地源熱泵技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，可以大大節(jié)約煤炭等有限資源。它將工業(yè)廢氣、廢水中的余熱再次利用，有效降低高溫的廢氣廢水排放到自然環(huán)境中造成的熱污染。目前已經(jīng)有部分企業(yè)做出了很好的嘗試，工業(yè)建筑能耗問題得到了很好的解決。

地源熱泵技術(shù)以前主要是利用地下水，通過技術(shù)和設(shè)備獲取地下水的熱量。淺層地下水即便儲(chǔ)量豐富，采集地下水終究對(duì)地質(zhì)情況的要求較為嚴(yán)格，長(zhǎng)時(shí)間采集容易造成一定區(qū)域內(nèi)地下水匱乏，采集深層地下水還需配合回灌技術(shù)。因此，將地源熱泵應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，是地源熱泵技術(shù)的一大突破，做到了既不破壞地下水資源，又能節(jié)約有限資源，同時(shí)減少污染。

節(jié)能、減排、降耗是現(xiàn)代工業(yè)與民用建筑一直需要解決的問題，本文通過對(duì)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的介紹，詳細(xì)了解熱泵在工業(yè)建筑中實(shí)現(xiàn)節(jié)能、降耗的作用。

1、引言

地源熱泵是利用地球表面淺層水源（如地下水、河流和湖泊）和土壤源中吸收的太陽能和地?zé)崮?，并采用熱泵原理，既可供熱又可制冷的高效?jié)能空調(diào)系統(tǒng)。即輸入少量的高品位能源（如電能），實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移。地能分別在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季空調(diào)的冷源，即在冬季，把地能中的熱量“取”出來，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖；夏季，把室內(nèi)的熱量取出來，釋放到地下去。它不向外界排放任何廢水、廢氣，能有效保護(hù)環(huán)境，是一種高效、節(jié)能的可再生能源空調(diào)系統(tǒng)形式。

2、工程概況

本廠房總建筑面積約9000m2，共三層，其中一層為沖壓車間，二層為模具車間，三層為成品倉庫，一層、二層采用舒適性空調(diào)，三層采用調(diào)溫型除濕。建設(shè)地屬于夏熱冬冷地區(qū)，夏季有制冷要求，冬季有制熱要求，滿足地源熱泵的先決條件。

3、空調(diào)負(fù)荷

本工程地源熱泵空調(diào)主要用于車間一層和二層。本工程負(fù)荷特點(diǎn)：⑴、車間內(nèi)具有設(shè)備散熱(且比較穩(wěn)定)，占總冷負(fù)荷的絕大部分；⑵、本車間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的負(fù)荷只占很小一部分，可視為比較恒定的；⑶、夏季冷負(fù)荷高，冬季熱負(fù)荷小；⑷、車間只對(duì)溫度要求，無濕度要求。

空調(diào)面積約6000m2，按杭州氣候參數(shù)，夏季條年使用120d，冬季使用90d，每天按10個(gè)小時(shí)計(jì)算。根據(jù)負(fù)荷計(jì)算軟件算得本車間夏季最大冷負(fù)荷為1170kW，冬季最大熱負(fù)荷為610kW。根據(jù)全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，夏季總冷負(fù)荷累計(jì)約為1160000kWh，冬季總熱負(fù)荷累計(jì)約為450000 kWh。

由于夏季的總冷負(fù)荷和冬季的總熱負(fù)荷相差懸殊，本項(xiàng)目以冬季的熱量來選擇供熱方式，而夏季其余部分采用冷卻塔解決。

4、地質(zhì)勘探及換熱參數(shù)測(cè)試

本工程前期地質(zhì)勘探及換熱參數(shù)測(cè)試由浙江某地質(zhì)勘探院完成，通過現(xiàn)場(chǎng)勘探及實(shí)際換熱試驗(yàn)，提供了本次設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)。

4.1、地質(zhì)勘探

根據(jù)鉆探結(jié)果，可將底層分為7個(gè)工程地質(zhì)層，10個(gè)亞層，詳見下簡(jiǎn)表：

4.2、換熱參數(shù)測(cè)試結(jié)論

(1)地埋管深度為75米，φ32單U管（PE聚乙烯管）平均單孔放熱功率為3.72kW，平均單孔取熱功率為3.17kW。

(2)通過雙橋靜力觸探試驗(yàn)，地埋管孔在樁基礎(chǔ)50cm以外施工基本不影響。

(3)本項(xiàng)目適合采用土壤源熱泵技術(shù)。

5、冷熱源選擇

無論從空調(diào)冷熱負(fù)荷及全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷來看，該工程全年的總冷量遠(yuǎn)大于總熱量，為保持土壤的熱平衡，以冬季負(fù)荷為依據(jù)設(shè)計(jì)地埋管系統(tǒng)，即冬季熱負(fù)荷全部由地埋管及地源熱泵機(jī)組系統(tǒng)承擔(dān)，夏季空調(diào)冷負(fù)荷部分由地埋管承擔(dān)，其余的采用冷卻塔補(bǔ)充。

