簡介：通過國稅局辦公大樓采用土壤源（垂直埋管）熱泵的空調(diào)設(shè)計，介紹土壤源熱泵的設(shè)計方法、施工工藝。同時根據(jù)該空調(diào)工程實(shí)際運(yùn)行模式的參數(shù)測量、數(shù)據(jù)處理，得出土壤源（垂直埋管）熱泵是一種節(jié)能、環(huán)保的空調(diào)能源。
關(guān)鍵字：土壤源熱泵，垂直埋管，節(jié)能

　　近年來隨著能源和環(huán)境的問題日益嚴(yán)重，在滿足人們健康、舒適要求的前提下，合理利用能源，保護(hù)環(huán)境，減少常規(guī)能源消耗、節(jié)約能源已成為暖通空調(diào)行業(yè)需要面對的一個重要課題。土壤源熱泵熱泵空調(diào)系統(tǒng)是通過吸收大地（包括土壤、井水、湖泊等）的冷熱量，冬季從大地吸收熱量，夏季從大地吸收冷量，再由熱泵機(jī)組向建筑物供冷供熱而實(shí)現(xiàn)節(jié)能，是一種利用可再生能源的高效節(jié)能、無污染的既可供暖又可制冷的新型空調(diào)系統(tǒng)。為了合理利用能源、減少常規(guī)能源消耗、節(jié)約能源，大力推廣這種新型節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)，對設(shè)計、施工運(yùn)行指導(dǎo)，國家建設(shè)部相繼頒布了民用建筑及公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范。本文對寧波鄞州區(qū)國稅局土壤源(垂直埋管)熱泵空調(diào)設(shè)計、施工、調(diào)試及運(yùn)行情況作了較詳細(xì)的論述，供同行借鑒參考。

一、 工程概況

　　寧波市鄞州區(qū)國稅局辦公樓坐落在風(fēng)景優(yōu)美的寧波鄞州區(qū)鄞縣大道旁，它是一幢辦公性質(zhì)綜合樓。本建筑地上十九層，地下一層（主要為設(shè)備層及車庫）。其中一至三層主要功能區(qū)為大廳、納稅大廳、辦公室、餐廳、活動室，四至九層以及十一至十九層主要功能區(qū)為辦公室、會議室、多功能廳、招待所，十層為信息中心、辦公室，總建筑面積約為26000平方米，空調(diào)面積約為19000平方米。建筑高度為71.1米。

　　建筑外景

二、設(shè)計參數(shù)及空調(diào)冷熱負(fù)荷

　　1、室外計算參數(shù)：（參見寧波地區(qū)氣象參數(shù)）

　　2、室內(nèi)設(shè)計參數(shù)：

　　3、本工程空調(diào)逐時冷負(fù)荷綜合最大值：2400KW，空調(diào)總熱負(fù)荷：1600KW。

三、空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

　　1、空調(diào)系統(tǒng)劃分

　　本工程空調(diào)系統(tǒng)由兩個系統(tǒng)組成：K---1 由五臺美國原裝進(jìn)口的Waterfurce熱泵機(jī)組（每臺機(jī)組的制冷負(fù)荷為88Kw），供十層、十五層、十四層局長辦公室、十八層、十九層使用，該系統(tǒng)主要是滿足十層計算機(jī)房、局長辦公室、接待、多功能廳等特殊的場所的用途。K---2 由兩臺意大利克萊門特?zé)岜脵C(jī)組（每臺機(jī)組的制冷負(fù)荷為968Kw），供一至九層、十一至十三層、十六、十七層辦公使用。

　　2、空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備選擇

　　選擇五臺 Waterfurce制冷量 Q=88Kw熱泵機(jī)組、兩臺制冷量 Q=968Kw意大利克萊門特?zé)岜脵C(jī)組。

　　五臺小機(jī)組，夏冬季的制冷、制熱轉(zhuǎn)換是通過機(jī)組內(nèi)置的電動四通換向閥轉(zhuǎn)換制冷劑的流向來達(dá)到制冷、制熱轉(zhuǎn)換。而兩臺大機(jī)組通過外面設(shè)置的十二個手動閥門切換冷凍、冷卻水來實(shí)現(xiàn)夏冬季制冷、制熱轉(zhuǎn)換。

