謝雨東
浙江省天正設(shè)計工程有限公司
摘要：本文通過浙江杭州某工業(yè)廠房地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計，淺析地源熱泵在工業(yè)廠房的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：地源熱泵 工業(yè)廠房
The application of geothermal heat pump system to industrial building
Abstract：From the design of geothermal heat pump system to industrial building，analyzing the application of geothermal heat pump system to industrial building。
Keywords：geothermal heat pump system industrial building
1引言
地源熱泵是利用地球表面淺層水源（如地下水、河流和湖泊）和土壤源中吸收的太陽能和地?zé)崮埽⒉捎脽岜迷�，既可供熱又可制冷的高效�?jié)能空調(diào)系統(tǒng)。即輸入少量的高品位能源（如電能），實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移。地能分別在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季空調(diào)的冷源，即在冬季，把地能中的熱量“取”出來，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖；夏季，把室內(nèi)的熱量取出來，釋放到地下去。它不向外界排放任何廢水、廢氣，能有效保護(hù)環(huán)境，是一種高效、節(jié)能的可再生能源空調(diào)系統(tǒng)形式。
2工程概況
本工程位于浙江杭州某工業(yè)園區(qū)內(nèi)，總建筑面積約9000m2，共三層， 其中一層為沖壓車間，二層為模具車間，三層為成品倉庫，一層、二層采用舒適性空調(diào)，三層采用調(diào)溫型除濕。建設(shè)地屬于夏熱冬冷地區(qū)，夏季有制冷要求，冬季有制熱要求，滿足地源熱泵的先決條件。
3空調(diào)負(fù)荷
本工程地源熱泵空調(diào)主要用于車間一層和二層。本工程負(fù)荷特點(diǎn)：⑴、車間內(nèi)具有設(shè)備散熱(且比較穩(wěn)定)，占總冷負(fù)荷的絕大部分；⑵、本車間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的負(fù)荷只占很小一部分，可視為比較恒定的；⑶、夏季冷負(fù)荷高，冬季熱負(fù)荷��；⑷、車間只對溫度要求，無濕度要求。
空調(diào)面積約6000m2，按杭州氣候參數(shù)，夏季條年使用120d，冬季使用90d，每天按10個小時計算。根據(jù)負(fù)荷計算軟件算得本車間夏季最大冷負(fù)荷為1170kW，冬季最大熱負(fù)荷為610kW。根據(jù)全年動態(tài)負(fù)荷計算結(jié)果，夏季總冷負(fù)荷累計約為1160000kWh，冬季總熱負(fù)荷累計約為450000 kWh。
由于夏季的總冷負(fù)荷和冬季的總熱負(fù)荷相差懸殊，本項目以冬季的熱量來選擇供熱方式，而夏季其余部分采用冷卻塔解決。
4地質(zhì)勘探及換熱參數(shù)測試
本工程前期地質(zhì)勘探及換熱參數(shù)測試由浙江某地質(zhì)勘探院完成，通過現(xiàn)場勘探及實(shí)際換熱試驗(yàn)，提供了本次設(shè)計最關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)。
4.1地質(zhì)勘探
根據(jù)鉆探結(jié)果，可將底層分為7個工程地質(zhì)層，10個亞層，詳見下簡表：
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簡述 |
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1 |
素填土 |
主要由砂質(zhì)粉土組成，厚度1米，底層深度為1米 |
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2-1 |
砂質(zhì)粉土 |
主要由云母碎片組成，厚度12.5米，底層深度為13.5米 |
