某儲備站辦公樓地源熱泵系統(tǒng)設計
楊偉 張淑華 楊琳琳 薛思浩 孫躍
（1、遼寧工程技術大學 建筑與工程學院 遼寧 阜新 123000
 (2、阜新市細河區(qū)城鄉(xiāng)建設管理局村鎮(zhèn)建設辦公室 遼寧 阜新 123000）

 摘要：為了理解和掌握地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范[1] ，推廣應用地源熱泵技術，對某儲備站辦公樓工程負荷按規(guī)范進行了計算，得出了熱負荷指標，對地熱換熱器了詳細計算。指出傳熱介質與U形管內壁的對流換熱系數(shù)、地層熱阻、短期連續(xù)脈沖負荷引起的附加熱阻三部分計算內容不易實施；規(guī)范[1]附錄B中的公式（B.0.1-5）公式和（B.0.1-7）應闡述具體的應用條件，對鉆孔間距應表達清晰；鉆孔灌漿回填材料熱阻和地層熱阻對地埋管熱阻影響最大，所以合理地選擇回填料、確定地埋管布管形式和埋管間距顯得至關重要。

關鍵詞：地熱換熱器；計算參數(shù)；傳熱理論；規(guī)范  

Design of ground source heat pump system of a reserve station

Yang Wei1  ，ZHANG Shu-hua 2，Yang Linlin1 ，Xue Sihao1，Sun Yue1

(1College of Architecture Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China

2Urban and rural construction administration bureau, countryconstruction office, Xi he district, Fuxin 123000, China))

Abstract: In order to understand and master the ground source heat pump system technical specifications and to promote the use of ground source heat pump technology, the calculation of the heating load of a reserve station shows the heating load index by specification, and the geothermal heat exchanger were calculated in detail.This paper points out it is not easy to implement the calculation of the heat transfer coefficient of heat transfer medium and U-shaped tube wall, thermal resistance of formation and additional resistance caused by short-term continuous pulse load. The specific application conditions shoud be described in formula (B.0.1-5) formula and (B.0.1-7) of ppendix B in specification [1] and the expression of the drilling distance should be clear. The thermal resistance of drilling grouting filler and formation make the greatest impact on the thermal resistance of buried pipe.So it is important to make the reasonable choice of the filler and the determination of the form of buried pipe and pipe distance.
Keywords: ground heat exchanger; computational parameters; heat transfer theory; specification

1 引言
    地殼上部的溫度主要受太陽輻射熱和地球內部熱量的影響[2]。地殼中溫度分布大體可分為三個帶：變溫帶、常溫帶、增溫帶。變溫帶靠近地表的最上層部分，地溫主要受太陽輻射熱量影響，日變溫帶深度1~2米，年變溫帶深度15~20米；常溫帶是地球內部熱能與上層變溫帶的影響在這區(qū)域內處于相對平衡，溫度變化幅度小于觀測誤差的區(qū)域；增溫帶是受地球內部熱量影響較大的區(qū)域，增溫帶內的溫度隨其深度而增加。地源熱泵系統(tǒng)是利用200米以內的淺層地殼中儲存的熱能資源對建筑進行供熱與供冷，具有良好的節(jié)能與環(huán)境效益，近年來在國內得到了日益廣泛的應用。本工程建筑面積較小，作為實例計算步驟較詳細、典型，以便幫助地源熱泵工作者更好的理解使用規(guī)范。
    儲備站辦公樓坐落阜新市郊區(qū),位置偏僻。位于東經122°，北緯42°，為北溫帶大陸型季風氣候區(qū)，年平均氣溫為8.8℃。最冷月（1月）平均氣溫在-4.5～8℃之間。最熱月（七月）平均氣溫在24℃上下，平均相對濕度61％，最大相對濕度78％，最小相對濕度48％。平均凍土深度1.11米，最大凍土深度1.48米，最小凍土深度0.68米。開發(fā)商原計劃采用冬季集中供暖，但由于距供熱主干管較遠,敷設管道成本較高，且供暖溫度不易保證，又由于供暖費連年漲價 ,經綜合分析論證決定改用地埋管地源熱泵系統(tǒng), 冬季供暖,夏季供冷。

