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- 地源熱泵技術“江南模式”的探索與應用
- 蘇州大學陽澄湖校區地源熱泵案例介紹及思考
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- 摘 要
- 本文用主要篇幅介紹了蘇州大學陽澄湖校區（原南京鐵道職業技術學院蘇州校區）地源熱泵系統工程，但文章的核心部分是通過介紹這一工程案例而引發的思考。作者針對長江以南地區的氣候特點、地理特點、地質特點、淺層地熱能資源特點和經濟社會發展的特點，結合本工程案例的設計思路和主要做法，提出了推廣應用地源熱泵技術的“江南模式”及其配套的“系統熱回收”技術，并將其分為“最佳模式”和“基本模式”。相信本文介紹的工程案例以及作者關于“江南模式”的思考，對促進江南地區乃至黃河以南地區因地制宜地推廣應用地源熱泵技術，會起到拋磚引玉的積極作用。
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- 工程概況
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蘇州大學陽澄湖新校區座落在陽澄湖西岸—蘇州市相城區教育園區，系配合蘇州火車客運站改擴建工程而整體搬遷新建的高標準、現代化、園林式校區，占地面積895.94畝，其中最引人注目的單體建筑就是位于校區中央，建筑面積25000㎡的圖書館。建設方在反復調研和對眾多方案進行對比、論證、優選的基礎上，最終選擇采用地埋管地源熱泵系統,統籌考慮和解決了圖書館中央空調制冷、供暖和全校近萬名學生一年四季的生活熱水供應問題。從而取消了浪費熱能資源、影響環境的冷卻塔，取消了熱水鍋爐，解決了地下溫度場的熱平衡問題；整個項目實現了“零排放”（這里指廢熱、廢氣、廢水）。本項目地源熱泵系統工程（包括通往每幢學生公寓樓的4000m預制直埋保溫供、回熱水管）由系統集成商施工安裝，和熱泵機組生產廠家共同調試完成。本案例地源熱泵系統及中央熱水系統已被全校公認為新校區建設的一大亮點。 
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- 地下換熱器熱平衡計算與分析
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建筑全年的冷熱總負荷和生活熱水總負荷 根據圖書館建筑全年使用空調的具體情況及建筑所在地的逐時氣象參數，對不計入熱水負荷時的全年逐時冷、熱負荷進行計算和模擬，見圖1、圖2。其中：全年累計總冷負荷（空調）：1599.52MWh；全年累計總熱負荷（供暖）：672.19MWh。 根據該校現有8500名學生，3年后達10000名學生的辦學規模，按平均每天3000人洗澡(設計最大日供熱水能力可滿足10000人同時洗澡),每人消耗40L的50℃（確保末端水溫不低于48℃）熱水計算，測算出全年生活熱水總負荷。 全年生活熱水總熱負荷：1396.42MWh。
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根據逐時負荷確定地埋管地源熱泵機組的容量：額定制冷量：2500 kW；額定制熱量：1750 kW。 經計算，地埋管系統承擔制冷工況下的全年累計排熱量為1980.35MWh，承擔采暖工況下取熱量為480.13MWh，排、取熱量之差約為1500.22MWh。建筑夏季累計冷負荷是冬季累計熱負荷的2.38倍，而夏季制冷期間，系統向地下的排熱量是冬季供暖期間從地下取熱量的4.12倍，熱積聚量遠遠超出了土壤的自恢復能力，土壤平均溫度無法回到未受擾動的初始狀態，會對系統的長期性能產生不利影響。 由上述計算分析可知，如果該地埋管地源熱泵系統僅用于冬、夏季的供暖/制冷，其地下吸、排熱量將會存在明顯不平衡現象，這種情況可以從圖3、圖5、圖6、圖7中反映出來。如果將學校全年的生活熱水需求與該建筑全年的供暖、制冷統一考慮，尤其在夏季將空調熱泵機組冷凝器的排熱作為熱水熱泵機組的熱源時，地下熱量不平衡現象將大為改觀，這種情況可以從圖4、圖5、圖8、圖9中明顯地反映出來。
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全年冷、熱負荷下的地埋管換熱計算與分析 經計算，全年生產熱水所需的1396.42 MWh熱量中，冬季（包括4個月過渡季），由地埋管提供的熱量為685.79 MWh；夏季由空調機組冷凝器直供的熱量為500.14 MWh（其余由地埋管提供）。平衡后，夏季的地埋管側累計排熱量為1480.21 MWh，冬季地埋管的累計取熱量為1376.41 MWh，達到了較好的平衡。當然，要考慮土壤自身也有一定的自恢復能力，只要累計排、取熱量的差異不大或在其恢復能力內即可。這樣，在夏季制冷工況下，空調熱泵機組的一部分排熱直接用來生產熱水，不僅對全年累計取、排熱量起到了平衡作用，而且全年逐時負荷分布也較為均勻，有利于機組的穩定運行（圖3、4）。考慮熱水負荷前后的各種累計負荷的對比情況如圖5。