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2-2 |
粉砂 |
含石英、云母碎片，厚度2米，底層深度為15.5米 |
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2-3 |
層狀土 |
主要由層狀粉土和粘性粉土組成，厚度12.5米，底層深度為28米 |
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3 |
粉質(zhì)粘土 |
局部流塑，厚度為7米，底層深度為30米 |
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4 |
粉質(zhì)粘土 |
局部流塑及軟可塑，厚度為28米，底層深度為58米 |
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5 |
碩砂 |
含原碩，厚度為3米，底層深度為61米 |
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6 |
粉質(zhì)粘土 |
硬塑，局部硬可塑，厚度為14米，底層深度為75米 |
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7 |
泥質(zhì)粉砂巖 |
全強(qiáng)風(fēng)化，含少量礦物，層狀構(gòu)造，本次勘探未揭穿該層 |
4.2換熱參數(shù)測試結(jié)論
（1）地埋管深度為75米，φ32單U管（PE聚乙烯管）平均單孔放熱功率為3.72kW，平均單孔取熱功率為3.17kW。
(2)通過雙橋靜力觸探試驗(yàn)，地埋管孔在樁基礎(chǔ)50cm以外施工基本不影響。
(3)本項目適合采用土壤源熱泵技術(shù)。
5冷熱源選擇
無論從空調(diào)冷熱負(fù)荷及全年動態(tài)負(fù)荷來看，該工程全年的總冷量遠(yuǎn)大于總熱量，為保持土壤的熱平衡，以冬季負(fù)荷為依據(jù)設(shè)計地埋管系統(tǒng)，即冬季熱負(fù)荷全部由地埋管及地源熱泵機(jī)組系統(tǒng)承擔(dān)，夏季空調(diào)冷負(fù)荷部分由地埋管承擔(dān)，其余的采用冷卻塔補(bǔ)充。
方案一：一臺地源熱泵機(jī)組+一臺水冷冷水機(jī)組，冬季采用地源熱泵機(jī)組供暖，夏季采用地源熱泵機(jī)組和水冷冷水機(jī)組共同供冷。
方案二：兩臺地源熱泵機(jī)組，冬季采用其中一臺地源熱泵機(jī)組供暖，夏季采用兩臺地源熱泵機(jī)組供冷。
因地源熱泵機(jī)組沒有水冷冷水機(jī)組的COP值高，因此方案一的初投資以及運(yùn)行費(fèi)用比方案二低。但因業(yè)主要求以及項目的特殊性，本項目不設(shè)額外備用機(jī)組，但要求所設(shè)的兩臺機(jī)組能在冬夏季互為備用，以保證其中一臺機(jī)組檢修時，空調(diào)系統(tǒng)還能正常運(yùn)行，維持生產(chǎn)車間的正常工作。
綜上所述，本工程選用兩臺一樣的地源熱泵機(jī)組作為冷熱源，兩臺機(jī)組冬夏季都可相互備用，冬季由一臺機(jī)組供熱，夏季由兩臺機(jī)組供冷。由于本車間夏季冬季負(fù)荷相差懸殊，因此，夏季設(shè)兩臺冷卻塔，補(bǔ)充夏季冷負(fù)荷。
根據(jù)冬夏季負(fù)荷選擇地源熱泵機(jī)組，兩臺地源熱泵機(jī)組，每臺制冷量為585kW，制熱量為616kW，制冷時COP為5.06，制熱時COP為4.61。夏季：負(fù)荷側(cè)進(jìn)出水溫度7/12℃，冷卻側(cè)32/37℃；冬季：地源側(cè)10/5℃，負(fù)荷側(cè)45/40℃�？照{(diào)末端為常規(guī)設(shè)計，采用吊頂式空調(diào)及風(fēng)機(jī)盤管。
6地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計
6.1地源熱泵系統(tǒng)流程圖設(shè)計
根據(jù)以上的結(jié)論，地源熱泵系統(tǒng)流程簡圖如下：
說明：
1) “夏季制冷1”：地下冷熱負(fù)荷平衡后，夏季制冷狀態(tài)；“夏季制冷2”：地下冷熱負(fù)荷平衡前，夏季制冷狀態(tài)；“夏季制冷3”：地下冷熱負(fù)荷平衡后，DYRB-1.2檢修時的制冷狀態(tài)；“夏季制冷4”：地下冷熱負(fù)荷平衡后，DYRB-1.1檢修時的制冷狀態(tài)；“夏季制冷5”：地下冷熱負(fù)荷平衡前，DYRB-1.2檢修時的制冷狀態(tài)；“夏季制冷6”：地下冷熱負(fù)荷平衡前，DYRB-1.1檢修時的制冷狀態(tài)；“冬季制熱1”：冬季開DYRB-1.1的制熱狀態(tài)；“冬季制熱2”：冬季開DYRB-1.2的制熱狀態(tài)。