2 工程概況、空調系統(tǒng)負荷計算
2．1 工程概況
    儲備站辦公樓建筑面積為1248.98平方米,共三層，室內外高差0.3米，每層層高3.3米，總高度10.2米。建筑設計采用節(jié)能措施，建筑設計體形系數(shù)為0.369，大于0.3，按[3]第4.1.2條屋頂和外墻應加強保溫，其傳熱系數(shù)應符合表 4.2.1 的規(guī)定。墻體保溫層采用50毫米厚XPS板，建筑外墻傳熱系數(shù)0.43W/m2K；面頂保溫層采用120毫米厚阻燃型聚苯板，密度為18~20Kg/m3，建筑屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)0.34W/m2K；門窗采用氣密性良好的門窗，其氣密性等級不低于現(xiàn)行國家標準[4]規(guī)定的四級水平；外墻周邊地面墊層下鋪2000毫米寬阻燃型聚苯板100毫米厚, 建筑地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)0.44W/m2K。一層由辦公室、衛(wèi)生間組成,二層由辦公室、休息室、衛(wèi)生間等組成,三層由辦公室、會議室、衛(wèi)生間等組成。根據(jù)地質勘察資料，儲備站辦公樓所在地地下耕表土底層深1.2米、粉質粘土底層深2.8米、粉土底層深4.3米、中砂土底層深7.8米、礫砂含角礫底層深69.7米，土壤平均導熱系數(shù)為2.141 W/ (m •K)?；靥畈牧喜捎?0%膨潤土、90%砂子的混合物，導熱系數(shù)為2.2 W/ (m •K) ；巖土體的平均熱擴散率取1.076×10-6m2/s。
2 .2 空調系統(tǒng)負荷計算
空調設計冷、熱負荷是最基本的數(shù)據(jù)，它直接影響方案、設備容量的選擇以及系統(tǒng)的使用效果和運行成本。設計冷、熱負荷的計算方法與常用空調系統(tǒng)完全形同。詳見參考文獻 [5、6、7、8、9]。本工程設計熱負荷：一層、頂層房間41.23K W，二層負荷10.71 K W，冬季總負荷51.94K W；夏季一層、頂層房間冷負荷34.32 K W ，二層冷負荷8.91K W ，夏季總冷負荷43.23K W。

3 地源熱泵系統(tǒng)
3.1 地埋管換熱器[10~12]
    地源熱泵系統(tǒng)中，地埋管換熱器的研究一直是地源熱泵技術的難點，同時也是該項技術研究的核心和應用的基礎；地埋管換熱器的設計也是地源熱泵系統(tǒng)設計的關鍵。地埋管換熱器通過循環(huán)液（水或以水為主要成分的防凍液）在封閉的地下埋管中流動，實現(xiàn)系統(tǒng)與土壤之間的傳熱。地埋管可分為水平埋管與豎直埋管兩大類。在軟土地區(qū)使用水平埋管，其優(yōu)點是造價較低,但傳熱效果會受到外界氣候的影響，且占地面積大，通常不適合我國人多地少的國情。豎直埋管是在若干豎直鉆孔中設置地埋管，根據(jù)在鉆孔中的布置形式，地埋管換熱器可分為單U形、雙U形、螺旋形。灌注樁埋管等。
3．2選擇換熱器管材
    目前國際上廣泛采用的高密度聚乙烯（美國牌號PE3408）管材，壁厚（強度）推薦按SDR11選取，管徑（內徑）通常采用20－40mm。管徑的選擇應根據(jù)熱泵本身換熱器的流量要求以及選用的埋管形式確定。即一方面管中流體的流速應足夠大，使其在管中產生湍流以利于傳熱，另一方面，該流速又不應過大，以使循環(huán)泵的功耗保持在合理的范圍內，管內設計流速一般為0.6~1m/s。設計中采用的是國產高密度聚乙烯管，內徑為26mm，外徑為32mm。管內設計流速為0.6m/s。
3．3地下?lián)Q熱器換熱量計算[1]
    地源熱泵系統(tǒng)實際最大釋熱量發(fā)生在建筑物冷負荷最大的時段，阜新地區(qū)為七月。包括：各熱泵機組釋放到循環(huán)水中的熱量（空調分區(qū)冷負荷和機組壓縮機耗功）、循環(huán)水在輸送過程中得到的熱量、水泵釋放到水中的熱量。將上述三項熱量相加就可得到供冷工況下釋放到循環(huán)水的最大熱負荷。即：
QC = Q1  ×（1+1/EER） +∑輸送過程得熱量+∑水泵釋放熱量      (1)
式中，Q1 為空調分區(qū)冷負荷；ERR為熱泵機組制冷時的能效比,4.2。
注：因輸送過程的得熱量、水泵釋放熱量與管路的長短、水泵運行工況等都有關，夏季該兩項一般按機組壓縮機功耗的30％計算；即上述公式可簡化為：
QC = Q1 ×（1+1.3/EER）                                         (2)
因此夏季地下?lián)Q熱器的設計換熱功率分別為：
QC = Q1 ×（1+1.3/EER）=43.23（1+1.3/4.2）=56.61kw
地源熱泵系統(tǒng)實際最大吸熱量發(fā)生在建筑物熱負荷最大的時段，阜新地區(qū)為一月。包括：各空調分區(qū)內熱泵機組從循環(huán)水中的吸熱量（空調分區(qū)熱負荷，并扣除機組壓縮機耗功）、循環(huán)水在輸送過程中失去的熱量并扣除水泵釋放到水中的熱量。將上述前兩項相加項并扣除第三項就可得到供熱工況下循環(huán)水的最大吸熱負荷。即：
Qh = Q2 ×（1-1/COP）+Σ輸送過程損失的熱量 - Σ水泵釋放熱量       (3)
式中，Q2為建筑熱負荷，kW；COP熱為熱泵機組制熱時的性能系數(shù),3.0。
注：因輸送過程的損失熱量、水泵釋放熱量與管路的長短、水泵運行工況等都有關，公式中后兩項（一項為失熱量，另一項為得熱量）相互抵消，即上述公式可簡化為：
    Qh = Q2  ×（1-1/COP）                                           (4)
因此冬季地下?lián)Q熱器的設計換熱功率分別為：
Qh = Q2 ×（1-1/COP）=51.94（1-1/3.0）=34.62KW
根據(jù)最大吸熱負荷和最大釋熱負荷，分別計算供熱與供冷工況下地埋管換熱器的長度，取其大者為地埋管換熱器的設計長度。
3．4 確定循環(huán)液（水）的溫差與流量
設計選定夏季循環(huán)液（水）進、出冷凝器的溫度分別為27℃和31℃，即溫差為4℃，則循環(huán)液最大流量按下式計算；