　　3、空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計

　　（1）空調(diào)冷凍水系統(tǒng)采用一次泵變流量系統(tǒng)，管道附設(shè)采用豎向同程、水平同程。

　�。�2）空調(diào)冷卻水系統(tǒng)采用一次泵定流量系統(tǒng)，管道附設(shè)采用十四個水平同程環(huán)路。

　　4、空調(diào)系統(tǒng)方式

　�。�1）一~四層大廳、餐廳采用空調(diào)風(fēng)柜加低速風(fēng)道系統(tǒng)。

　　（2）辦公采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)。

　　5、空調(diào)系統(tǒng)的自動控制：采用DDC控制系統(tǒng)。

四、室外垂直埋管換熱器設(shè)計

　　由于埋管換熱器中循環(huán)介質(zhì)與大地巖土間的換熱情況相當(dāng)復(fù)雜，因此土壤源熱泵熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計難點(diǎn)主要集中在地下?lián)Q熱器的設(shè)計上。埋管形式、埋管或豎井的間距、埋深、管徑、循環(huán)介質(zhì)的流量等既是影響埋管換熱器與大地巖土間換熱的重要因素，又是構(gòu)成埋管換熱器具體形式的主要參數(shù)。此外，埋管地點(diǎn)的地質(zhì)狀況、氣候特征、建筑物的負(fù)荷變化狀況也都影響換熱器的換熱，其中地下巖土的熱物性對傳熱的能力影響很大。

　　由于設(shè)置室外垂直埋管換熱器的主要費(fèi)用是鉆孔工程的費(fèi)用,因此正確設(shè)計室外垂直埋管換熱器埋管的長度對于保證空調(diào)系統(tǒng)的效果和經(jīng)濟(jì)性十分重要。目前，國內(nèi)外已開發(fā)了一些地?zé)釗Q熱器設(shè)計計算軟件，如：清華大學(xué)的DEST軟件 2003年，美國地源熱泵協(xié)會的GLHEPRO軟件 3.03版,可以避免在設(shè)計中盲目估算帶來的失誤。

　　在工程設(shè)計中，室外垂直埋管換熱器設(shè)計應(yīng)根據(jù)埋管建筑物的地質(zhì)勘察報告、氣候特征等資料采用有關(guān)設(shè)計計算軟件進(jìn)行設(shè)計計算。

　�。ㄒ唬┍竟こ痰刭|(zhì)勘察報告資料

　　1、建筑物土壤地質(zhì)資料

　　由本工程鉆孔堪察結(jié)果提供的資料，分析得出，土壤在0—70米深范圍內(nèi)大致可分為如下幾層：

　　2、大地?zé)峁ぬ匦员?/p>

　　詳細(xì)準(zhǔn)確的建筑地質(zhì)工程堪察資料是土壤源熱泵熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的重要依據(jù)。 在設(shè)計中應(yīng)注意地下巖土的溫度場變化有二個主要特性：一是達(dá)到一定深度后溫度基本上保持一個定值,這個值接近該地區(qū)的年平均氣溫(寧波地區(qū)年平均氣溫16.2度)；二是在地表以下一定范圍內(nèi)溫度呈周期性變化,但波動幅度小于氣溫的波幅,而且存在時間上的延遲,隨著深度的增加波幅減小,延遲度增大。這二點(diǎn)都有利于熱泵系統(tǒng)工作能效比的提高。

　　（二）室外垂直埋管換熱器設(shè)計

　　1、可行性及經(jīng)濟(jì)性

　　應(yīng)根據(jù)巖土體地質(zhì)勘察結(jié)果評估土壤源(垂直埋管)熱泵系統(tǒng)實(shí)施的可行性及經(jīng)濟(jì)性。

　　根據(jù)建筑物室外總平面及實(shí)驗(yàn)鉆孔情況，采用DN32,U型垂直埋管換熱器，在地埋管方案設(shè)計中經(jīng)過初步估算：鉆孔數(shù)300口，間距5米，埋深65米，總埋長度39000米，鉆孔施工費(fèi)用140萬RMB。

　　因此，經(jīng)過比較分析：土壤源(垂直埋管)熱泵系統(tǒng)方案是可行的，且是較經(jīng)濟(jì)的。

　　2、建筑物室外各種管線附設(shè)情況

　　建筑物室外總平面中主要有排水管幾各中電纜管、深度在地下2m以上，埋管區(qū)域地埋管水平干管埋深在地下2.5m以下，同時預(yù)留了進(jìn)出重型設(shè)備及車道位置。

