地源热泵系统在南昌市老年活动中心项目的应用研究及效益探讨

姜华贵 何 情 聂 强

（1南昌市重点工程管理办公室，江西 南昌 330038；2江西昌南建设集团有限公司，江西 南昌 330002）

1 地源热泵系统介绍

地源热泵是一种利用循环水与地下土壤进行冷、热交换，既可供热又可制冷的高效节能空调系统。

1.1 主要发展形式

地埋管地源热泵系统按照换热器的埋管方式不同，分为以下两种：水平埋管系统和垂直埋管系统。

地源热泵系统按照循环形式的不同，分为以下三种：开式循环系统、闭式循环系统及混合循环系统。

1.2 地源热泵优点

1.2.1 节能高效，可靠稳定

地能或地表浅层地热资源的温度在全年十二个月中变化不大，土壤与空气温差通常为17度，是很理想的热泵热源或者空调冷源，与传统空调系统相比较，地源热泵运行效率高40%至60%，节能和节省运行费用40%至50%左右。

1.2.2 对环境的污染小

地源热泵空调系统运行过程中排放的污染物，与空气源热泵相比，相当于减少40%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，不但节能而且减排。

1.2.3 维修与保养费用低

与常规系统相比，地源热泵系统的运行部件较少，所以维护减少。而且系统不是像常规系统一样安装在室外，不会有风雨的侵蚀，维修与保养费用低且使用时间更长。

1.2.4 使用寿命长

地源热泵的地下埋管选用聚乙烯和聚丙烯塑料管，使用寿命长达50年。与普通空调相比，其使用寿命要高出35年。

1.2.5 可循环利用水资源

地源热泵空调系统可以使用地下水、海水、生活污水或者工业生产废水作为热源，减少了对不可再生资源的消耗，实现了对水资源的循环使用，而且对于我们国家污水处理难及淡水缺乏等问题起到了很好的缓解作用。

2 老年活动中心项目地源热泵空调工程

2.1 工程概况

南昌市老年活动中心项目总建筑面积49850平米，部分冷热源采用了地源热泵空调系统，设计总井数400口，共分为4个区。地埋管换热器采用先垂直钻孔后埋管的方法，垂直埋管群井分布在建筑底板下，其形式为双U型管，De25管，管材及管件采用高密度聚乙烯PE100管（1.6MPa）。室外水平干管采用直埋敷设方式，水平埋管深度距地面不宜小于1.5m，供、回水支管铺排在同一个平面的左右两边，各供回支管之间的距离不低于60cm。每根管分别从水平连接管延伸至建筑底板边缘侧后向上连接到分、集水器，供回水主管地下室板下埋设至冷热源机房。

2.2 施工工艺流程及主要操作要点

地源热泵空调系统施工流程[1]如图1所示。

图1 施工工艺流程图

2.3 垂直埋管作业

1）U型管的U型弯管接头，需使用制作好的U型弯头成品件，不能使用直管道煨制弯头。

2）为了减少地面对管道的磨擦损耗，在按图纸要求截取PE管长度前应该在地面先铺砂。

3）垂直钻孔应该和地埋管的安装相衔接，每钻完一个孔，待孔壁固化后应立刻下管，下管时U型管应注满水。

4）U型管换热器安装完毕后，应马上灌浆回填并且将孔口封起。

5）若是在试压的过程中出现压力不能稳定的情况，必须及时将管道拉出重新埋入试压合格的管道，并分析产生这一状况的原因，提出解决的方法。管道敞口应临时封闭，确认后才能封闭孔口。

6）在全部工程结束后，应以大于运行流量2倍的流量对设备进行冲洗。

2.4 试压环节

1）第一次水压试验应该在竖直地埋管换热管插入钻孔前进行，试验压力为1.6MPa，在试验压力下，稳压不少于15min，稳压后压力降应在3%范围内，而且没有泄漏的情况；将其密封后，在有压状态下插入垂直钻孔内，完成灌浆之后保持压力1h，压力无明显下降，视为符合要求。

2）第二次水压试验在竖直或水平地埋管换热器和环路集管组装结束后进行，试压压力为0.6MPa。在试验压力下，保持压力不少于30min，稳压后压力降应在3%范围内，而且没有泄漏的情况，视为符合要求。

3）第三次水压试验在室外地埋管环路集管和机房分集水器组装结束后进行，试压压力为0.6MPa。在试验压力下，保持压力不少于2h，而且没有泄漏的情况，视为符合要求。

4）第四次水压试验应该在地埋管换热系统全部组装完成，且冲洗、排气和回填完成后进行，试压压力为0.6MPa。在试验压力下，保持压力不少于12h，稳压后压力降应在3%范围内，视为符合要求。

5）不能以气压取代水压试验，水压试验应选择手动泵缓慢升压，在升压的过程中应时刻查看，不能有渗漏。

6）压力检验设施应在回填全部结束后再拆除，如果条件允许可保留下来随时进行检测。

7）管道分段试压达标后需使用洁净的水对整条管道进行冲洗消毒，浊度应不大于5NTU，冲洗流速应不小于2.0m/s，当冲洗水的排放水与进水的浊度相同方可结束。

2.5 灌浆回填

1）回填材料采用原浆，必要时加少量黄沙，灌浆前计算好每个井需用灌浆液的用量。

2）对垂直换热管进行第二次试压合格后才能对垂直竖井进行回填作业，在回填过程中管道应保持压力，一旦发现压力出现异常，立即停止，找到原因并解决后才能继续回填。管孔中的PE管埋完后应静置3-4h，待井中泥浆沉淀后再用粗沙回填，必须保证管和管孔之间无空隙，保证换热效果，第一次填完后需反复检查。

