上海城建置業(yè)發(fā)展有限公司 趙軍 張傳生 張海軍

0 引言

隨著國家綠色建筑的不斷推廣，如何做好建筑節(jié)能已越來越引起國內(nèi)房產(chǎn)公司的重視，但真正意義上做到高節(jié)能要求的綠色建筑國內(nèi)還處在起步階段，尤其能達(dá)到國家綠色三星設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)要求的建筑屈指可數(shù)。對(duì)會(huì)所這種帶游泳池等綜合設(shè)施的商業(yè)性建筑，國內(nèi)目前尚沒有一個(gè)其能源系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)符合國家綠色三星設(shè)計(jì)要求。瑞仕華庭會(huì)所則整體按國家綠色三星設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，其能源系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)目標(biāo)又高于國家綠色三星設(shè)計(jì)要求。

1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

1.1 工程概況：

瑞仕華庭會(huì)所位于上海安亭，三層建筑，建筑面積5000m2,包含室內(nèi)游泳池（350m2）、多功能運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、健身房咖啡廳等多功能設(shè)施。

1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

該設(shè)計(jì)包括建筑物室內(nèi)空調(diào)及新風(fēng)、游泳池池水加熱、餐館和淋浴用生活熱水以及系統(tǒng)自動(dòng)控制等內(nèi)容。

2 系統(tǒng)冷/熱負(fù)荷

2.1 室內(nèi)空調(diào)冷、熱負(fù)荷

1）室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)（見表1）

表1 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

游泳池水溫度：27±1℃

2）室內(nèi)空調(diào)冷、熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果（見表2）

按照國家綠色三星設(shè)計(jì)要求，考慮了新風(fēng)冷熱負(fù)荷，計(jì)算得出室內(nèi)空調(diào)冷、熱負(fù)荷如表2所示。

表2 室內(nèi)空調(diào)冷熱負(fù)荷 （kW）

2.2 游泳池加熱負(fù)荷

1）散熱量Qa

（1）水面蒸發(fā)損失熱量：Q1=258330kJ/h

（2）水表面?zhèn)鲗?dǎo)損失熱量,由于室內(nèi)氣溫比池水溫度高，所以該項(xiàng)可忽略不計(jì)，即：Q2=0

（3）池底和池壁傳導(dǎo)損失的熱量：Q3=18842kJ/h

（4）管道和設(shè)備損失的熱量,按以上三項(xiàng)的20%計(jì)算,則：Q4=55435kJ/h

（5）開放時(shí),總散熱量：

Qa=Q1+Q2+Q3+Q4=332607kJ/h=92.4kW

2）補(bǔ)充新水加熱所需熱量Qb

（按每天24小時(shí)補(bǔ)充新水5%、水的初溫5℃計(jì)算）

加熱功率為：

Qb=107466kJ/h=29.85kW

3）游泳池開放時(shí)所需的總加熱功率Qc

游泳池不開放時(shí)，用薄膜覆蓋池面，可以大量減少水面蒸發(fā)損失。采用三集一體機(jī)回收了80%的水面蒸發(fā)損失熱量，即58kW。所以，泳池開放時(shí)所需的總加熱功率為：

Qc=Qa+Qb-58kW=64.25kW。

2.3 淋浴熱水的負(fù)荷

熱水供應(yīng)分為兩部分：

1）用于淋浴共32個(gè)龍頭，按《給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，提供溫度為40℃的熱水量為每個(gè)龍頭180L/h；則最大小時(shí)用水量為5.76m3/h；

2）SPA10間，按《給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，每天提供溫度為55±2℃的熱水量為400L/間，則每天最大用水量為4m3。

初始水溫為5℃，設(shè)置兩個(gè)6m3的保溫儲(chǔ)熱水箱，夏季采用空調(diào)熱回收系統(tǒng)產(chǎn)生熱水，冬季采用主機(jī)制熱。加熱功率為122kW。會(huì)所開放時(shí)先運(yùn)行4h把水箱加熱。

2.4 會(huì)所總負(fù)荷

由以上分析可知：

1）冬季：會(huì)所所需的熱負(fù)荷由游泳池水加熱保溫負(fù)荷64.25kW、室內(nèi)采暖負(fù)荷214.48kW、熱水負(fù)荷122kW組成，總負(fù)荷為400.73kW。

2）夏季：會(huì)所所需的冷負(fù)荷為室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷，計(jì)310.34kW；熱水負(fù)荷122kW，熱水系統(tǒng)由熱泵主機(jī)全熱回收裝置免費(fèi)提供。

