虑，为保证系统高效稳定运行可采用高负荷间歇运行的方式，地埋管处土壤在间歇期能够有充足的时间向周围土壤导热，恢复土壤本身的温度场，保证地埋管附近土壤在热泵机组运行时的温度。还可以增加蓄热系统，通过合理设计蓄能用能时间，保证各取能井满足高效间歇运行，尽可能提高机组运行效率，利用峰谷电价的差值，降低运行费用。从系统末端形式考虑，严寒地区热负荷本身较大，而在相同的热负荷下，采用散热器采暖对水温要求较高，相较而言，采用地面辐射采暖的方式对于水温要求要低很多，地面辐射采暖供水温度一般为35～45℃，比散热器供水温度低15～25℃，显然较低的供水温度对于热泵机组高效运行更为有利。总之，土壤源热泵技术在严寒地区使用中存在自身特点，需要通过采用相应的技术措施保证热泵稳定高效运行，这样才能让热泵技术在节能减排方面发挥出最大的作用。

5 应用前景

土壤源热泵受到环境因素的约束较少，通过辅助加热措施能够很好的适应严寒地区，对于未来拓展节能减排工作思路具有非常好的指导作用。项目投入使用5年以上，实际运行效果良好，室内温度、湿度等均达到设计要求，并多次接受相关单位进行参观考察，可以作为土壤源热泵技术在严寒地区应用的成功案例。因此，未来在提升暖通空调技能技术水平以及节能方面的技术优势的过程当中，需要充分考虑到土壤源热泵技术，并且加大这方面的研究力度，使得土壤源热泵技术支持下的暖通空调节能目标得以实现，满足其各方面的实际需求。并且在此基础之上，让暖通空调的节能技术在实际过程当中的应用更加丰富，推动我国建筑暖通空调技术的进一步发展。

6 结语

（1）严寒地区建筑冷、热负荷差别较大，在应用土壤源热泵技术时，需要通过建模对全年负荷准确计算，保证土壤的冷热平衡。

（2）严寒地区土壤源热泵在设计过程中，可以通过辅助热源补充热量，避免出现冬季供热能力不足的情况，同时避免土壤温度偏离设计值较大，影响热泵机组运行效率。

（3）土壤源热泵系统在根据严寒地区特点进行有针对性的设计后，能够稳定可靠的运行，具有明显的节能效果。