试析降低竖直型土壤源热泵换热器造价的技术途径

来源：发布时间：2014-07-28 12:40:35点击率：

1.概述

    随着我国节能减排发展战略的实施，研究和利用新型节能环保空调已成为当前社会重要课题，由于土壤源热泵具有制冷性能系数高、节能效果好、利用可再生能源、环保效果好、系统简单、维护方便等优点，已在欧美国家广泛地应用，我国各地在政府的积极支持推动下，土壤源热泵空调也在建筑领域得到了迅速发展。但土壤源热泵空调造价比传统型空调贵，而使业主望而生畏，制约了土壤源热泵的推广使用，因此，降低土壤源热泵的造价，减少其一次性的投入，对土壤源热泵在空调领域的发展具有重要意义。本文重点对土壤源热泵换热器的造价影响的技术因素进行分析，供工程应用参考。

    地源热泵系统（土壤源）的初投资比传统系统看似偏高，使消费者（开发商）担心使用该技术是否会使工程价格升高，影响着一些消费者对于该技术的认可。但地源热泵系统免除了能源传递输送过程中的基础设施投资，而且该系统还能同时供冷（暖）和供新风（并可供生活用水），综合成本将大大节约的价格优势，却并未能被消费者全面认识。在一千平方米的办公楼中使用地源热泵，冬季24小时运行，室温保持在22℃—24℃，其电耗仅为140~150度。如果将初投资、运行费用、维修费用、使用年限、土地使用、基础建筑、能源使用等条件综合考虑，每日单位负荷费用均低于其他各类空调。

    土壤源热泵价格分三个部分,室内末端部分、机房部分、室外地埋部分，土壤源热泵空调造价主要贵在室外地下换热器，土壤源热泵是把建筑物的负荷通过地下换热器与土壤进行热交换，夏季把建筑物的热量转移进土壤，冬季再把土壤中的热量转移到建筑物，因此，地下换热器是土壤源热泵至关重要的设备。土壤源热泵换热器分水平型与竖直型两种，选用水平型或竖直型换热器由可利用土地面积、土壤的类型和挖掘费用而定，若有大量的土地、且开掘方便，则水平型换热器比较经济。竖直型换热器占地相对少些，因此，在城市等土地比较紧张的地方则多数采用竖直型换热器，它需要机械钻井和比较高的技术回填，其工程造价相对要高些。目前，城市土壤源热泵空调工程建设中，均采用竖直型地下换热器，影响竖直型换热器造价的技术因素主要有如下几个方面。

    2.影响地下换热器造价因素分析

    2.1建筑物负荷计算的影响

    由土壤换热器长度的工程设计公式：



    式中：Qc为夏季向土壤中排放的热量（KW）

    Lc为管换热器长度

    Q1为夏季设计总冷负荷（KW）

    可知：换热器长度与热泵的额定负荷成正比，若建筑物计算负荷大，则所需换热器的长度增长，工程造价也相应增加。目前建筑物空调工程均需进行负荷计算，设计院一般采用一些计算软件，计算方便、数据祥细。但在实际设计计算中存在如下的问题：如室内温度选择过高或过低，冬、夏季室内计算温度选择过高或低，有些场所如门厅、过道，设计时，冬、夏季就选择高些或低一些，应为27℃或18℃，但实际计算中往往都选用 26℃或20℃，造成负荷计算偏大；再者，有的工程夏季室内相对湿度选择为50%，按设计空调的设计规范，夏季室内相对湿度就为60%，空调设备要降低室内相对湿度，同样会增加建筑物负荷的转移；办公室人数选择过多，使得新风量选择过大；房间同时使用系数过大，有些建筑物内的空间使用频率很低，但也按每天使用计算，导致建筑物总体负荷增大。所以建筑物负荷的计算大小影响着地下换热器的长度。

    从设计计算公式可知：选用的水冷式制冷机组能耗比高，则换热器所需的长度相应减少，所以选用高效的制冷机组，也是降低地下换热器造价的途径之一。

    2.2 土壤特性测试的影响

    由换热器长度设计公式可知：土壤换热能力与换热器长度成反比，但实际设计中，上述计算方法比较繁琐，且部分数据不易获取，所以很多设计采用管材“换热能力”来计算管长，其计算式为：

