卡塞爾機械解析土壤源熱泵換熱器技術

 1.概述

   地源熱泵系統(土壤源)的初投資比傳統系統看似偏高，使消費者(開發商)擔心使用該技術是否會使工程價格升高，影響著一些消費者對于該技術的認可。但地源熱泵系統免除了能源傳遞輸送過程中的基礎設施投資，而且該系統還能同時供冷(暖)和供新風(并可供生活用水)，綜合成本將大大節約的價格優勢，卻并未能被消費者**認識。在一千平方米的辦公樓中使用地源熱泵，冬季24小時運行，室溫保持在22℃—24℃，其**電耗僅為140~150度。如果將初投資、運行費用、維修費用、使用年限、土地使用、基礎建筑、能源使用等條件綜合考慮，每日單位負荷費用均低于其他各類空調。

   隨著我國節能減排發展戰略的實施，研究和利用新型節能環保空調已成為當前社會重要課題，由于土壤源熱泵具有制冷性能系數高、節能效果好、利用可再生能源、環保效果好、系統簡單、維護方便等優點，已在歐美國家廣泛地應用，我國各地在政府的積極支持推動下，土壤源熱泵空調也在建筑領域得到了迅速發展。但土壤源熱泵空調造價比傳統型空調貴，而使業主望而生畏，制約了土壤源熱泵的推廣使用，因此，降低土壤源熱泵的造價，減少其一次性的投入，對土壤源熱泵在空調領域的發展具有重要意義。本文重點對土壤源熱泵換熱器的造價影響的技術因素進行分析，供工程應用參考。

   土壤源熱泵價格分三個部分,室內末端部分、機房部分、室外地埋部分，土壤源熱泵空調造價主要貴在室外地下換熱器，土壤源熱泵是把建筑物的負荷通過地下換熱器與土壤進行熱交換，夏季把建筑物的熱量轉移進土壤，冬季再把土壤中的熱量轉移到建筑物，因此，地下換熱器是土壤源熱泵至關重要的設備。土壤源熱泵換熱器分水平型與豎直型兩種，選用水平型或豎直型換熱器由可利用土地面積、土壤的類型和挖掘費用而定，若有大量的土地、且開掘方便，則水平型換熱器比較經濟。豎直型換熱器占地相對少些，因此，在城市等土地比較緊張的地方則多數采用豎直型換熱器，它需要機械鉆井和比較高的技術回填，其工程造價相對要高些。目前，城市土壤源熱泵空調工程建設中，均采用豎直型地下換熱器，影響豎直型換熱器造價的技術因素主要有如下幾個方面。

    2.影響地下換熱器造價因素分析

    2.1建筑物負荷計算的影響

    由土壤換熱器長度的工程設計公式：

從設計計算公式可知：選用的水冷式制冷機組能耗比高，則換熱器所需的長度相應減少，所以選用高效的制冷機組，也是降低地下換熱器造價的途徑之一。

    2.2土壤特性測試的影響

   由換熱器長度設計公式可知：土壤換熱能力與換熱器長度成反比，但實際設計中，上述計算方法比較繁瑣，且部分數據不易獲取，所以很多設計采用管材“換熱能力”來計算管長，其計算式為：

    Lc=1000Qc/ql

   式中：ql為每米管長換熱量(W/M)由測試獲得。因此,土壤源地埋管熱響應測試就顯得非常重要，測試規范、正確、地埋管換熱能力的合理性，對換熱器長度計算至關重要，有些測試報告過于草率，給出的換熱能力與實際土壤特性不符，測試報告參數偏低，使得工程設計的地下換熱器長度過長，工程造價偏高，這方面應引起有關部門重視并作出規范測試條例，保證地埋管熱響應測試的正確性及合理性，以利土壤源熱泵技術的推廣應用。如長江三角洲地區，地下水系豐富，滲流頻繁，理應地埋管熱響應測試中換熱能力在60W/M以上，但有些工程測試中偏低，測試的換熱能力僅為60W/M以下，,如某臨湖工程的建筑物負荷為2500KW,豎直地埋管井深為100M,水冷式制冷機的COP為5，采用單U形式，由計算公式得：