3）春秋季：會(huì)所所需的熱負(fù)荷由游泳池水加熱保溫負(fù)荷64.25kW、游泳池大廳供暖67kW和淋浴熱水負(fù)荷122kW組成，總負(fù)荷為253.25kW。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型

3.1 系統(tǒng)描述

該設(shè)計(jì)所包含的系統(tǒng)有地源熱泵機(jī)組、冷熱源系統(tǒng)、空調(diào)末端系統(tǒng)、游泳池加熱系統(tǒng)、泳池恒溫恒濕系統(tǒng)、淋浴熱水系統(tǒng)及太陽能系統(tǒng)等七個(gè)系統(tǒng)。

3.2 地源熱泵機(jī)組

1）地源熱泵機(jī)組的選型

熱泵機(jī)組的選型一般原則為：滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)負(fù)荷；系統(tǒng)的初投資與運(yùn)行費(fèi)用小。該設(shè)計(jì)中選擇的水—水式熱泵機(jī)組為制冷、供暖及衛(wèi)生熱水三位一體機(jī)熱泵機(jī)組，以及集空調(diào)、除濕和泳池加溫功能的三集一體機(jī)。一機(jī)多用，減少初投資與運(yùn)行費(fèi)用。

根據(jù)以上的冷、熱負(fù)荷計(jì)算可知：空調(diào)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為：310.34kW，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為：400.73kW。

（1）熱泵機(jī)組選用美國特靈產(chǎn)品：二臺(tái)型號(hào)為RTWD60HE的水源螺桿熱泵機(jī)組（一用一備），主機(jī)帶全熱回收裝置,10%～100%的無級(jí)能量控制，性能參數(shù)見表3。

（2）三集一體機(jī)選用香港易達(dá)型號(hào)為VeP-060-E的機(jī)型一臺(tái)，性能參數(shù)見表4。

表3 水源螺桿熱泵機(jī)組性能參數(shù)

表4 三集一體機(jī)性能參數(shù)

該三集一體機(jī)同特靈熱泵機(jī)組共用地下埋管系統(tǒng)，同時(shí)帶有熱回收功能，集空調(diào)、除濕、泳池加溫功能于一體，能確保泳池室內(nèi)四季恒溫恒濕，并對(duì)泳池蒸發(fā)出的熱量和新風(fēng)系統(tǒng)排出的熱量進(jìn)行有效回收，大大增加了泳池的節(jié)能效果和舒適性。

2）熱泵機(jī)組的運(yùn)行方案

熱泵機(jī)組的具體運(yùn)行方案如下：

（1）夏季制冷工況：開啟型號(hào)為RTWD060HE熱泵機(jī)組和型號(hào)為VeP-060-E三集一體機(jī)作為建筑物空調(diào)的冷源，對(duì)建筑物進(jìn)行制冷，同時(shí)開啟該臺(tái)熱泵機(jī)組熱回收裝置來制取生活熱水（免費(fèi)），則兩臺(tái)機(jī)組的裝機(jī)制冷量為332.3kW（263kW+96.3kW），滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）春秋季：此時(shí)建筑只有泳池大廳需要供暖，開啟型號(hào)為VeP-060-E三集一體機(jī)提供泳池大廳采暖和泳池保溫，由型號(hào)為RTWD060HE熱泵機(jī)組熱回收裝置制取衛(wèi)生熱水。

（3）冬季供暖工況：開啟型號(hào)為RTWD060HE熱泵機(jī)組和型號(hào)為VeP-060-E三集一體機(jī)作為建筑供暖和泳池保溫的熱源，熱回收裝置制取衛(wèi)生用熱。兩臺(tái)機(jī)組的裝機(jī)制熱量為385.9kW（259kW+126.9kW），小于設(shè)計(jì)負(fù)荷400.73kW，但衛(wèi)生熱水系統(tǒng)有太陽能系統(tǒng)預(yù)熱，所以可以滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）泳池初始加溫：將560m3水從5℃加熱27℃所需熱量為：

Qd=mc△t=560×4.187×1000×(27-5)=51583840kJ

考慮加熱系統(tǒng)熱損為20%，加熱時(shí)間為48h，加熱功率為：

Qd'=51583840/（1-0.2）/48=1343329kJ/h=373kW

按以上運(yùn)行方案，熱泵機(jī)組一機(jī)多用，靈活多變的組合既能夠滿足不同工況的需求，又最大限度地減少了運(yùn)行費(fèi)用。

3.3 冷熱源系統(tǒng)——地下垂直埋管熱交換系統(tǒng)