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- 本項目地源熱泵熱回收方式的對比分析與選擇
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- “機組熱回收”與“系統熱回收”
- 通過熱回收的方式，以大量生產生活熱水的途徑達到地下熱平衡，一舉多得，這是對地下熱平衡進行反復計算和分析后，校企雙方形成的共識。但具體采用什么形式的熱回收，當時主要有兩種方案：一種是采用帶熱回收功能的熱泵機組。這種方案的弊端在于，夏季制冷時機組熱回收得到的熱水量和冬季供暖時機組“分配”得到的熱水量太小，遠遠不能滿足全校近萬名學生的洗澡問題，而春秋過渡季節空調停用時,不僅需要另外配置鍋爐，而且地下熱平衡問題無法真正解決，還得配置冷卻塔。另一種方案是采用本項目系統集成商獨創的“系統熱回收”。“系統熱回收”就是專門配置一臺或幾臺（本案例配置一臺）高溫熱水熱泵機組，將熱水機組和空調機組的地源側供、回水管路串聯成一個大系統，共用一組總集、分水器，根據空調夏季制冷、冬季供暖和春秋季停用三種不同工況，采用科學合理的調控手段和不同季節的不同熱回收方式（夏季空調制冷期間采用“直接熱回收”，冬季供暖和春秋過渡季空調停用期間采用“間接熱回收”），實現一年四季的“系統熱回收”的技術模式。這樣既完全滿足了全校學生一年四季的生活熱水需求，又有效地解決了地下熱平衡問題。采用“系統熱回收”的方式，使用起來方便、靈活、安全、可靠，熱回收的效率更高，回收的熱量更大，更加經濟合理。“系統熱回收”又分為“直接熱回收” 和“間接熱回收”。
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- “直接熱回收”
- 直接熱回收就是在夏季空調制冷工況下，熱水機組（地源側供水）直接利用空調機組冷凝器的排熱（空調機組地源側出水）作為熱源生產熱水，熱水機組直接回收這部分熱量后再次供空調機組冷凝器作為地源側冷卻水使用，從而減少系統向地下的排熱量的熱回收方式。夏季制冷時，從系統地源側總分水器中，將空調機組冷凝器出水的三分之一（這里僅指本案例的設定量，而不同項目的設定量是有差別的）分配給熱水機組作為源側供水使用（本項目夏季由空調機組冷凝器直供熱水機組的熱量為500.14 MWh），熱水機組的源側回水送到系統總集水器供空調機組直接使用。理論上講，這部分冷凝水中的熱量已被熱水機組“回收”，就不再送到埋管系統，而是直接回到地埋管系統總集水器供空調機組直接使用。此舉明顯減輕了空調機組源側循環泵的負荷。由于采用直接熱回收時熱水機組和空調機組的供、回水互為反向使用，同時由于空調機組源側循環泵減少了三分之一的運行負荷，從系統總分水器引過來的空調機組冷凝器出水流量、流速、壓力穩定、可靠，在這種狀態下熱水機組地源側專用循環泵不必開啟，即可保證熱水機組安全、穩定地運行，因而更加節能。這就是“系統熱回收”中的“直接熱回收”。
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- “間接熱回收”
- 間接熱回收就是在空調冬季供暖、春秋季停用的情況下，熱水機組通過系統總集水器驅動地下換熱器提取熱量生產熱水，間接回收、逐步消化空調熱泵機組向地下多余的排熱量，達到地下溫度場全年熱平衡的熱回收方式。空調機組冬季制熱時，熱水機組與空調機組分配使用系統總集水器中的地源側供水，回水全部由總分水器送往地下。由于設計地埋管數量時，是按照滿足冬天三臺機組同時制熱工況要求考慮的，所以不必擔心地源側供水流量不足或低溫保護的問題。根據蘇州的冬季氣溫規律，本案例只需啟動一臺空調熱泵機組就可滿足冬季供暖的熱負荷，三臺機組同時制熱的概率極低。春、秋季空調機組不工作時，熱水機組必須滿足生活熱水需求。控制方法:使用另一臺地源側專用循環泵（兩用一備,用電輸入功率相當于空調機組源側循環泵的三分之一），通過地埋管系統總集水器驅動地埋管六個區中兩個區（88×2=176口井）的循環水供熱水機組使用，爾后通過系統總分水器回到地下。具體操作方法：開啟地埋管系統總集、分水器通往熱水機組的供、回水總閘閥，同時開啟兩組地埋管回路所對應的供、回水閘閥，其余四組回路的閘閥全部關閉。從使用時間和供回水溫度方面綜合考慮，在過渡季節，通過定期輪流切換總集、分水器上的六組閘閥，使地下六個區達到熱均衡。冬季和過渡季熱水機組直接提取地下換熱器循環水的熱量生產熱水，從地下全年熱平衡的角度看，就是“系統熱回收”中的“間接熱回收”。
