赵菁 孙向利

【摘 要】本文首先针对内蒙古地区资源气候特点，结合地埋管式地源热泵的工程优越性，简单介绍了地埋管式地源热泵系统在该地区应用的可行性。其次以李家站工程为例，简要介绍了系统设计方案。最后根据工程实际情况，提出设计过程中的几点建议和体会，以期对类似工程有一定的指导参考价值。

【关键词】地埋管式地源热泵；岩土热物性；冷热平衡

近几十年来，我国科学技术飞跃进步，生产力迅猛发展，但也付出了资源和环境的巨大代价。特别是近几年来频发的“地表水污染事件”、“雾霾事件”……，使得人类对自身生存环境的重视日益加深，对可持续发展能源利用的意识不断增强。就暖通专业而言，如何解决环境污染和能源危机问题是设计面临的紧迫任务，因此节能减耗和环保要求是空调设计中必须考虑的首要问题。接下来结合一个实际案例，对地源热泵系统在严寒干旱地区的应用做一个探讨。

1.工程概况

本工程位于内蒙地区，是一条货运专用线，线路长度约78.06km。全线共设置5个火车站。生产生活房屋总建筑面积约14000m2，其中生产房屋面积9800m2，生活房屋面积4200m2。

本工程的主要特点在于，站房平均面积不大，比较分散。而所处的地区属典型的干旱半干旱大陆性温带气候区，冬季严寒漫长而少雪，夏季短促炎热。总体来说，降水少而集中，蒸发量远大于降雨量，气候干旱。

基于环保节能的要求，在考虑选用新型环保型设备的前提下，与甲方协商后设计选择采用地埋管式地源热泵机组，冬季采暖，夏季制冷，并提供生活热水。

2.系统设计

2.1 热源方案

地源热泵是一种利用浅层地热能源（包括地下水、土壤或地表水等的能量）的既可供热又可制冷的高效节能系统。本次设计区域由于是缺水地区，地下水资源匮乏，因此设计选用地埋管式地源热泵。

地埋管式地源热泵是通过垂直埋管--深层土壤的形式，利用垂直埋管获取地下深层土壤的热量。垂直埋管通常安装在地下50-150米深处，一组或多组管与热泵机组相连。在冬季，封闭的塑料管内的防冻液将热能传送给热泵，然后由热泵转化为建筑物所需的热量。而夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。大地在整个循环中起到了蓄热器的作用。其简单示意如图1：

在基础数据的获取中，岩土热物性是一项非常重要的指标。为此甲方委托北京市勘察设计院有限公司做了岩土热物性测试报告。测量方法通过安装热响应试验测试仪和连接双U型PE管，模拟地源热泵系统地埋管换热器夏季运行工况。依据线热源理论模型，通过计算获得岩土体综合导热系数[1]。

根据线热源理论公式：

Tf=Q4πλHln4αtr2-γ+QHRb+T0

以李家站为例，在场地地面以下100m，计算测得岩土体综合导热系数λs为2.17W/m.k。

再综合实际工况的试验数据，由此获得：在制冷工况下（载热流体的进出水温度为 20℃/25℃），单孔地埋管单位延米换热量 57W/m；在制热工况下（载热流体的进出水温度为 3℃/7℃），单孔地埋管单位延米换热量为 28W/m。

因此，本工程的地埋管式地源热泵的室外埋管部分采用竖向埋管，埋管采用双U管。各换热孔的双U管并联连接到集水管，分组进入机房的分集水器。整个地埋管系统回路设计成同程式。

还是以李家站为例，生产生活房屋的冬季热负荷为323kw，冷负荷343kw；生活热水所需热量为55kw。因此，在机房内设置3台空调地源热泵机组，每台机组的制冷量为211KW，制热量为192KW，两用一备，供应本站区内各个建筑物的空调采暖系统。另设两台热水地源热泵机组，制冷量为71KW，制热量为60KW，一用一备，供应生活热水。

而在地埋侧的室外地埋管换热系统中，室外共钻孔168个，孔深100米，孔径150mm，孔间距6米，采用四管制（双U）垂直式换热系统。垂直井孔采用原浆无压自然回填，保证室外换热系统总换热长度为16800米。

2.2 末端设备选择

由于地源热泵机组在当地运行的额定工况：夏季供冷水温度为7/12℃，冬季供热水温度为45/40℃。因此空调系统末端采用风机盘管，生活类房屋采用卧式暗装型，车库及库房采用立式明装型。室内系统为二管制异程式设计，定流量运行，风机盘管采用三速开关控制。

2.3 室外热网系统

室外热力管网也同样采用同程式系统，无补偿直埋敷设。管材选用钢制内管、聚氨酯保温层、高密度聚乙烯外护管一体的预制直埋保温管及管件，焊接。

3.设计过程中的几点体会

3.1 冷热平衡

在寒冷地区采用地源热泵系统最大的一个重点也是难点，在于热平衡问题，即在有限的土体蓄热能力下，由于严寒地区冬、夏季制冷供暖期时间差别过大，冬季连续从土体中取热的总热量，会远远超于夏季向土体中补热的能量，因此土体温度将逐年下降，导致系统效果变差甚至失效。

本工程位于内蒙地区，夏季空调制冷期不足一个月，但冬季采暖期，即历年日平均温度等于或低于5℃的天数有却有将近166天，取热与放热的总值差别太大，因此必须采取相应的措施，如增加非供暖季的补热系统，取热后为土壤进行高效补热，从而解决地源热泵系统的土壤热平衡问题。这样才能在一个运行周期内，使得冬季从土壤总吸热量与夏季对土壤总放热量基本平衡。

本工程采用复合型补热机组，其原理为：在非采暖季，复合补热机组制取低温热水，并通入到地埋管中将热量传递给土壤，完成热量的蓄存。由于本工程还有对生活热水的需求，因此补热机组还可以通过运行间歇性补热，从而兼顾生活热水。

复合补热机组充分利用了室外空气与地温的温差，分别利用分离式热管和空气源热泵，以较低的能耗实现对土壤的跨季节能量蓄存。与传统的补热方式相比，复合补热机组具有能效高、可靠性好的特点[2]。

由于本工程正在实施建设，待运营实施后，参考各项基础数据，才能够更好的反映在严寒地区是否适合使用地埋管热泵系统加补热系统的空调形式。

3.2 末端设备的选择

此次设计其热泵机组的冬季供热水温度不高，且供回水温差小，仅为45/40℃，因此在室内末端的选择上，笔者还是认为采用地板辐射供暖形式更为经济合理。

3.3 基础资料获取时间点

随着地埋管式地源热泵设计开展，最重要的一个基础资料环节就是岩土热物性测试。不同地区的岩土热物性差别很大，尤其在热物性相对低的地方，必须有实地的报告，才能确定获得热量的大小，才能判断具体埋管的数量、面积。

因为牵扯到征地问题，是工程开展实施的一个重要前提，因此最好在初步设计前就能够获取岩土热物性的指标。这样，在后期的设计中，才能更好的有效地完成设备选型、征地面积以及工程概算。

参考文献：

[1] 李家站地源热泵系统岩土体热物性测试报告 北京市勘查设计研究院有限公司. 2012年9月19日.

[2] 游田，吴伟，李炳田，石文星，王宝龙，李先庭. 基于热管和空气源热泵的一体化地源热泵复合补热机组.第十八届全国暖通空调制冷学术年会. 2012-1.