1）埋管形式

地源熱泵的地下埋管形式有豎直埋管和水平埋管兩種形式，本工程中，采用豎直埋管中的單U（φ32×3.0）型管。采用制作成型的單U型管，可節(jié)約用地面積，換熱性能好，可安裝在建筑物基礎(chǔ)、道路、綠地、廣場(chǎng)、操場(chǎng)等地下而不影響上部的使用功能，甚至可在建筑物樁基中設(shè)置埋管，見縫插針充分利用可利用的土地面積；同時(shí)，垂直U型管還具有管路接頭少、保溫能力強(qiáng)、不易泄露等優(yōu)點(diǎn)。

2）管材的選取

由于工程的所有埋管均在建筑物基礎(chǔ)下面，一旦將埋管埋入，就不可能進(jìn)行維修或更換，這就要求保證埋管的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定并且耐腐蝕。根據(jù)地源熱泵施工規(guī)范要求選擇高密度聚乙烯PE100管。額定保溫能力為1.6MPa，導(dǎo)熱系數(shù)0.42W/(m·K)。

3）管路設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)采用打井深度為81.5m（有效埋管深度80M）的埋管形式，具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況來定。

根據(jù)計(jì)算，夏季系統(tǒng)向土壤的散熱量Qe為369.68kW；

冬季和春秋季從土壤熱源中吸取的熱量Qf為312.76kW。

根據(jù)在上海地區(qū)對(duì)單U（φ32×3.0）的熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。夏季，在進(jìn)/出地埋管溫度為35℃/30℃的工況下，垂直埋管換熱為56W/m(井深)；冬季，在進(jìn)/出地埋管溫度為5℃/10℃的工況下，垂直埋管換熱為42W/m(井深)。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷及以上數(shù)據(jù)，可計(jì)算得打井?dāng)?shù)量與埋管長度（見表5）。

表5 地源系統(tǒng)打井?dāng)?shù)量與埋管長度

根據(jù)以上計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，考慮到地埋管的不可修復(fù)性，打井?dāng)?shù)量放大15%，所以共打井108口，打井深度為81.5m，有效埋管深度80m。

4）熱平衡計(jì)算

熱平衡計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 熱平衡計(jì)算

由表6可以看出，向土壤排放的熱量跟從土壤吸收的熱量基本平衡，差值部分完全可以由土壤自身進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)際運(yùn)行過程中如產(chǎn)生熱不平衡，將由太陽能熱水系統(tǒng)來調(diào)節(jié)。

5）地耦管配管

埋管設(shè)計(jì)是地源系統(tǒng)的關(guān)鍵，除了以上提到的負(fù)荷設(shè)計(jì)、熱平衡和熱屏障問題以外，陣列的合理布置、地埋系統(tǒng)的可操作性（包括調(diào)試方便、可檢測(cè)程度等）等是埋管設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

（1）陣列的合理布置

一般情況下，各個(gè)地源井之間都為并聯(lián)。在布置陣列時(shí)，每口井要考慮到水力平衡，即保證每口井通過的流量一致，使整個(gè)地埋系統(tǒng)發(fā)揮最大效率。

該設(shè)計(jì)中，地源井?dāng)?shù)量為108口，并列布置在建筑的樁基間。這樣大的陣列布置必須考慮分級(jí)調(diào)節(jié)和控制，即設(shè)立一級(jí)陣列、二級(jí)陣列、三級(jí)陣列…；在每級(jí)陣列設(shè)立能源調(diào)節(jié)站，每級(jí)能源調(diào)節(jié)站主要由分/集水器、壓力檢測(cè)、流量檢測(cè)和排氣裝置組成。

該埋管共有6個(gè)子陣列，每個(gè)子陣列分別為18口井（2×9）。每口井進(jìn)入子陣列分/集水器（井）。每2個(gè)子陣列即2組18口井（2×9）分/集水器（井）的支管采用變徑的方式匯入機(jī)房總分/集水器。

（2）地埋系統(tǒng)的可操作性

地埋系統(tǒng)原則上講是不可修復(fù)的。所以在設(shè)計(jì)時(shí)要合理考慮修復(fù)的可操作性，即地埋系統(tǒng)其中一口井出現(xiàn)損壞時(shí)，盡量做到關(guān)閉這口井時(shí)，不影響整個(gè)地埋系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在施工時(shí)，嚴(yán)格把控每一道施工程序，確保施工質(zhì)量。