方案一：一臺(tái)地源熱泵機(jī)組+一臺(tái)水冷冷水機(jī)組，冬季采用地源熱泵機(jī)組供暖，夏季采用地源熱泵機(jī)組和水冷冷水機(jī)組共同供冷。

方案二：兩臺(tái)地源熱泵機(jī)組，冬季采用其中一臺(tái)地源熱泵機(jī)組供暖，夏季采用兩臺(tái)地源熱泵機(jī)組供冷。

因地源熱泵機(jī)組沒有水冷冷水機(jī)組的COP值高，因此方案一的初投資以及運(yùn)行費(fèi)用比方案二低。但因業(yè)主要求以及項(xiàng)目的特殊性，本項(xiàng)目不設(shè)額外備用機(jī)組，但要求所設(shè)的兩臺(tái)機(jī)組能在冬夏季互為備用，以保證其中一臺(tái)機(jī)組檢修時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)還能正常運(yùn)行，維持生產(chǎn)車間的正常工作。

綜上所述，本工程選用兩臺(tái)一樣的地源熱泵機(jī)組作為冷熱源，兩臺(tái)機(jī)組冬夏季都可相互備用，冬季由一臺(tái)機(jī)組供熱，夏季由兩臺(tái)機(jī)組供冷。由于本車間夏季冬季負(fù)荷相差懸殊，因此，夏季設(shè)兩臺(tái)冷卻塔，補(bǔ)充夏季冷負(fù)荷。

根據(jù)冬夏季負(fù)荷選擇地源熱泵機(jī)組，兩臺(tái)地源熱泵機(jī)組，每臺(tái)制冷量為585kW，制熱量為616kW，制冷時(shí)COP為5.06，制熱時(shí)COP為4.61。夏季：負(fù)荷側(cè)進(jìn)出水溫度7/12℃，冷卻側(cè)32/37℃；冬季：地源側(cè)10/5℃，負(fù)荷側(cè)45/40℃。空調(diào)末端為常規(guī)設(shè)計(jì)，采用吊頂式空調(diào)及風(fēng)機(jī)盤管。

6、地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6.1、地源熱泵系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)

根據(jù)以上的結(jié)論，地源熱泵系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖如下：

說明：

1)“夏季制冷1”：地下冷熱負(fù)荷平衡后，夏季制冷狀態(tài)；“夏季制冷2”：地下冷熱負(fù)荷平衡前，夏季制冷狀態(tài)；“夏季制冷3”：地下冷熱負(fù)荷平衡后，DYRB-1.2檢修時(shí)的制冷狀態(tài)；“夏季制冷4”：地下冷熱負(fù)荷平衡后，DYRB-1.1檢修時(shí)的制冷狀態(tài)；“夏季制冷5”：地下冷熱負(fù)荷平衡前，DYRB-1.2檢修時(shí)的制冷狀態(tài)；“夏季制冷6”：地下冷熱負(fù)荷平衡前，DYRB-1.1檢修時(shí)的制冷狀態(tài)；“冬季制熱1”：冬季開DYRB-1.1的制熱狀態(tài)；“冬季制熱2”：冬季開DYRB-1.2的制熱狀態(tài)。

2)DYRB-1.1與DYRB-1.2冬夏季時(shí)都可互為備用，即在一臺(tái)設(shè)備檢修時(shí)，可保證冬季全部熱負(fù)荷和夏季部分冷負(fù)荷。

3)夏季使用天數(shù)為120d，冬季使用天數(shù)為90d；根據(jù)全年負(fù)荷情況，地源熱泵冬季使用天數(shù)為90d，地源熱泵夏季使用天數(shù)約為95d，其余部分由冷卻塔解決；同時(shí)通過地下土壤以及冷卻回水溫度監(jiān)測(cè)，分析地下土壤長(zhǎng)時(shí)間的溫度變化，從而在保證系統(tǒng)最大節(jié)能運(yùn)行。

6.2、地埋管的形式及布置

根據(jù)地質(zhì)勘探的分析報(bào)告，綜合考慮各種因素，本工程地源換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)為垂直單U形地埋管系統(tǒng)，經(jīng)分析，采用Dn32的單U形地埋管系統(tǒng)，鉆孔孔徑取150mm，管路布置采用并聯(lián)多環(huán)路異程系統(tǒng)，盡量布置在生產(chǎn)車間旁的綠化帶上面，不足部分布置在生產(chǎn)車間的正下方。連接地源井的水平支管采用4～5口井一回路，同程式連接，根據(jù)地埋管孔布置圖設(shè)置單級(jí)分集水器，共6個(gè)并聯(lián)環(huán)路，并在集水器上設(shè)置平衡閥，水平埋管深約2米，系統(tǒng)最高點(diǎn)設(shè)自動(dòng)排氣閥。

