竖直埋管地源热泵系统研究进展

竖直埋管地源热泵系统研究进展

张树江

浙江当代发展建筑设计院有限公司浙江杭州310000

摘要：地源热泵作为利用可再生能源的一种技术，因其具有节能、高效、环保的优势，发展迅速并有广泛的市场需求.本文从地源热泵的主要形式、特点及优劣势、新型多热源复合式地源热泵系统等方面，探论了国内外研究现状和存在的问题，阐明地源热泵在建筑节能中的重要地位和未来发展趋势.

关键词：竖直埋管地源热泵；系统运行;监测平台；实验测试；传感器；热工参数

引言

热泵是一种通过做功使热量从低温环境流向高温环境的装置。地源热泵系统是以岩土体、地下水或者地表水为低温热源，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。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[1]。地埋管地源热泵系统利用地下深层土壤温度相对稳定的特性，通过埋设在地下的换热器系统与土壤进行冷热交换，从而实现供冷供热的目的。随着国家提倡节能减排，坚持建设资源节约型、环境友好型社会，建设项目广泛使用地埋管地源热泵系统来供冷供热。由于地埋管换热系统属于隐蔽工程，合理的设计和高质量的施工是地埋管地源热泵换热系统长时间高效运行的必要条件，所以笔者根据以往实例对地埋管地源热泵系统设计和施工中的关键控制点提出自己的建议。

1竖直管地泵技术的实际应用

长春市某4层办公楼采用U形管形式的地泵技术，设计了16个100m深的直径不等的热交换井，工程自投入使用半年来，当室外最低温度达到30℃时，室内可达到15～20℃，CO2的排放量减少了30t，SO2的量减少了1.5t。河北省廊坊市的新奥高科工业有限公司采用U形管形式，从2008年建成投产以来，系统已连续运行4a，实践证明该项目达到了设计预期，满足了设计要求。重庆某绿色建筑示范楼为依托，采用在双U型垂直地埋管上预埋热电偶温度传感器的方式，对其地下埋管换热情况进行长期监测，并通过模拟及实测相结合的方式对地埋管不同深度的换热效果进行研究，并最终得出该项目的最佳地下换热器埋管深度，为实际工程做指导。在铁路领域应用地埋管地源热泵系统的越来越多，京沪高铁的上海虹桥站作为站台地埋管的首个实践案例，站房采用单U形管地埋管井，深度为90m，运行期间效果显著，为以后类似铁路工程设计提供了参考。

2地埋管地源热泵技术的实验研究

针对我国北方地区土壤温度较低，冬季热负荷较大的特点，可以采用利用太阳能集热器作为辅助热源，白天完全依靠地源热泵供暖，夜间利用太阳能集热器储存的热量二者联合供暖。以山东青岛地区某项目为例，针对该地区的气候条件，通过对太阳能－地埋管地源热泵系统有、无蓄热水箱时，各联合供暖运行模式进行了数值模拟，结果表明，与单独的地埋管地源热泵相比，联合供暖运行模式具有明显的节能效果，有、无蓄热水箱时的节能率分别为14.5%和10.4%。国外的专家学者针对太阳能辅助地源热泵供热系统进行了性能实验测试研究和模拟研究，计算得出热泵COP为2.13～2.84，而系统COP要比热泵COP低5%～15%，每11～13m深的U形管能够提供1kW的热量。

3竖直埋管地源热泵技术

3.1竖直埋管地源热泵的埋设形式

根据埋设方式，竖直埋管地源热泵常见的形式有U型管、套管和单管三种。目前U型管是国内外运用较多的形式，U型管管径一般在50mm以下，流量不宜太大。埋深越深，换热性能就越好，但其成本也就越高。一般地质条件下多采用单U式，但对于较坚硬的岩石层，采用双U式比较合适。套管式换热器结构简单，组合方便，压力适用范围较广。同时传热面积可以通过相应的增减内外管结构而实现增减自如，套管式换热器外管的直径可达200mm，由于增大了换热面积，可减少钻孔数和埋深。单管型通常称为热井，这种形式投资较少，安装方法一般在地下水位以上用钢管作为护套，直径和孔径一致，典型的孔径为150mm，地下水位以下为自然孔洞，不加任何设施。这种方式受国家地下水资源，国家有关政策限制较大。

