袁永东

上海市地矿工程勘察院

0 引言

竖直地埋管地源热泵是以岩土体为低温热源，由热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。由于地层常年能保持较稳定的温度，受室外气象条件的影响较小，因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍，且效率能大大提高。此外，地源热泵还是一种环境效益显著、运行简单，管理方便、使用寿命长的节能技术，因此，在全国大部分地区得到了广泛应用[1]。

要科学、合理、经济地建成一个地源热泵项目，须经过可行性研究、勘察、设计施工和运行管理等阶段，而项目可行性研究阶段需判断特定建筑是否适宜采用地源热泵技术。单位面积换热功率是综合考虑地区水文地质条件、地层属性、地温场特征、岩土体热物参数、覆盖层厚度等因素的一个综合参数，其大小可衡量埋管区域岩土体换热能力[2～3]。根据建筑负荷特性、建筑用地面积、容积率、单孔换热功率等，计算比较埋管区域单位面积的换热功率，从而对上海地区地源热泵适宜区进行划分。

1 计算单位面积换热功率

浅层地热能的应用建筑类型较广泛，对未建设区，按土地利用规划性质可分为住宅区（如住宅、别墅）、商务区（如办公楼、旅馆、医院、学校、餐饮及商场等）、工业区（如工业厂房）以及工业基地。由于不同类型建筑的使用功能、人员密度、室内设备、建筑围护结构类型、空调舒适度要求以及运行时间等均有所差异，造成冬、夏季空调冷热指标不尽相等，表1列出了主要土地利用规划性质区域的常见类型建筑的冷热指标及运行情况[4～5]。

表1 不同建筑类型的冷、热指标q

针对某一规划区域内的某一建筑（群），若在规定的用地范围内建造的总建筑面积为一定时，则该区域的建筑容积率可用下式表示：

式中：A为总建筑面积，对于工业建筑，则表示厂区建筑面积与构筑物面积之和，m2；S为用地面积，m2；0.9为考虑区域内道路面积后用地面积的利用系数；C为容积率。

在已知各类型建筑的冷热指标时，可根据建筑物的建筑面积估算出该建筑（群）的空调冷、热负荷：

式中：Q为空调总冷（热）负荷，W；70%为空调面积占建筑总面积的比率；q为空调冷热负荷指标，W/m2。

根据空调冷、热负荷可计算出单位面积换热功率Dq3：

针对不同类型的建筑以及不同范围的建筑容积率，可对单位面积的换热功率作如下分类计算，结果见表2。

表2 不同类型建筑单位面积的换热功率

2 实际单位面积换热功率

由于以上所得的计算单位面积换热功率Dq3为仅考虑建筑物空调负荷所得的结果，忽略了热泵机组向岩土体释放或吸收的热量，因此，应结合实际情况中热泵机组的制冷或供热效率（COP），分空调工况对计算单位面积换热功率Dq3进行修正，即实际单位面积换热功率Dq3可表示如下：

其中，不同空调工况下的修正系数可由下式进行计算：

1）制冷工况修正系数φ1

2）供热工况修正系数φ2

式中：COP1为设计工况下热泵机组的制冷系数；COP2为设计工况下热泵机组的供热系数。

3 可供单位面积换热功率

根据上海市不同区域的单孔换热功率，按单位面积可布孔数、土地利用系数、可开发利用面积，计算出区域内可供单位面积换热功率。其表达式如下：

式中：Dq1为可供单位面积换热功率，W/m2；Dq为计算区域换热功率，k W；D为单孔换热功率，k W；M为计算区域面积，k m2；n为单位面积可钻换热孔数；ψ为地埋管土地利用率。

根据单位面积可布孔数、土地利用系数、可开发利用面积，计算冬、夏季工况各行政区的区域换热功率，冬季的计算结果如表3，各区域换热功率分布见图1。

表3 上海市各行政区冬季供热区域换热功率一览表

图l 上海市竖直地埋管地源热泵换热功率分布图

4 适宜性分区

为保证空调系统安全、稳定的运行，因此，在进行地埋管换热器设计计算时，通常会考虑10%的富裕量，即1.1 Dq2。对不同区域内、不同容积率、不同类型建筑的实际单位面积换热功率与可供单位面积换热功率进行对比，可分为如下四种情况：

综上所述，对浅层地热能开发利用适宜性分区可作出如下划分（表4）。

表4 浅层地热能开发利用适宜性分区

5 结论

通过上述分析，可得出以下结论：

1）区域埋管换热功率的大小受地区水文地质条件、地层属性、地温场特征、岩土体热物参数、覆盖层厚度等因素的影响；

2）通过计算比较所得的埋管区域单位面积的换热功率，可作为地区地源热泵适宜区划分的依据；

3）通过实际单位面积换热功率与可供单位面积换热功率进行对比，可将上海地区浅层地热能开发利用划分为四个适宜性区域，即适宜区、较适宜区、准适宜区及不适宜区。

[1]刁乃仁,方肇洪.地埋管地源热泵技术[M].北京:高等教育出版社,2006

[2]徐伟.地源热泵工程技术指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2001

[3]蒋能照,刘道平.水源地源水环热泵空调技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2007

[4]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2008

[5]陆耀庆.暖通空调设计指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2001