　　3、地埋管材及管件的選用

　　設(shè)計中采用了化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)大、流動阻力小的塑料管及管件，d32 3.0+0.5/PE80 1.25MPa。

　　4、傳熱介質(zhì)的選用

　　因?qū)幉ǖ貐^(qū)冬季室外氣溫較高，冬季凍土深度較淺，因此本工程設(shè)計中采用了水作為傳熱介質(zhì)。未考慮在地埋管循環(huán)水中添加防凍劑。但為了防止冷卻循環(huán)水管內(nèi)循環(huán)水在極端氣溫下結(jié)凍，采用感溫自控系統(tǒng)啟動循環(huán)泵。當(dāng)系統(tǒng)循環(huán)回水溫低于4 ℃時，由自控系統(tǒng)啟動循環(huán)泵驅(qū)動循環(huán)水并且報警提示，可以有效的避免地埋管內(nèi)水結(jié)凍問題的出現(xiàn)。

　　5、土壤源熱泵系統(tǒng)總吸熱量與總釋放量相平衡的措施

　　在土壤源熱泵熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，土壤源熱泵系統(tǒng)總吸熱量與總釋放量相平衡的措施對于保證大地巖土的熱穩(wěn)定性、土壤源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及空調(diào)實(shí)際運(yùn)行效果十分重要。

　　本工程經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，設(shè)計中采用輔助冷卻源與地埋管換熱器并用的調(diào)峰形式。利用室外530m3消防噴泉水池輔助散熱來消除最熱月峰值負(fù)荷。

　　6、鉆孔回填材料的選用

　　本工程鉆孔回填材料采用了原土回填。

　　7、土壤源熱泵系統(tǒng)地埋管水系統(tǒng)設(shè)計

　　設(shè)計采用了十四個水平同程環(huán)路與機(jī)房集水器及分水器相連。地埋管水系統(tǒng)采用一次泵定流量系統(tǒng)。

　　8、土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行方式

　　（1）、5臺小熱泵機(jī)組夏季冷卻由室外噴泉水池散熱實(shí)現(xiàn)，冬季制熱熱源來自地埋管系統(tǒng)。

　�。�2）、2臺大熱泵機(jī)組夏季冷卻由地埋管散熱實(shí)現(xiàn)，冬季制熱熱源來自地埋管系統(tǒng)。

　�。�3）、5臺小機(jī)組，夏冬季的制冷、制熱轉(zhuǎn)換是通過機(jī)組內(nèi)置的電動四通換向閥轉(zhuǎn)換制冷劑的流向來達(dá)到制冷、制熱轉(zhuǎn)換。而2臺大機(jī)組通過外面設(shè)置的十二個手動閥門切換冷凍、冷卻水來實(shí)現(xiàn)夏冬季制冷、制熱轉(zhuǎn)換。

　　9、室外垂直埋管換熱器設(shè)計計算及調(diào)整后的主要數(shù)據(jù)

　　采用美國俄克拉荷馬州Oklahoma大學(xué)開發(fā)的GLHEPRO軟件程序進(jìn)行計算。

　　室外垂直埋管材質(zhì)選擇：采用PE管U型單排管 d32 3.0+0.5/PE80 1.25MPa

　�。�1）、井間距：5*5米

　�。�2）、井徑：D110

　　（3）、井深：73米

　　（4）、打井?dāng)?shù)量：14組（每組約為26個），總共370個、管徑D32

　�。�5）、總埋管長度：54625米

　�。�6）、指標(biāo)：制冷44w/米, 制熱30w/米。

　�。�7）、鉆孔回填材料：原土回填。

　　注：因室外總平面中有富裕的埋管區(qū)域，經(jīng)業(yè)主要求，為確保空調(diào)效果，總埋管長度及打井?dāng)?shù)量在設(shè)計計算的基礎(chǔ)上加大了15%。

