浅析地源热泵系统在国家核与辐射安全监管技术研发基地的应用

郎大海

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摘要：摘要：地源热泵是一个比较宽泛的术语，它包含在工程项目建设中充分利用天然土壤、地下水作为冷热源系统。它基于地下浅层和深层土壤温度相对稳定的特点，仅依靠相对少量的动力驱动压缩机，通过地下埋地管道进行换热，利用夏末向地下输入热量，冬季从地下端吸收热量，从而实现制冷和制热系统的要求，在推动节能环保应用的背景下，地源热泵越来越受到同行业的认可。本文分析了地源热泵采暖制冷节能环保系统在国家核辐射安全监督技术研发基地的应用。确保了绿色建筑技术的设计与施工一体化，为夏热冬冷地区大力发展地源热泵技术提供了实践经验。

关键词：地源热泵；加热和冷却；节能环保；绿色建筑

前言

地源热泵系统是一种利用稳定的地下温度场在夏季和冬季制冷的新能源技术，

随着我国绿色节能建筑的大力推广，绿色建筑和节能建筑的理念已经渗透到生活的各个领域。同时，由于近年来国家对夏热冬冷地区提倡使用地源热泵的政策得到了进一步落实和加强，鼓励使用新能源提供冷热源的工程实例也越来越多。特别是埋地管地源热泵避免了水源热泵回灌的弊端，在政策倾斜和实际应用中具有明显优势。本文将对地源热泵在国家核辐射安全监督技术研究开发基地节能系统中的应用进行分析和探讨。

1. 项目介绍

为提高国家核与辐射安全监管能力，生态环境部（国家核安全局）在北京市房山区长阳镇建设了国家核与放射安全监管技术研发基地（以下简称“核基地”）。核基地建成后将设置法律法规标准、核安全审查核查、核应急与反恐、辐射监测、核安全监督、国际核监督技术交流六大功能于一体，有效提高现有核与辐射安全监督能力，完善核安全审查核查手段，促进安全监督技术研发，提高核辐射事故应急响应能力。基地包括实验车间和配套办公项目，占地218亩，规划建筑面积19万平方米，一期总建筑面积9.2957万平方米；共4栋单体建筑，其中1栋实验楼28784平方米，2栋实验楼22371平方米，其中3栋实验楼，4栋实验楼，综合商务楼38578平方米，设备中心3224平方米。采用地源热泵+冷水机组+燃气锅炉调峰的复合空调系统，满足建筑物夏季的冷量需求和冬季的热需求。为满足核基地建设生态环境部一号优质工程的需要，确保绿色建筑和智能建筑的需要，综合考虑地源热泵。我全权负责这项工作，包括在核基地使用地源热泵的背景和需求分析、可行性研究的技术论证、投资回报率的建模分析、核基地的社会价值等。

2.埋管式地源热泵在核基地的应用

2.1核基地整体冷热源方案选择

核基地的冷负荷和冷负荷如下：

1#实验楼：空调冷负荷1920KW，空调热负荷1400KW，加热器热负荷2250KW；2#实验楼和综合商务楼：空调冷负荷6300KW，空调热负荷6000KW；1#实验楼冬季值班采暖，不含。综上所述，地源热泵复合空调系统夏季最大冷负荷为8220KW，组合负荷面积约为88.43W/m2；冬季最大热负荷为9650KW，综合负荷面积约为104.3W/m2（注：按建筑面积92957平方米计算）

对于相对较大的公共建筑，使用单一的地源热泵空调系统来满足建筑的所有冷负荷需求，将大大增加系统的初始投资成本，同时对于地源热泵系统长期使用的地下温度场不平衡难以调节，因此，大型公共建筑项目更多地源热泵与传统空调系统（冷水机组+燃气锅炉）调峰复合系统相结合。

经过初步调查和方案比较论证，本项目采用地源热泵+冷水机组+燃气锅炉的复合系统。地源热泵系统在整个能源系统中的比例由可用的室外孔洞面积决定。埋管换热器系统夏季的冷负荷由冷却器+冷却塔来满足；冬季埋管换热系统采用真空燃气锅炉。现有可使用的室外孔洞面积有限，只能使用17000平方米的绿地来布置室外埋管换热器，孔洞率按0.85578埋管换交换器进行布置。

核基地末端供水系统采用分区供水方案，即供水系统分为冷（热）水制备和冷（热水）水输送。为了保持机组中的水流量不变，一级泵采用一机一泵的配置方式，二级泵根据各区域的不同压力损失设计为独立回路的分区供水系统。系统可以完全根据负荷需求改变泵的数量来调整二次回路中的循环水量，并通过降低系统的功耗来降低运行成本。

2.2埋管式地源热泵系统的综合方案考虑

目前，有两种基本配置形式：水平埋管和垂直埋管。水平埋管是在相对较浅的土壤中开挖沟渠并敷设，在沟渠中敷设水平管，然后进行填充的施工过程。水平埋管比垂直埋管占地面积大，效率低。

垂直埋管是在深层土壤中钻孔，将地下换热器（PE管）放入孔内，并将填充材料注入孔内的施工过程。

地下换热器的类型和结构选择应根据实际工程和给定的建筑场地条件最终确定。根据使用要求，核基地工程采用垂直埋管形式。

2.2.1换热参数确定：

如果根据长阳核安全基地的试验报告确定传热参数，则埋管换热器深度为100米，夏季延长仪表的参考排热量为55W/m，冬季延长仪表的基准排热量为35W/m。

2.2.2土壤换热器换热管长度设计：

而基础项目土壤换热器系统采用目前使用的双U型换热器，单土壤换热交换器孔深为100m。根据相关计算，土壤换热器数量的542,5%-10%，数量为578，换热器间距为55m。

2.2.3土壤换热器的管材及管件

室外埋地管道采用高密度聚乙烯（PE100）塑料管。耐压1.6MPa的立管、SDR11、PE100、D32塑料管、双U下管。室外水平管采用PE100塑料管，压缩1.0MPa，SDR17。

室外埋地管道为隐蔽工程，使用寿命超过50年。埋地管道管材和管件的选择与土壤源热泵系统的使用效果和寿命密切相关。

管道选择的质量决定了地源热泵的使用寿命长度，在选择管道时尽可能选择专用供应或专用管道。

埋地管道管底接头非常重要，使用特殊成品管底不仅有利于产品寿命，而且有利于降低管道阻力，使用特殊的成品管底，虽然增加了成本，但对系统的使用非常有益。图为特殊管底与非标准管底对比图。

垂直传热管和水平传热管的连接质量也非常关键。在管道中开孔的成本非常低，但难以确保质量，并且连接点处的熔化肿瘤增加了电阻。为了避免这种现象的发生，尽量使用特殊的四、六等。

两排孔之间水平连接的给水管和回水管采用一个管沟，不仅避免了管之间的热短路损耗，而且大大减少了管沟的开挖面积，降低了施工成本，缩短了工期。

防止换热孔内换热“短路”的措施。如果不采取措施，孔内PE管的形状会不规则，PE管之间会有很强的换热干扰，所以我们每隔3~4米安装一张管卡，PE管有一定的距离，并尽可能靠近换热孔的壁面，加强换热管的成型效果，减少PE管之间的热交换“短路”，管卡组装、安装必须牢固，经现场质量检验后，方可进行管道安装。

参考文献：

[1]GB 50366-2005，土壤源热泵系统工程技术规范

[2]DB11/938-2012，绿色建筑设计标准

[3]赵军，戴传山，地源热泵技术与建筑节能应用，中国建筑工业出版社，2007

[4]殷平，地源热泵在中国，现代空调，2010（8）

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