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- 地源热泵技术“江南模式”的探索与应用
- 苏州大学阳澄湖校区地源热泵案例介绍及思考
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- 摘 要
- 本文用主要篇幅介绍了苏州大学阳澄湖校区（原南京铁道职业技术学院苏州校区）地源热泵系统工程，但文章的核心部分是通过介绍这一工程案例而引发的思考。作者针对长江以南地区的气候特点、地理特点、地质特点、浅层地热能资源特点和经济社会发展的特点，结合本工程案例的设计思路和主要做法，提出了推广应用地源热泵技术的“江南模式”及其配套的“系统热回收”技术，并将其分为“最佳模式”和“基本模式”。相信本文介绍的工程案例以及作者关于“江南模式”的思考，对促进江南地区乃至黄河以南地区因地制宜地推广应用地源热泵技术，会起到抛砖引玉的积极作用。
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- 工程概况
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苏州大学阳澄湖新校区座落在阳澄湖西岸—苏州市相城区教育园区，系配合苏州火车客运站改扩建工程而整体搬迁新建的高标准、现代化、园林式校区，占地面积895.94亩，其中最引人注目的单体建筑就是位于校区中央，建筑面积25000㎡的图书馆。建设方在反复调研和对众多方案进行对比、论证、优选的基础上，最终选择采用地埋管地源热泵系统,统筹考虑和解决了图书馆中央空调制冷、供暖和全校近万名学生一年四季的生活热水供应问题。从而取消了浪费热能资源、影响环境的冷却塔，取消了热水锅炉，解决了地下温度场的热平衡问题；整个项目实现了“零排放”（这里指废热、废气、废水）。本项目地源热泵系统工程（包括通往每幢学生公寓楼的4000m预制直埋保温供、回热水管）由系统集成商施工安装，和热泵机组生产厂家共同调试完成。本案例地源热泵系统及中央热水系统已被全校公认为新校区建设的一大亮点。 
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- 地下换热器热平衡计算与分析
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建筑全年的冷热总负荷和生活热水总负荷 根据图书馆建筑全年使用空调的具体情况及建筑所在地的逐时气象参数，对不计入热水负荷时的全年逐时冷、热负荷进行计算和模拟，见图1、图2。其中：全年累计总冷负荷（空调）：1599.52MWh；全年累计总热负荷（供暖）：672.19MWh。 根据该校现有8500名学生，3年后达10000名学生的办学规模，按平均每天3000人洗澡(设计最大日供热水能力可满足10000人同时洗澡),每人消耗40L的50℃（确保末端水温不低于48℃）热水计算，测算出全年生活热水总负荷。 全年生活热水总热负荷：1396.42MWh。
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根据逐时负荷确定地埋管地源热泵机组的容量：额定制冷量：2500 kW；额定制热量：1750 kW。 经计算，地埋管系统承担制冷工况下的全年累计排热量为1980.35MWh，承担采暖工况下取热量为480.13MWh，排、取热量之差约为1500.22MWh。建筑夏季累计冷负荷是冬季累计热负荷的2.38倍，而夏季制冷期间，系统向地下的排热量是冬季供暖期间从地下取热量的4.12倍，热积聚量远远超出了土壤的自恢复能力，土壤平均温度无法回到未受扰动的初始状态，会对系统的长期性能产生不利影响。 由上述计算分析可知，如果该地埋管地源热泵系统仅用于冬、夏季的供暖/制冷，其地下吸、排热量将会存在明显不平衡现象，这种情况可以从图3、图5、图6、图7中反映出来。如果将学校全年的生活热水需求与该建筑全年的供暖、制冷统一考虑，尤其在夏季将空调热泵机组冷凝器的排热作为热水热泵机组的热源时，地下热量不平衡现象将大为改观，这种情况可以从图4、图5、图8、图9中明显地反映出来。
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全年冷、热负荷下的地埋管换热计算与分析 经计算，全年生产热水所需的1396.42 MWh热量中，冬季（包括4个月过渡季），由地埋管提供的热量为685.79 MWh；夏季由空调机组冷凝器直供的热量为500.14 MWh（其余由地埋管提供）。平衡后，夏季的地埋管侧累计排热量为1480.21 MWh，冬季地埋管的累计取热量为1376.41 MWh，达到了较好的平衡。当然，要考虑土壤自身也有一定的自恢复能力，只要累计排、取热量的差异不大或在其恢复能力内即可。这样，在夏季制冷工况下，空调热泵机组的一部分排热直接用来生产热水，不仅对全年累计取、排热量起到了平衡作用，而且全年逐时负荷分布也较为均匀，有利于机组的稳定运行（图3、4）。考虑热水负荷前后的各种累计负荷的对比情况如图5。