3）泥浆灌入孔中时应确保钻孔回灌密实，没有空腔。

4）当地埋管换热器设在冻土层以下非常密实或坚硬的土壤、岩石情况下，宜采用水泥基料灌浆。

5）当埋管深度大于40m的时候，应该在周围相邻钻孔施工结束后才能进行灌浆回填。

6）为了防止后续施工破坏管道管口，回填完后对留在地面的管道管口应进行封堵保护。

7）在连接水平总管前应先将管沟内容易破坏管道的硬物取出，待水平管道连接之后将管道覆盖，回填泥土时应取出混杂在里面的砖石等尖锐物体，以免刮伤管道。

8）安装地埋管换热器应该与回填过程的检验同步进行。

2.6 沟槽开挖及水平地埋管安装

1）管道的沿线临时水准点，每200m应至少设置1个；临时水准点、高程桩、管道轴线控制桩需经过复核后才能使用，并应时常校核；开工前应该对与本项目衔接的管道、构筑物等平面位置和高程进行校测。

2）当管道沟槽底部的开挖宽度达到1m时，沟槽开挖到设计标高后，必须尽快进行管道敷设工作，敷设完成后按要求尽快进行回填并夯实，尽可能的减少原状土的暴露时间。

3）挖好水平地埋管沟槽以后，应清理干净沟槽内的石块等，并且将沟底夯实。在敷设管道前，应先铺设细纱或垫层，其厚度不应小于管径厚度。此砂垫层可减少和降低地上建筑物因发生垂直或不均匀沉降，软基层对水平地埋管造成的破坏。

4）给水管道施工完毕并经检验合格后，及时回填沟槽。

本项目严格按照上述施工工序和技术要点进行现场施工，尤其是采取了定型的U型弯头成品件，严格试压，同时在水平地埋管沟槽中铺设砂垫层，确保了施工质量，所有成孔全部一次性到位，试压全部合格。

3 地源热泵系统与传统供暖方式效益对比分析

本项目选用地源热泵和水冷螺杆机组合系统（主要设备包含地源热泵冷/热水机组2台及水冷螺杆冷水机组两台等设备）用于服务北楼1-4层，西楼及东楼1楼门厅，其中西楼主要为高净空、大跨径运动场馆，服务面积为13154平米。

3.1 经济效益分析

为了估算该组合系统在本项目中运用的经济效益[2]，结合南昌市天气情况（详见图2），假定每年制冷周期为5月15日-10月20日，时间段为8：00-21：00，每年采暖周期为12月1日-3月31日，时间段为8：00-21：00。同时，制冷时采取错峰使用，主要分为3个阶段：第一阶段：夏季5月15日-6月14日优先开启冷却塔，第二阶段：夏季6月15日-7月14日优先开启地源热泵，第三阶段：夏季7月15日-10月20日优先开启冷却塔。

结合上述条件，本工程采用HDY-SMAD空调负荷计算及分析软件对该项目冷热负荷进行测算（详见图3），得出地源热泵制冷量为640157KWH，水冷机组制冷量为1747711KWH，按地源热泵能效比COP为4.3，测算出用电量为148873KWH，水冷机组能效比COP为4，测算出用电量为436927KWH。地源热泵制冷量为1009143KWH，按地源热泵能效比COP为3.8、用电量为265564KWH。综合以上数据，该组合全年制冷量和制热量分别为2387868 KWH、1009143KWH，耗电量为851365KWH。

图2 南昌市全年日平均干球温度曲线图

图3 全年冷热负荷曲线图

假定用多联机替换地源热泵和水冷螺杆机组合系统，全年制冷量和制热量分别为2387868 KWH、1009143KWH，多联机全年能效比一般取3.2，耗电量为1061566KWH。

通过将地源热泵和水冷螺杆机组合系统与多联机进行对比，该组合每年节约用电210200KWH，节约比例约19.8%。按该项目周边商业电费1.4元/度计算，每年节约费用约29万元。

3.2 环境效益分析

地源热泵和水冷螺杆机组合系统与多联机空调系统消耗电能制冷供热，均会产生很多污染物。将上述两种空调系统方案消耗的电量折算成标准煤，计算其污染物排放量。燃烧 1t标准煤的污染物排放量[3]如表1所示。

表1 燃烧1t标准煤的污染物排放量（kg/t）

国家统计局给出的电力折算成标准煤参考系数为0.404kgce/kwh，即电厂每1kwh电能需要消耗0.404kg标准煤。

使用地源热泵和水冷螺杆机组合系统全年耗电量为851365度，折算成标准煤为343.95t。使用多联机空调系统全年耗电量为1061566度，折算成标准煤为428.87t。两种方案污染物排放量如表2所示。

表2 污染物排放量比较（kg）

由表2可以看出，与多联机相比，使用地源热泵和水冷螺杆机组合系统可以显著减少各有害气体的排放，提高了空气质量。

4 结语

本文结合地源热泵在市老年活动中心项目上的应用，对地源热泵施工技术进行了一定的研究探讨，本项目采取了定型的U型弯头成品件，严格试压，在水平地埋管沟槽中铺设砂垫层，确保了施工质量，所有成孔全部一次性到位，试压全部合格。同时，本文采取HDY-SMAD空调负荷计算及分析软件研究对比了地源热泵和水冷螺杆机组合系统和多联机制冷供热的经济和环境效益，地源热泵和水冷螺杆机组合系统每年用电比多联机节约19.8%、电费约29万元，显著减少各有害气体的排放，真正做到“经济节能、绿色环保”，为项目增色。