                                             (5)
式中,為循環(huán)液比定壓熱容，4.178KJ/Kg； 為循環(huán)液溫差4℃。
因此循環(huán)液最大流量為：

 
 設計選定冬季循環(huán)液（水）進、出循環(huán)液（水）進、出蒸發(fā)器的溫度分別為8℃和5℃，即溫差為3℃，則循環(huán)液最大流量按下式計算；

 
按夏季循環(huán)液流量確定循環(huán)液最大流量為12.19 。
3．5地下?lián)Q熱器鉆孔數(shù)
地埋管總過流斷面應根據(jù)熱泵機組熱交換的流量要求以及循環(huán)液的流速來確定。按下式計算；

                                                                 (6)
式中，  為地下?lián)Q熱器鉆孔數(shù)； 為地埋管內徑m；  為循環(huán)液流速m/s。
因此地下?lián)Q熱器鉆孔數(shù)為：

 
由于換熱器鉆孔數(shù)較少，因此按單排孔排列，間距8米。
3．6 確定換熱器鉆孔長度
豎直地埋管換熱器計算按[1]附錄B計算。
（1） 傳熱介質與u形管內壁的對流換熱熱阻可按下式計算：

                                           (7)             
式中 ， Rf為傳熱介質與U形管內壁的對流換熱熱阻(m•K／W)；di為U形管的內徑0.026m；K為傳熱介質與U形管內壁的對流換熱系數(shù)[w／(m2•K)]。
查[13]附錄10得平均溫度29℃和7℃水的運動粘性系數(shù) 、努西爾數(shù) 、普朗克數(shù)，并按[13]公式計算出夏季、冬季傳熱介質與U形管內壁的對流換熱系數(shù)K為2892.18 w／(m2•K)和2284.90 w／(m2•K)，帶入公式(7)計算出夏季、冬季傳熱介質與U形管內壁的對流換熱熱阻Rf為4.24×10-3m•K／W、5.36×10-3 m•K／W)。
（2） U形管的管壁熱阻可按下列公式計算：

                                 (8)
                                                 (8)
式中， Rpe為U形管的管壁熱阻(m•K／W)；λp為U形管導熱系數(shù)，0.41w／(m•K)；do為U形管的外徑，0.032m；de為U形管的當量直徑(m)；對單u形管，de為1.414do。
帶入公式(8)計算出U形管的管壁熱阻為0.0553m•K／W。
（2） 鉆孔灌漿回填材料的熱阻可按下式計算：

                   
                                                                  (9)
式中， Rb為鉆孔灌漿回填材料的熱阻(m•K／w)；λb為灌漿材料導熱系數(shù)，2.2w／(m•K)；db為鉆孔的直徑，0.13m。
帶入公式(9)計算出鉆孔灌漿回填材料的熱阻為0.076m•K／W。
（4）地層熱阻，即從孔壁到無窮遠處的熱阻可按下列公式計算：  　根據(jù)經驗，當鉆孔之間的距離大于8米時，地埋管的增加對地層熱阻的影響幅度變化呈逐步遞減的趨勢，特別當布置形式超過8×8時，地埋管的增加對地層熱阻的影響已基本不變了，本工程按單孔計算滿足工程需要。對于單個鉆孔：

                                    (10)                       