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- 本项目地源热泵热回收方式的对比分析与选择
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- “机组热回收”与“系统热回收”
- 通过热回收的方式，以大量生产生活热水的途径达到地下热平衡，一举多得，这是对地下热平衡进行反复计算和分析后，校企双方形成的共识。但具体采用什么形式的热回收，当时主要有两种方案：一种是采用带热回收功能的热泵机组。这种方案的弊端在于，夏季制冷时机组热回收得到的热水量和冬季供暖时机组“分配”得到的热水量太小，远远不能满足全校近万名学生的洗澡问题，而春秋过渡季节空调停用时,不仅需要另外配置锅炉，而且地下热平衡问题无法真正解决，还得配置冷却塔。另一种方案是采用本项目系统集成商独创的“系统热回收”。“系统热回收”就是专门配置一台或几台（本案例配置一台）高温热水热泵机组，将热水机组和空调机组的地源侧供、回水管路串联成一个大系统，共用一组总集、分水器，根据空调夏季制冷、冬季供暖和春秋季停用三种不同工况，采用科学合理的调控手段和不同季节的不同热回收方式（夏季空调制冷期间采用“直接热回收”，冬季供暖和春秋过渡季空调停用期间采用“间接热回收”），实现一年四季的“系统热回收”的技术模式。这样既完全满足了全校学生一年四季的生活热水需求，又有效地解决了地下热平衡问题。采用“系统热回收”的方式，使用起来方便、灵活、安全、可靠，热回收的效率更高，回收的热量更大，更加经济合理。“系统热回收”又分为“直接热回收” 和“间接热回收”。
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- “直接热回收”
- 直接热回收就是在夏季空调制冷工况下，热水机组（地源侧供水）直接利用空调机组冷凝器的排热（空调机组地源侧出水）作为热源生产热水，热水机组直接回收这部分热量后再次供空调机组冷凝器作为地源侧冷却水使用，从而减少系统向地下的排热量的热回收方式。夏季制冷时，从系统地源侧总分水器中，将空调机组冷凝器出水的三分之一（这里仅指本案例的设定量，而不同项目的设定量是有差别的）分配给热水机组作为源侧供水使用（本项目夏季由空调机组冷凝器直供热水机组的热量为500.14 MWh），热水机组的源侧回水送到系统总集水器供空调机组直接使用。理论上讲，这部分冷凝水中的热量已被热水机组“回收”，就不再送到埋管系统，而是直接回到地埋管系统总集水器供空调机组直接使用。此举明显减轻了空调机组源侧循环泵的负荷。由于采用直接热回收时热水机组和空调机组的供、回水互为反向使用，同时由于空调机组源侧循环泵减少了三分之一的运行负荷，从系统总分水器引过来的空调机组冷凝器出水流量、流速、压力稳定、可靠，在这种状态下热水机组地源侧专用循环泵不必开启，即可保证热水机组安全、稳定地运行，因而更加节能。这就是“系统热回收”中的“直接热回收”。
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- “间接热回收”
- 间接热回收就是在空调冬季供暖、春秋季停用的情况下，热水机组通过系统总集水器驱动地下换热器提取热量生产热水，间接回收、逐步消化空调热泵机组向地下多余的排热量，达到地下温度场全年热平衡的热回收方式。空调机组冬季制热时，热水机组与空调机组分配使用系统总集水器中的地源侧供水，回水全部由总分水器送往地下。由于设计地埋管数量时，是按照满足冬天三台机组同时制热工况要求考虑的，所以不必担心地源侧供水流量不足或低温保护的问题。根据苏州的冬季气温规律，本案例只需启动一台空调热泵机组就可满足冬季供暖的热负荷，三台机组同时制热的概率极低。春、秋季空调机组不工作时，热水机组必须满足生活热水需求。控制方法:使用另一台地源侧专用循环泵（两用一备,用电输入功率相当于空调机组源侧循环泵的三分之一），通过地埋管系统总集水器驱动地埋管六个区中两个区（88×2=176口井）的循环水供热水机组使用，尔后通过系统总分水器回到地下。具体操作方法：开启地埋管系统总集、分水器通往热水机组的供、回水总闸阀，同时开启两组地埋管回路所对应的供、回水闸阀，其余四组回路的闸阀全部关闭。从使用时间和供回水温度方面综合考虑，在过渡季节，通过定期轮流切换总集、分水器上的六组闸阀，使地下六个区达到热均衡。冬季和过渡季热水机组直接提取地下换热器循环水的热量生产热水，从地下全年热平衡的角度看，就是“系统热回收”中的“间接热回收”。
