【早安暖通】第十七期 大型公共建筑复合式地源热泵热物性测试及方案设计

案例主要内容：

对于夏热冬冷地区的大型公共建筑，采用复合式地源热泵系统可减少初投资、减少地埋管钻孔数目及解决地源热泵系统热平衡问题。本案例针对某大剧院地源热泵集中共冷暖系统的设计方案和热物性测试数据结果进行了介绍。

地源热泵系统是以岩土、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。地源热泵系统属于可再生能源利用技术，具有高效节能、低运行成本和良好的社会环保效益等优点，尤其应用于大型公共建筑节能潜力巨大。但是和传统的空调系统相比，地源热泵系统也存在一些不足，比如 ： 初投资较高；系统存在热平衡问题；且需要打孔场地。 这些不足在某种程度上局限了其应用。于是针对这些问题，例如夏热冬冷地区的大型公共建筑，为减少初投资、减少地埋管钻孔数目及解决地源热泵系统热平衡问题，就采用了复合式地源热泵系统。

本案例位于广西，总建筑面积105,965 m2。其中大剧院为地上6层，地下2层，高45m，建筑面积19,500 m2；图书馆为地上6层，高26.5m，无地下室，建筑面积32,475 m2；博物馆地上4层，无地下室，高30 m，建筑面积34,195 m2；在院、馆、塔之间建设一层文化广场。由负荷计算得到， 总冷负荷为9,980.3kW，总热负荷为6,197.6 kW。经甲方要求，建成以地源热泵作为冷热源的集中供冷暖系统。

地质勘测

该工程位于广西某地区，属典型喀斯特地貌，地下有溶洞发育。根据地勘报告，由于岩溶作用的影响，石灰岩中浅层岩溶较发育，其形态主要有溶沟、溶槽、溶蚀裂隙及溶洞等。岩溶发育的平面分布图见图1。

根据所钻570个灰岩钻孔统计，遇溶洞、“鹰嘴岩”的钻孔为67个，洞高（0.2~12.8）m，遇洞率11.8%，线溶率为3.6%，说明场地属岩溶较发育区。勘察表明，拟建场地岩土大体可分 3 层。粉质粘土（Q2al）含漂石粉质粘土和漂石，下伏第三系新余群南雄组（Exn）全风化残积土、强中风化泥质粉砂岩，泥质粉砂岩，自地面向下各层情况如下所述：

• 第一层杂填土、耕土、淤泥、粉质粘土层，该层的厚度为(0.2~4) m，该层全场分布；
• 第二层石灰岩层，该层厚度为(3~80) m，平均层厚 56 m，本层未发现溶洞，该层全场分布；
• 第三层白云石及白云石胶结物，本层含大量溶洞。在4口勘察井中，有1口勘察井在(60~65) m，(85~90)m深度揭穿溶洞，溶洞高度5m；1口勘察井在(90~95)m深度揭穿溶洞，高度5m；溶洞内含水量（地下水）极大，有利于地源热泵空调系统换热，该层全场分布。

热响应测试法最早由Mogensen于1983年提出，用来在现场确定地埋管换热器周围岩土的导热系数和换热孔热阻。 测试原理是通过传热介质在土壤热交换器循环，在给定的放热量和取热量条件下连续记录流体的进出口温度，并根据温度随时间变化的规律推知土壤的导热系数和换热孔热阻。 该方法已经在世界范围内广泛应用于地源热泵地埋管换热系统的热工性能测试之中。岩土热响应试验测试仪见图2。

热响应测试结果

本项目共测试3口换热井，均为双UDe25型PE管，100m深。 经测试，平均地温为21.97℃，平均导热系数为2.76 W/m·K，在管内流速0.43 m/s，进/出水温35/30℃的散热工况下，平均每延米换热量为57.51 W/m；相同流速，进/出水温为7/12℃的取热工况下，平均每延米换热量为 68.27 W/m。

地埋管换热系统设计

地埋管换热系统设计是本土壤源热泵系统工程设计的核心内容，主要包括地下埋管换热器形式的选择，管径、管长、钻孔数目、冷却塔容量的确定。

根据甲方的需求与当地的实际情况，采用垂直式地埋管地源热泵系统，地埋管换热器有效埋深为100m的双U形，管材选用公称外径为25 mm的高密度聚乙烯（HDPE100）换热管，地埋管换热器系统的设计将根据水文地质勘察资料、热物性测试报告以及建筑物的动态负荷计算结果进行。

地源热泵机房设计

根据逐时负荷计算结果，本工程空调热负荷6,197.6kW，冷负荷9,980.3kW，确定采用地源热泵SSHR-280 主机37台，每台地源热泵主机的制冷量为 270 kW，能效比为4.7；每台地源热泵主机制热量为 311 kW，能效比为4.0。夏季空调冷冻水供/回水温度为7/12℃，地埋侧供/回水温度为30/35℃。 冬季空调热水供/回水温度为40/45℃，地埋侧供/回水温度为10/5℃。

由于图书馆、大剧院、博物馆使用空调时间和频率存在差异，为提高空调系统的使用效率，降低运行能耗，设置一个集中的冷热机房。考虑地埋管换热系统取热与散热平衡的因素，地埋管换热器按冬季负荷配置， 根据热负荷数据来配置与地埋管换热器相匹配的地源热泵主机用于冬季空调采暖；夏季负荷超出部分另外配置主机及冷却塔。 为了保证机组可以互相备用及切换，选用同一型号的37台主机。同时选用8台闭式冷却塔，一方面可以避免开式冷却塔水系统中的杂质导致地源热泵主机效率下降，另一方面也可实现闭式冷却塔与地埋管系统的并联与切换。机房平面布置图见图3。

本方案提出夏季采用冷却塔作为地源热泵辅助冷源的复合式地源热泵系统，其应用于我国南方地区的实际工程中能有效解决土壤热失衡问题，保证地下土壤冬夏季取排热平衡，提高机组的运行效率，降低初投资和运行费用，减少钻孔数目与打孔场地，有利于地源热泵系统稳定高效的运行。本项目为广西及同类地质条件下大型公共建筑采用地源热泵空调系统的热物性测试、地埋管换热系统设计等积累了可供借鉴的经验。

原载《制冷技术》有删减