2) DYRB-1.1與DYRB-1.2冬夏季時都可互為備用，即在一臺設(shè)備檢修時，可保證冬季全部熱負(fù)荷和夏季部分冷負(fù)荷。
3) 夏季使用天數(shù)為120d，冬季使用天數(shù)為90d；根據(jù)全年負(fù)荷情況，地源熱泵冬季使用天數(shù)為90d，地源熱泵夏季使用天數(shù)約為95d，其余部分由冷卻塔解決；同時通過地下土壤以及冷卻回水溫度監(jiān)測，分析地下土壤長時間的溫度變化，從而在保證系統(tǒng)最大節(jié)能運(yùn)行。
6.2地埋管的形式及布置
根據(jù)地質(zhì)勘探的分析報告，綜合考慮各種因素，本工程地源換熱系統(tǒng)設(shè)計為垂直單U形地埋管系統(tǒng)，經(jīng)分析，采用Dn32的單U形地埋管系統(tǒng)，鉆孔孔徑取150mm，管路布置采用并聯(lián)多環(huán)路異程系統(tǒng)，盡量布置在生產(chǎn)車間旁的綠化帶上面，不足部分布置在生產(chǎn)車間的正下方。連接地源井的水平支管采用4～5口井一回路，同程式連接，根據(jù)地埋管孔布置圖設(shè)置單級分集水器，共6個并聯(lián)環(huán)路，并在集水器上設(shè)置平衡閥，水平埋管深約2米，系統(tǒng)最高點(diǎn)設(shè)自動排氣閥。
經(jīng)計算，共需地埋管孔數(shù)200個，考慮一定余量后實(shí)際鉆孔數(shù)為240個，鉆孔間距最小為4m，個別孔位根據(jù)現(xiàn)場情況適當(dāng)調(diào)整。地下地埋管布孔平面簡圖如下：
6.3地埋管的管材及連接
地埋管采用化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕、導(dǎo)熱率大，流動阻力較小的聚乙烯(PE)管，地埋管的質(zhì)量應(yīng)符合“給水用聚乙烯(PE)管材”GB/T13663及“冷熱用聚乙烯（PE）管道系統(tǒng)”GB/T19473.2的要求，管材公稱壓力為1.6MPa，U形豎直埋管采用Dn32的PE管。連接管道小于等于Dn63采用電熔連接，大于Dn63可采用熱熔連接。管道的施工必須滿足“埋地聚乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程”CJJ101-2004的有關(guān)規(guī)定。
6.4地埋管長期運(yùn)行的可行性分析
通過夏季冷凍水冬季熱水的流量累計，轉(zhuǎn)成負(fù)荷來估計夏季的地源側(cè)的運(yùn)行時間。并通過傳感器不斷檢測夏季冷卻水（地源側(cè)）回水溫度，當(dāng)回水溫度達(dá)到32°時，地源側(cè)的冷卻效率就會低于冷卻塔效率，此時需關(guān)閉地源系統(tǒng)，開啟冷卻塔系統(tǒng)。而相對冬季而言，隨著土壤溫度的升高，其運(yùn)行效率將更加高效。
7設(shè)計總結(jié)及建議
根據(jù)本工程設(shè)計可以得出以下結(jié)論及建議：
(1)通過本工程的地源熱泵設(shè)計，可見地源熱泵系統(tǒng)在工業(yè)廠房中也是可行的。地源熱泵不僅高效、節(jié)能、環(huán)保，其運(yùn)行費(fèi)用比傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)大約低25%，鑒于地源熱泵初投資比較大，如果沒有相關(guān)政策補(bǔ)貼，很難在工業(yè)廠房中推廣。
(2)為了降低初投資以及運(yùn)行費(fèi)用，夏季冷負(fù)荷宜由水冷冷水機(jī)組（冷卻塔散熱）+地源熱泵機(jī)組（地埋管散熱）共同承擔(dān)，冬季熱負(fù)荷全部由地源熱泵機(jī)組（地埋管吸收）承擔(dān)。
參考文獻(xiàn)
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(2) CJJ101-2004 埋地聚乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程
(3) 陸耀慶 實(shí)用供暖空調(diào)設(shè)計手冊（第二版）
(4) 徐偉等譯 地源熱泵工程技術(shù)指南 中國建筑工業(yè)出版社2001
(5) 施春燕 姚國梁 地源熱泵空調(diào)在某地下商業(yè)建筑中的運(yùn)用 浙江省暖通空調(diào)動力學(xué)術(shù)年會論文集2009 P115～P122 |