式中，Rs為地層熱阻(m•K／W);I為指數(shù)積分公式；λs為巖土體的平均導熱系數(shù)，2.141 W/ (m •K)；a為巖土體的熱擴散率，1.076×10-6m2/s ；rb為鉆孔的半徑，0.080m；τ為運行時間(s)，夏季工況，系統(tǒng)設計運行時間為50天，每天運行98小時，即取1440000s；冬季工況，系統(tǒng)設計運行時間為184天，每天運行8小時，即取7948800s。
帶入公式(10)計算出地層夏季、冬季熱阻分別為0.2128 m•K／W、0.2763m•K／W。
（5）短期連續(xù)脈沖負荷引起的附加熱阻可按下式計算：

                                                                 (11)
式中，Rsp為短期連續(xù)脈沖負荷引起的附加熱阻(m•K／W)；τp為短期脈沖負荷連續(xù)運行的時間，2h。
帶入公式(11) 計算短期連續(xù)脈沖負荷引起的附加熱阻為0.0157m•K／W。
豎直地埋管換熱器鉆孔的長度計算宜符合下列要求；
（6）制冷工況下，豎直地埋管換熱器鉆孔的長度可按下式計算：

(12)  (13)
  

 式中， Lc制冷工況下，豎直地埋管換熱器所需鉆孔的總長度（m）；Qc水源熱泵機組的額定冷負荷，56.61kw； EER水源熱泵機組的制冷性能系數(shù)，4.2；tmax制冷工況下，地埋管換熱器中傳熱介質的設計平均溫度，35℃；t∞埋管區(qū)域巖土體的初始溫度，18℃；Fc制冷運行份額；Tc1一個制冷季中水源熱泵機組的運行小時數(shù)，400小時；Tc2一個制冷季中的小時數(shù)，1472小時。
帶入公式(12)、(13) 得制冷工況下制冷運行份額為0.2717，豎直地埋管換熱器所需鉆孔的總長度為844.33米。
（7）供熱工況下，豎直地埋管換熱器鉆孔的長度可按下式計算：

(14) (15)

式中， Lh供熱工況下，豎直地埋管換熱器所需鉆孔的總長度（m）；Qh水源熱泵機組的額定熱負荷，34.62KW；COP水源熱泵機組的供熱性能系數(shù)，3.0；t∞埋管區(qū)域巖土體的初始溫度，14℃；tmin供熱工況下，地埋管換熱器中傳熱介質的設計平均溫度，通常取5℃；Fh供熱運行份額；Th1一個供熱季中水源熱泵機組的運行小時數(shù)，248小時；Th2一個供熱季中的小時數(shù)，1472小時。
帶入公式(14)、(15) 得供熱工況下供熱運行份額為0.1685，豎直地埋管換熱器所需鉆孔的總長度為503.33米。
根據(jù)計算結果，選擇夏季制冷工況下豎直地埋管換熱器鉆孔的長度844.33米為鉆孔長度。

4 結語
1) 規(guī)范[1]自實施，對地源熱泵空調技術在我國健康快速的發(fā)展和應用起到了很好的指導和規(guī)范作用。土壤耦合熱泵技術能否被廣泛推廣應用，很大程度上取決于精確、可靠的系統(tǒng)設計方法和計算工具的有效性。完善地下埋管換熱器的傳熱模型，使其更好地模擬真實換熱過程，以及確定最佳的埋管換熱器的設計是規(guī)范應達到的作用。然而規(guī)范中諸如傳熱介質與U形管內壁的對流換熱系數(shù)、地層熱阻、短期連續(xù)脈沖負荷引起的附加熱阻三部分計算內容使用不便，建議對其采用簡化方法進行表述，以利于廣大的地源熱泵工作者使用。
2) 規(guī)范[1]附錄B（B.0.1-5）公式和（B.0.1-7）公式沒有闡述具體的應用條件，實際使用的單個鉆孔換熱器情況是罕見的。大量研究結果顯示隨著地埋管數(shù)量的增加，地層熱阻的增加幅度越來越小，特別當布置形式超過8米×8米時，地埋管的增加對地層熱阻的影響已基本不變了，在進行地埋管計算時，當布管根數(shù)較多，鉆孔間距超過8米×8米時，可以僅考慮8米×8米的布管形式，其余地埋管可以基本不考慮，也就是按單根管考慮進行計算。本工程鉆孔間距8米，按單孔計算。
3) 從整個地埋管計算過程來看，鉆孔灌漿回填材料熱阻和地層熱阻對地埋管熱阻影響最大，所以合理地選擇回填料，以及確定布管形式和間距顯得至關重要。由于巖土熱物性非常復雜的，導致豎直地埋管換熱器的傳熱理論和研究方法有所突破非常困難，至使規(guī)范[1]在某些部分表述困難。建議在條文解釋部分增加計算實例，以便幫助地源熱泵工作者更好的理解使用規(guī)范。

注：本文為《地源熱泵》雜志專稿內容，轉載請注明“中國地源熱泵網”。