    L c =1000Qc/ql

    式中：ql为每米管长换热量（W/M）由测试获得。因此,土壤源地埋管热响应测试就显得非常重要，测试规范、正确、地埋管换热能力的合理性，对换热器长度计算至关重要，有些测试报告过于草率，给出的换热能力与实际土壤特性不符，测试报告参数偏低，使得工程设计的地下换热器长度过长，工程造价偏高，这方面应引起有关部门重视并作出规范测试条例，保证地埋管热响应测试的正确性及合理性，以利土壤源热泵技术的推广应用。如长江三角洲地区，地下水系丰富，渗流频繁，理应地埋管热响应测试中换热能力在60W/M以上，但有些工程测试中偏低，测试的换热能力仅为60W/M以下，,如某临湖工程的建筑物负荷为2500KW,竖直地埋管井深为100M, 水冷式制冷机的COP为5，采用单U形式，由计算公式得：

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

    当地埋管的换热能力为56W/M时，换热器长度计算为：

                    L c =Q c *1000/28=107142.86M

    则钻井数为：N=Lc/nH

    式中：H为竖井深度（M）

    n为竖井中的管数

    则：N1=Lc/2H=107142.86/2*103=536口

    当地埋管的换热能力为60W/M时，换热器长度计算为：

                           Lc=Qc*1000/30=100000M

    则钻井数为：

    N1=Lc/2H=100000/2*103=500口

    若每口井造价为6000元，则由于“换热能力”参数的差异，换热器的施工投入将差21.6万元。

    2.3换热器的设计与布置的影响

    地下换热器设计中，确定井数时，在考虑竖直井系统布置时，往往计算结果圆满后，井数均扩大，而加大造价，再则在选择单U或双U时，对造价的影响也是很大的。要视当地地质条件来选择，若地质以粘土为主，钻井容易，钻井费用低，则选择单 U较经济；若地质以岩石为主，钻井困难，钻井费用昂贵，则选择双U为好，若布置地下换热器用地紧张，则双U也是一种选择。如某工程建筑负荷为2500KW,当地土壤主要以粘土为主，地埋管热响应测试的换热能力：单U为56W/M，双U为67W/M，竖直井深为100M,则采用单U形式的地下换热器，需要的井数为525口井，采用双U形式的地下换热器，需要的井数为436口井，一口单U井的钻井费为230元，其管材料费为200×7=1400 元，该工程单U型换热器造价为86.064万多元。一口双U井的钻井费为250元，其管材料费为400×7=2800元，该工程双U型换热器造价为132.98万多元；由于井数不等，总的换热器的水平管也不等，若流程布置相似，则水平管双U形式的换热器比单U 形式的换热器少1000M,则水平管的造价单U比双U要多10万元左右，因此，总体造价双U形式的地下换热器比单U形式的地下换热器贵36.9万元。

    若地质以岩石为主，同样100M井深，一口井需要十天才能钻好，其钻井费为5750元，则一口单U型的竖直井造价为7150 多元，一口双U型的竖直井造价为8550多元，而双U井的换热能力比单U井约增加15%左右，双U井的水平管造价要低于单U 井，所以这种地质条件下，选用双U井的造价要略低些。

    2.4 地下全年热平衡处理的影响

    土壤温度场在没有外界的巨大干扰下,温度基本是稳定的, 偶尔有相对较小的波动,但冷(热)迁移比较缓慢.当土壤源热泵采集浅层地能时,将会对浅层地下温度场造成很大的变化,为使地下温度场保持平衡,应该进行冷、热平衡计算:即夏季向地源排放的热量就等于冬季获取的热量,这样才能避免地下局部冷热岛现象。但由全年负荷计算可知，在北方夏季的负荷小于冬季负荷，在南方夏季的负荷大于冬季负荷，为降低土壤源热泵地下换热器的造价，南方夏季多出的负荷可以通过冷却水塔来转移，这样可以减少打井数目，

    2.5 换热器施工方法的影响

    整个竖直型土壤源热泵换热器由竖直井与水平联通管组成，为确保换热器使用的安全，施工时，水平联通管需埋在离地面2M以下，为了水平管的连接，竖直管的上端2M的PE管被切割，则一口单U井切割下的PE管为4M，若按上述工程井数为 528口，则切割下的管长总共为2112M,，浪费垂直管造价14784 元，若在U形制作时，从工厂定制98M，再融接2M废料管，这样可以降低一些造价。

    3.结论

    通过上述对地下换热器造价的技术因素的分析可知：精确的建筑物负荷计算设计，正确、规范的土壤试验井热响应，合理的地下换热器布置设计及施工方法，有利于降低土壤源热泵空调地下换热器造价。

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