五、室外垂直埋管系統(tǒng)主要施工工藝

　　1、采用的設(shè)備：

　　鉆機(jī)采用XY-1，XY-1B，往復(fù)式泥漿泵采用BW-250。

　　2、材質(zhì)：采用PE管U型單排管 d32 3.0+0.5/PE80 1.25MPa

　　3、. 井下垂直PE管預(yù)制

　　(1)、預(yù)制程序

　　目測PE管的外觀質(zhì)量，查驗(yàn)三證和理化報告，合格并簽證后方可預(yù)制。

　　(2) 、減少磨損

　　安裝單位按圖紙要求截取PE管所需長度并要求在此長度的地面上鋪上細(xì)砂，以減少管子與地面的磨損。

　　(3) 、熱熔焊接

　　該P(yáng)E管采用熱熔連接。連接方法應(yīng)按熱熔承插連接和熱熔對口連接。熱熔機(jī)采用臺式和便攜式。具體工序要求：削平需焊的二管口工作面使其在同一工作面上，保證與管線垂直，并標(biāo)出兩管連接軸線。加熱熔接溫度：承插式260℃±10℃；對接式200℃—210℃。焊接后焊接處強(qiáng)度應(yīng)大于管子本身強(qiáng)度。先焊好管線底部的“U”形彎。然后注水加壓至試驗(yàn)壓力1.2Mpa,保持15分鐘，壓降小于0.001Mpa合格泄壓。保留管內(nèi)清水，焊好封頭。

　　(4) 、PE管下井頭部定位針制作

　　為了使PE管順利插入井底并定位，施工制作1.65m頭部帶箭頭的直徑16mm螺紋鋼，在距箭頭50cm位置焊一條“7”字形的15cm長，直徑１０mm圓鋼，以利于放管和定位。1.5m長，直徑16mm螺紋鋼綁扎在PE管中間，帶箭狀的頭部伸出U形彎底部15cm。

　　(5) 、管口標(biāo)記

　　若埋底不露管頭的還應(yīng)在PE管的悶蓋處扎一條紅色醒目的條帶以便挖土?xí)r尋找管頭，另一悶蓋處扎一條施工尼龍繩來控制落管的深度，控制管頭與地面的尺寸,要保證線的強(qiáng)度，以免斷線造成管子滑下而取不出管。

　　(6) 、管間距控制

　　一口井內(nèi)的兩條管子必須保持一定的間隙，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)d32PE管制成圈套，用電纜扎帶以4m一檔扎緊。

　　4、放管監(jiān)控

　　(1) 、FTS搭接關(guān)系

　　FTS時距為零時，就說明本鉆井工作與其緊后放管工作之間的緊密銜接。因此安裝打完一口井時應(yīng)立即放管，停留時間越長，井下的擠壓現(xiàn)象越嚴(yán)重，管子也就越難放。

　　(2) 、嚴(yán)禁管道彎曲翅角

　　放管時必須多人合作，提起管子不得在地上拖拉 ，不應(yīng)該形成不自然的彎曲，更不允許角度產(chǎn)生，然后鉆桿套住直徑１０mm圓鋼，利用鉆桿壓力將管子緩緩放下直到設(shè)計深度。

　　(3) 、定位控制

　　管子底部的螺紋鋼箭頭直插井底中心，因井下土質(zhì)較軟，管子會繼續(xù)下沉，為了控制落管尺寸，施工人員要拉住施工尼龍繩使管不再下滑，在達(dá)到尺寸要求后鎖定位置，迅速灌沙定位。在同一型號、同一場地的管子頂部尺寸要盡量保持一致。在放管和制作過程中嚴(yán)禁在地面上拖拉PE管，車輛進(jìn)出時切勿碰撞滾壓PE管。管頭露出地面的勿用。

　　(4) 、回填材料

　　在上述放管工作完成后，應(yīng)立即向井內(nèi)回填材料，絕對穩(wěn)定管子在井中的位置。不讓管在井中移動和沉浮。因?yàn)榫�中的泥漿比重很大，沙子不容易沉落，這時應(yīng)向井內(nèi)注入清水調(diào)稀泥漿，減小泥漿比重，使砂便于沉落井底。灌砂的深度應(yīng)是井深的50%-60%，其余部分自然會被泥石填充。

六、空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀況及節(jié)能經(jīng)濟(jì)分析：

　　1、冬季調(diào)試記錄時間（2004—12---26），正值寧波地區(qū)近年來的最低氣溫-7℃。初始時，地源側(cè)出水溫度19℃，經(jīng)一天（24h）不間斷運(yùn)行，熱泵機(jī)組熱水出水溫度在40-45℃間，最終地源側(cè)的出水溫度穩(wěn)定在11--13℃。室內(nèi)實(shí)測氣溫：20--22℃。