設(shè)立分級(jí)陣列是本案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。末端陣列和末端能源調(diào)節(jié)站控制到每一口井。

地耦管系統(tǒng)總流量等于熱泵主機(jī)的冷凍水流量，計(jì)算得出：總流量M為17.66kg/s，即63.58m3/h，每口井流量Q為0.589m3/h（63.58m3/h/108口），管內(nèi)流體流速V為0.31m/s。

地耦管與土壤的換熱效果取決于管材、土壤特性、換熱面積、管內(nèi)流體流速等眾多因數(shù)。在管材、土壤特性、換熱面積確定的情況下，管內(nèi)流體流速起決定作用。根據(jù)美國地源熱泵設(shè)計(jì)手冊(cè)以及我國“地源熱泵設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)范”（草案）和長期從事地源熱泵施工的經(jīng)驗(yàn)，管內(nèi)流體流速在0.3—0.8m/s系統(tǒng)換熱效果最佳。因此，0.31m/s的管內(nèi)流體流速是一個(gè)合理值。

3.4 “太陽能+地源熱泵”熱水系統(tǒng)

1）太陽能、地源熱泵聯(lián)動(dòng)的描述

為了更加充分地利用再生能源，提高節(jié)能水平，該設(shè)計(jì)中太陽能熱水系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)并聯(lián)使用，使用中優(yōu)先使用太陽能，太陽能不足部分由地源熱泵系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)充供給。地源熱泵實(shí)際運(yùn)行時(shí)，太陽能系統(tǒng)的使用給地下的熱量平衡增加了一個(gè)保障。

2）會(huì)所所在地太陽能資源

會(huì)所所在的上海地處北緯31°14′，東經(jīng)121°29′，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和濕潤，四季分明，日照充足。冬夏較長，春秋較短，全年平均氣溫為15.7℃，年無霜期300天左右。全年日照時(shí)間為1400-2200h，太陽年輻射總量在419—502萬kJ/m2a，具有豐富的太陽能資源。

3）太陽能熱水系統(tǒng)集熱面積

集熱面積可根據(jù)用戶的每日用水量和用水溫度來確定，按式（1）計(jì)算：

表7 太陽能集熱器技術(shù)指標(biāo)

式中：Ac——集熱面積,m2；

Qw——每天所需熱量，Qw=122＊3600＊4=1756.8MJ

f——太陽能保證率,無因次；按晴好天氣計(jì)算，f=1

JT——系統(tǒng)使用期內(nèi)春秋季晴天平均太陽能輻射量，21.3MJ/m2·d

ηcd——集熱器全日集熱效率，取0.55

ηL———管路及儲(chǔ)水箱熱損失率，取0.15

計(jì)算得到所需集熱面積Ac為177m2。

選用平板太陽能集熱器，平板太陽能集熱器具有系統(tǒng)保溫、高效等優(yōu)點(diǎn)。所選的集熱器的規(guī)格見表7。

根據(jù)建筑現(xiàn)場(chǎng)情況，共布置90塊平板集熱器，35°朝南布置。

結(jié)論

瑞仕華庭會(huì)所建成后作為國內(nèi)第一個(gè)按國家綠色三星設(shè)計(jì)要求建造的會(huì)所，由于其能源系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)按照高標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能要求進(jìn)行,能耗模擬分析結(jié)果表明，會(huì)所的節(jié)能率將高達(dá)70%。每年節(jié)電超過40萬kWh，折合標(biāo)煤160t，減少二氧化碳排放310t。因其熱負(fù)荷完全由地源熱泵和太陽能熱水器來提供，一機(jī)多用，不使用燃油或燃?xì)忮仩t，避免了燃油或燃?xì)忮仩t燃燒對(duì)小區(qū)環(huán)境的污染?；跁?huì)所的高節(jié)能和高舒適性等綠色建筑特點(diǎn)，該節(jié)能設(shè)計(jì)可以在全國的會(huì)所節(jié)能設(shè)計(jì)和建造中起到很好的參考和示范作用。

[1]《高效閉環(huán)地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施-美國能源部IUEP國際能效示范中國項(xiàng)目》 徐云生、Lee Peyton、王寬

[2]《地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)-降低地源熱泵系統(tǒng)初投資的有效途徑》 張俊巧

[3]《節(jié)能型太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究》周程生、黃凱旋、李品芳

[4]《居住建筑太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 王士榮

[5]《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》 （GBJ-2003）

[6]《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) (采暖居住建筑部分)》 (JGJ26-95)

[7]《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JCJ134-2001)

[8]《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》 （GB50176-93）