經(jīng)計(jì)算，共需地埋管孔數(shù)200個(gè)，考慮一定余量后實(shí)際鉆孔數(shù)為240個(gè)，鉆孔間距最小為4m，個(gè)別孔位根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)調(diào)整。地下地埋管布孔平面簡(jiǎn)圖如下：

6.3、地埋管的管材及連接

地埋管采用化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕、導(dǎo)熱率大，流動(dòng)阻力較小的聚乙烯(PE)管，地埋管的質(zhì)量應(yīng)符合“給水用聚乙烯(PE)管材”GB/T13663及“冷熱用聚乙烯（PE）管道系統(tǒng)”GB/T19473.2的要求，管材公稱壓力為1.6MPa，U形豎直埋管采用Dn32的PE管。連接管道小于等于Dn63采用電熔連接，大于Dn63可采用熱熔連接。管道的施工必須滿足“埋地聚乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程”CJJ101-2004的有關(guān)規(guī)定。

6.4、地埋管長(zhǎng)期運(yùn)行的可行性分析

通過夏季冷凍水冬季熱水的流量累計(jì)，轉(zhuǎn)成負(fù)荷來估計(jì)夏季的地源側(cè)的運(yùn)行時(shí)間。并通過傳感器不斷檢測(cè)夏季冷卻水（地源側(cè)）回水溫度，當(dāng)回水溫度達(dá)到32°時(shí)，地源側(cè)的冷卻效率就會(huì)低于冷卻塔效率，此時(shí)需關(guān)閉地源系統(tǒng)，開啟冷卻塔系統(tǒng)。而相對(duì)冬季而言，隨著土壤溫度的升高，其運(yùn)行效率將更加高效。

7、設(shè)計(jì)總結(jié)及建議

根據(jù)本工程設(shè)計(jì)可以得出以下結(jié)論及建議：

(1)通過本工程的地源熱泵設(shè)計(jì)，可見地源熱泵系統(tǒng)在工業(yè)廠房中也是可行的。地源熱泵不僅高效、節(jié)能、環(huán)保，其運(yùn)行費(fèi)用比傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)大約低25%，鑒于地源熱泵初投資比較大，如果沒有相關(guān)政策補(bǔ)貼，很難在工業(yè)廠房中推廣。

(2)為了降低初投資以及運(yùn)行費(fèi)用，夏季冷負(fù)荷宜由水冷冷水機(jī)組（冷卻塔散熱）+地源熱泵機(jī)組（地埋管散熱）共同承擔(dān)，冬季熱負(fù)荷全部由地源熱泵機(jī)組（地埋管吸收）承擔(dān)。

以土壤作為熱源，冬季從土壤中吸取熱能，通過熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供暖；夏季將熱量釋放到土壤中，滿足制冷、制熱、生活熱水需求；不受室外環(huán)境影響，穩(wěn)定可靠，高效節(jié)能；運(yùn)行費(fèi)用低，維護(hù)費(fèi)用低，目前公認(rèn)對(duì)環(huán)境最友好的制冷制熱系統(tǒng)。

基本原理是以土壤作為低位冷/熱源(載體)，冬季利用埋入地下的管道環(huán)路(地下?lián)Q熱器)從土壤中吸取熱能，通過熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)向建筑物的供暖；夏季從建筑中吸取熱量，通過埋入地下的管道環(huán)路將熱量釋放到土壤中，實(shí)現(xiàn)向建筑的供冷，冬夏兩用。是目前公認(rèn)的對(duì)環(huán)境最友好的制冷制熱系統(tǒng)。

a) 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

(1)、一機(jī)多，可同時(shí)滿足制冷、制熱、生活熱水需求；

(2)、供冷/供熱不受室外環(huán)境影響，穩(wěn)定可靠，高效節(jié)能；

(3)、運(yùn)行費(fèi)用低，僅為常規(guī)系統(tǒng)的65%；

(4)、夏季可提供幾乎免費(fèi)的生活熱水；

(5)、末端形式多種多樣，系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用低；

b) 系統(tǒng)缺點(diǎn)

(1)、設(shè)計(jì)、施工要求高，初投資高；

(2)、使用受到場(chǎng)地限制，沒有足夠的場(chǎng)地滿足不了能量交換

(3)、施工工藝較為復(fù)雜，品質(zhì)要求高；