　　冬季運(yùn)行了一個多月，每天地源側(cè)的初始時的出水溫度在18-19℃間，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行9h后，最終地源側(cè)的出水溫度在11--13℃間。

　　2、夏季運(yùn)行記錄時間（2005—9---.8 pm4:30），熱泵機(jī)組冷凍水進(jìn)出水溫度在11.8/7.5℃間，冷卻水進(jìn)出水溫度在27.2/32.8℃。室內(nèi)實(shí)測氣溫：24--26℃。

　　3、節(jié)能分析：冬季最終地源側(cè)的出水溫度穩(wěn)定在11--13℃，熱泵機(jī)組的能效比達(dá)到4.0以上，顯然，土壤源熱泵熱泵空調(diào)系統(tǒng)冬季供熱比空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)及燃?xì)忮仩t供熱要環(huán)保節(jié)能，不存在空氣源熱泵冬季需化霜、極端氣溫下供熱效果不理想的問題；夏季土壤源熱泵熱泵空調(diào)系統(tǒng)冷卻水進(jìn)出水溫度在27.2/32.8℃，與常規(guī)空調(diào)冷水機(jī)組冷卻水進(jìn)出水溫度在32/37℃相比，在滿負(fù)荷運(yùn)行時，機(jī)組能耗要節(jié)約15%,在70%負(fù)荷運(yùn)行時, 機(jī)組能耗要節(jié)約35%,在50%負(fù)荷運(yùn)行時, 機(jī)組能耗要節(jié)約60%。

　　4、經(jīng)濟(jì)分析：本工程土壤源熱泵熱泵空調(diào)系統(tǒng)總投資960萬RMB.。其中：室外地埋管工程：168萬RMB，30元/米;工程單位造價：370元/平方米。2004年冬季及2005年夏季空調(diào)實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用為：62萬RMB/年，26元/平方米；本工程若采用常規(guī)空調(diào)冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)，經(jīng)計算分析，空調(diào)系統(tǒng)總投資需860萬RMB，工程單位造價：330元/平方米，運(yùn)行費(fèi)用需100萬RMB/年，38元/平方米；本工程土壤源熱泵熱泵空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t供熱相比較，總投資增加12%，100萬RMB；但是全年空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用要節(jié)約38%，3年可回收成本。若業(yè)主不要求加大15%設(shè)計計算總埋管長度及打井?dāng)?shù)量，則2年可回收成本。

　　經(jīng)過2004年冬季及2005年夏季運(yùn)行,空調(diào)效果理想,達(dá)到了設(shè)計及甲方使用要求,節(jié)能效果顯著。本工程獲2005年浙江省“錢江杯”獎，其中成功采用環(huán)保節(jié)能的土壤源熱泵熱泵空調(diào)系統(tǒng)是獲獎的重要因素。

七、結(jié)論：

　　1、本工程土壤源熱泵熱泵空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t供熱相比較，總投資增加12%，全年空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用要節(jié)約38%，3年可回收成本。

　　2、土壤源熱泵熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計難點(diǎn)主要集中在地下?lián)Q熱器的設(shè)計上。地下?lián)Q熱器的主要費(fèi)用是鉆孔工程的費(fèi)用，因此正確設(shè)計室外地下?lián)Q熱器對于保證空調(diào)系統(tǒng)的效果和經(jīng)濟(jì)性十分重要。

　　3、土壤源熱泵熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計要注意土壤源熱泵系統(tǒng)總吸熱量與總釋放量相平衡措施的采用，以防空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計失敗。

　　4、土壤源熱泵熱泵空調(diào)系統(tǒng)是應(yīng)大力推廣應(yīng)用的新型節(jié)能環(huán)�？照{(diào)系統(tǒng)。

　　參 考 文 獻(xiàn)

　　1 GB50019— 2003 采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范

　　2 徐偉 等譯 《地源熱泵工程設(shè)計指南》

　　3 陸耀慶，主編， 實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計手冊

　　4 清華大學(xué) 江億 等DEST軟件 2003年

　　5 美國地源熱泵協(xié)會,GLHEPRO軟件：3.03版

　　6 土壤換熱器設(shè)計換熱尺寸的影響因素 北京工業(yè)大學(xué) 于鳳菊等

　　7 夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能技術(shù) 付祥釗主編