    Qc=Q1(1+1/COP1)=2500(1+1/5)=3000KW

    當地埋管的換熱能力為56W/M時，換熱器長度計算為：

    Lc=Qc*1000/28=107142.86M

    則鉆井數為：N=Lc/nH

    式中：H為豎井深度(M)

    n為豎井中的管數

    則：N1=Lc/2H=107142.86/2*103=536口

    當地埋管的換熱能力為60W/M時，換熱器長度計算為：

    Lc=Qc*1000/30=100000M

    則鉆井數為：

    N1=Lc/2H=100000/2*103=500口

    若每口井造價為6000元，則由于“換熱能力”參數的差異，換熱器的施工投入將差21.6萬元。

    2.3換熱器的設計與布置的影響

   地下換熱器設計中，確定井數時，在考慮豎直井系統布置時，往往計算結果圓滿后，井數均擴大，而加大造價，再則在選擇單U或雙U時，對造價的影響也是很大的。要視當地地質條件來選擇，若地質以粘土為主，鉆井容易，鉆井費用低，則選擇單U較經濟；若地質以巖石為主，鉆井困難，鉆井費用昂貴，則選擇雙U為好，若布置地下換熱器用地緊張，則雙U也是一種選擇。如某工程建筑負荷為2500KW,當地土壤主要以粘土為主，地埋管熱響應測試的換熱能力：單U為56W/M，雙U為67W/M，豎直井深為100M,則采用單U形式的地下換熱器，需要的井數為525口井，采用雙U形式的地下換熱器，需要的井數為436口井，一口單U井的鉆井費為230元，其管材料費為200×7=1400元，該工程單U型換熱器造價為86.064萬多元。一口雙U井的鉆井費為250元，其管材料費為400×7=2800元，該工程雙U型換熱器造價為132.98萬多元；由于井數不等，總的換熱器的水平管也不等，若流程布置相似，則水平管雙U形式的換熱器比單U形式的換熱器少1000M,則水平管的造價單U比雙U要多10萬元左右，因此，總體造價雙U形式的地下換熱器比單U形式的地下換熱器貴36.9萬元。

   若地質以巖石為主，同樣100M井深，一口井需要十天才能鉆好，其鉆井費為5750元，則一口單U型的豎直井造價為7150多元，一口雙U型的豎直井造價為8550多元，而雙U井的換熱能力比單U井約增加15%左右，雙U井的水平管造價要低于單U井，所以這種地質條件下，選用雙U井的造價要略低些。

    2.4換熱器施工方法的影響

   整個豎直型土壤源熱泵換熱器由豎直井與水平聯通管組成，為確保換熱器使用的**，施工時，水平聯通管需埋在離地面2M以下，為了水平管的連接，豎直管的上端2M的PE管被切割，則一口單U井切割下的PE管為4M，若按上述工程井數為528口，則切割下的管長總共為2112M,，浪費垂直管造價14784元，若在U形制作時，從工廠定制98M，再融接2M廢料管，這樣可以降低一些造價。

    2.5地下全年熱平衡處理的影響

   土壤溫度場在沒有外界的巨大干擾下,溫度基本是穩定的,偶爾有相對較小的波動,但冷(熱)遷移比較緩慢.當土壤源熱泵采集淺層地能時,將會對淺層地下溫度場造成很大的變化,為使地下溫度場保持平衡,應該進行冷、熱平衡計算:即夏季向地源排放的熱量就等于冬季獲取的熱量,這樣才能避免地下局部冷熱島現象。但由全年負荷計算可知，在北方夏季的負荷小于冬季負荷，在南方夏季的負荷大于冬季負荷，為降低土壤源熱泵地下換熱器的造價，南方夏季多出的負荷可以通過冷卻水塔來轉移，這樣可以減少打井數目，