3.2竖直埋管的换热器

竖直埋管换热器尺寸是设计时重点需考虑的。换热器尺寸的设计步骤：①确定埋设管道位置；②确定地下土壤温度；③确定最高和最低地下温度；④确定地下热交换器的最高和最低进入液体温度；⑤计算地下到环路的温度；⑥确定达到热流量时的管道阻力；⑦确定土壤/现场对热流量的阻力；⑧计算供热和供冷运转比值；⑨计算地下热交换管道长度。

4施工关键点控制

4.1施工方法

地埋管换热器管材多为PE管，施工方法有电熔和热熔。热熔是将材料用专用器具加热熔融材料冷却后连为一体，施工方便经济；电熔焊接是指用一个电熔管件套在两根管子上，材料中已预设加热线圈,连接时通电加热熔融，熔接质量好但材料较贵，适用于不方便使用器具热熔，或熔接要求高的场合。两者主要是管件本身的区别，电熔管件较之热熔管件价格要高，热熔工艺对施工质量要求高。

4.2存在问题

图一

当地埋管换热系统规模较大时，如果管道连接时施工质量不满足要求出现熔瘤时，会造成以下情况：（1）系统环路的阻力增大，实际工作点B点偏离设计工况点A点（见图一H-Q曲线图），使地埋管系统水流量减小；为保证管道内介质与土壤的换热，管道内流速需符合规范要求（地埋管换热器推荐流速：双U形埋管不宜小于0.4m/s，单U形埋管不宜小于0.6m/s）[1]或者流速在某流速区间内增加可使换热强度增加[2]，所以地埋管系统水流量过小不利于换热。2）地源侧管路出现水力失调，水泵偏离设计工作点，水泵的运行效率降低图一H-Q曲线图管道内易出现结垢，脏污不易通过水流排出。

5解决方法

根据上述热熔承插施工中出现熔瘤的问题，其解决方法是严格控制管材插入管件的深度。

结语

建筑能耗占社会总能耗接近3０％且有上升的趋势，空调能耗又占建筑能耗的６０％，采用地源热泵技术的空调系统节能效果必定显著.同时地热能开发利用“十三五”规划指出应用浅层地热能供暖／制冷面积达到11.22亿ｍ2的目标，所以地源热泵的应用将会继续高速增长.由于《水污染防治行动计划》（水十条）的发布，严格限制开采地下水，所以地下水源热泵项目将会减少，地埋管地源热泵和地表水源热泵以及工业余热废热回收式热泵将会增多.同时，地埋管地源热泵作为地源热泵应用形式中占比较大的一种形式，由于其地埋孔打井费用占项目总造价的2０％左右，甚至更多，所以未来应开发新型地埋管换热器以及新的打井技术和设备，降低投资额.对于复合式地源热泵系统，应根据不同的气候区域或项目特点，针对不同形式的复合式地源热泵系统深入详细研究，因地制宜，优化系统设计.如青海省光照充足，可以针对地源热泵与太阳能复合式系统进行详细深入的分析研究，充分利用太阳能的同时提高系统节能性与经济性；如地源热泵与蓄能系统相结合，应针对系统配置、运行策略进行研究，提高系统性能、降低装机容量、降低投资与运行费.总之，地源热泵在利用可再生能源方面有着巨大的优势，对建筑物节能减排起着重要的作用.虽然地源热泵的理论研究与技术应用还存在问题，但是随着地源热泵理论、技术和配套产业的发展进步以及国家政策鼓励支持，地源热泵研究应用将越来越广泛，并朝着区域化、规模化、热源多元化发展，从而提升节能性和经济性，提高综合效率。

参考文献

[1]徐伟，邹瑜，刁乃仁，等.地源热泵系统工程技术规范（2009年版）[S].中国建筑工业出版社，2009

[2]王华军，杨立新，顾吉浩，等.地源热泵系统运行中土壤温度场变化特性的实例分析[J].暖通空调，2０11，４1（７）：11９122

[3]王俊清，袁艳平，曹晓玲，等.基于混合解换热模型的地源热泵系统井群热干扰特性[J].农业工程学报，2０1６，32（1０）：1９４－2００