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- 螺旋形纳米PE换热管介绍
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- 产品原材料
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高密度聚乙烯（管壁）
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- 产品技术路线
- 1、梅花螺旋形地埋管项目的确立：我司专业从事地源热泵行业近10年，承办了大量地源热泵及相关工程，通过长期的施工经验，我司发现在地源热泵系统中占主要份额的地埋管存在产品形式单一、用量极大、需紊流换热等问题，生产一种新型、可靠、节能的地埋管，创立一套新的地埋管标准成为一种必然趋势，故我司于2009年中旬做出给予新型地源热泵地下换热器专用管项目立项的决定； 2、适用低流速紊流管形研究：地源热泵行业在国内发展多年，技术日趋成熟，相关材料配件早已标准化配套化并得到了反复优化，普通地埋管所用材料为高密度聚乙烯，其换热性能良好、稳定，已得到多年实践的认证，从材料方面提高地埋管换热系数空间较小。而管形方面，传统地源热泵地埋管均采用圆形PE管，其断面均系圆形，为达到管内紊流，水流速度一般为0.6m/s时才能形成紊流，且其管道外表面与土壤耦合面积受到限制。若使管壁和管孔断面呈梅花状，表面呈梅花旋转形，所述梅花状断面边缘分别由半径为R-1，R-2的圆弧形成，所述R-1位6mm，R-2位3mm时，可增加流场内小漩涡，低流速也可呈现紊流状态，同时增加与土壤耦合面积，增大换热系数； 3、生产工艺建立与完善：我司于2010年完成梅花螺旋管专用生产车床的投资建造，并进行了试生产，产品效果良好，同年具备对相关配套管件生产能力； 4、专利申请：我司于2011年6月对本产品进行专利申请，次年1月得到专利授权。
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- 产品的优势
- 1、采用梅花螺旋形断面，管内流体在低流速状态下即可形成紊流。传统地源热泵地埋管均采用圆形PE管，其断面均系圆形，为达到管内紊流，流动V>0.4m/s，一般取0.6m/s时，流体才能形成紊流，但这增加了循环水泵的耗能。相比较传统圆管，梅花螺旋形地埋管采用分别由半径为R-1，R-2的圆弧形成的梅花形断面，所述R-1位6mm，R-2位3mm时，可增加流场内小漩涡，低流速也可呈现紊流状态，倘若同为高流速状态下，在流场内已呈现紊流状态的流体通过管内螺旋形轨道的被动旋转，进一步增大扰流的幅度和数量，从而增大流体-内壁-土壤间的换热量。 2、与土壤耦合面积大，热交换效率高。取长度各为1m，管壁直径都为32mm，管孔直径都为26mm的梅花螺旋形地源热泵地下换热器专用管和圆形地埋管进行比较，经测算，所述梅花螺旋形地源热泵地下换热器专用管的管壁截面积为284.02mm2，管壁外表面积为52174.08mm2，而圆形地埋管的管壁面积为273.32mm2，管壁外表面积为50265.48mm2，梅花螺旋形地源热泵地下换热器专用管管壁截面积比圆形地埋管大3.9%，管壁外表面积比圆形地埋管大4%，所以梅花螺旋形地源热泵地下换热器专用管与土壤的耦合面积更大，换热量更大，换热效率相应提高，对于土壤源热泵空调系统可以提高地下换热器的热交换效率，减少室外钻井埋管数量10~15%，节省工程初投资。
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- 产品的功能及用途
- 梅花螺旋形地源热泵地下换热器专用管适用于地源热泵空调系统，通过室外钻井将梅花螺旋形地源热泵地下换热器专用管埋入地下，并进行回灌，使梅花螺旋形地源热泵地下换热器专用管与土壤完全接触。通过地源侧水泵的动力，使地埋管、集水器、水泵、地源热泵主机、分水器形成完整的循环管路，夏季时，主机中制冷剂在冷凝过程中向地源侧30℃左右的水放热，从而制取7℃的末端冷冻水，冷却水通过地源侧的不断循环与土壤维持30℃的平衡水温；冬季时，主机中制冷剂在蒸发过程中从地源侧10℃左右的水中吸热，从而制取50℃左右的热水，地源侧水体通过不断循环与土壤换热，维持10℃的平衡水温。由于梅花螺旋形地源热泵地下换热器专用管具有梅花螺旋形内结构，使水体在流动时产生更多涡旋，增强紊流效果，从而增大水体与土壤的换热量，而梅花螺旋形地源热泵地下换热器专用管具有的更大的耦合面积也增大了土壤与管壁的换热面积，从而增加了换热效率，使地源热泵系统具有更高的COP。