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- 螺旋形納米PE換熱管介紹
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- 產品原材料
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高密度聚乙烯（管壁）
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- 產品技術路線
- 1、梅花螺旋形地埋管項目的確立：我司專業從事地源熱泵行業近10年，承辦了大量地源熱泵及相關工程，通過長期的施工經驗，我司發現在地源熱泵系統中占主要份額的地埋管存在產品形式單一、用量極大、需紊流換熱等問題，生產一種新型、可靠、節能的地埋管，創立一套新的地埋管標準成為一種必然趨勢，故我司于2009年中旬做出給予新型地源熱泵地下換熱器專用管項目立項的決定； 2、適用低流速紊流管形研究：地源熱泵行業在國內發展多年，技術日趨成熟，相關材料配件早已標準化配套化并得到了反復優化，普通地埋管所用材料為高密度聚乙烯，其換熱性能良好、穩定，已得到多年實踐的認證，從材料方面提高地埋管換熱系數空間較小。而管形方面，傳統地源熱泵地埋管均采用圓形PE管，其斷面均系圓形，為達到管內紊流，水流速度一般為0.6m/s時才能形成紊流，且其管道外表面與土壤耦合面積受到限制。若使管壁和管孔斷面呈梅花狀，表面呈梅花旋轉形，所述梅花狀斷面邊緣分別由半徑為R-1，R-2的圓弧形成，所述R-1位6mm，R-2位3mm時，可增加流場內小漩渦，低流速也可呈現紊流狀態，同時增加與土壤耦合面積，增大換熱系數； 3、生產工藝建立與完善：我司于2010年完成梅花螺旋管專用生產車床的投資建造，并進行了試生產，產品效果良好，同年具備對相關配套管件生產能力； 4、專利申請：我司于2011年6月對本產品進行專利申請，次年1月得到專利授權。
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- 產品的優勢
- 1、采用梅花螺旋形斷面，管內流體在低流速狀態下即可形成紊流。傳統地源熱泵地埋管均采用圓形PE管，其斷面均系圓形，為達到管內紊流，流動V>0.4m/s，一般取0.6m/s時，流體才能形成紊流，但這增加了循環水泵的耗能。相比較傳統圓管，梅花螺旋形地埋管采用分別由半徑為R-1，R-2的圓弧形成的梅花形斷面，所述R-1位6mm，R-2位3mm時，可增加流場內小漩渦，低流速也可呈現紊流狀態，倘若同為高流速狀態下，在流場內已呈現紊流狀態的流體通過管內螺旋形軌道的被動旋轉，進一步增大擾流的幅度和數量，從而增大流體-內壁-土壤間的換熱量。 2、與土壤耦合面積大，熱交換效率高。取長度各為1m，管壁直徑都為32mm，管孔直徑都為26mm的梅花螺旋形地源熱泵地下換熱器專用管和圓形地埋管進行比較，經測算，所述梅花螺旋形地源熱泵地下換熱器專用管的管壁截面積為284.02mm2，管壁外表面積為52174.08mm2，而圓形地埋管的管壁面積為273.32mm2，管壁外表面積為50265.48mm2，梅花螺旋形地源熱泵地下換熱器專用管管壁截面積比圓形地埋管大3.9%，管壁外表面積比圓形地埋管大4%，所以梅花螺旋形地源熱泵地下換熱器專用管與土壤的耦合面積更大，換熱量更大，換熱效率相應提高，對于土壤源熱泵空調系統可以提高地下換熱器的熱交換效率，減少室外鉆井埋管數量10~15%，節省工程初投資。
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- 產品的功能及用途
- 梅花螺旋形地源熱泵地下換熱器專用管適用于地源熱泵空調系統，通過室外鉆井將梅花螺旋形地源熱泵地下換熱器專用管埋入地下，并進行回灌，使梅花螺旋形地源熱泵地下換熱器專用管與土壤完全接觸。通過地源側水泵的動力，使地埋管、集水器、水泵、地源熱泵主機、分水器形成完整的循環管路，夏季時，主機中制冷劑在冷凝過程中向地源側30℃左右的水放熱，從而制取7℃的末端冷凍水，冷卻水通過地源側的不斷循環與土壤維持30℃的平衡水溫；冬季時，主機中制冷劑在蒸發過程中從地源側10℃左右的水中吸熱，從而制取50℃左右的熱水，地源側水體通過不斷循環與土壤換熱，維持10℃的平衡水溫。由于梅花螺旋形地源熱泵地下換熱器專用管具有梅花螺旋形內結構，使水體在流動時產生更多渦旋，增強紊流效果，從而增大水體與土壤的換熱量，而梅花螺旋形地源熱泵地下換熱器專用管具有的更大的耦合面積也增大了土壤與管壁的換熱面積，從而增加了換熱效率，使地源熱泵系統具有更高的COP。
