許 霞 史健翔 張建忠

?

地源熱泵系統(tǒng)在綠建三星示范項(xiàng)目中的應(yīng)用實(shí)例

許 霞1史健翔1張建忠2

（1.江蘇極智建筑設(shè)計(jì)工程有限公司 南京 210009；2.南京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 南京 210018）

以揚(yáng)州某綠建三星示范項(xiàng)目為例，闡述了地源熱泵系統(tǒng)在綠建項(xiàng)目中的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，土壤熱平衡分析與熱平衡措施，為同類型項(xiàng)目提供一定參考。

綠色建筑；地埋管換熱器；土壤熱平衡

0 引言

當(dāng)前中國(guó)綠色建筑規(guī)模進(jìn)入了加速上漲的階段，項(xiàng)目總量共計(jì)3200多個(gè)，總面積達(dá)3.2億平方米，而2012年以后新增的綠色建筑面積占當(dāng)前總量的85%以上。綠色建筑在國(guó)內(nèi)的發(fā)展呈現(xiàn)一定的地域不平衡特征，總體而言，綠色建筑市場(chǎng)的大小除與各地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度存在正向關(guān)聯(lián)外，還與各地政府的綠色建筑政策執(zhí)行力度密切相關(guān)。江蘇是綠色建筑推進(jìn)力度最強(qiáng)的省市之一，截止2015年1月，住建部數(shù)據(jù)顯示江蘇省已獲綠標(biāo)認(rèn)證的項(xiàng)目數(shù)達(dá)500個(gè)，位居全國(guó)之首。

綠色建筑評(píng)價(jià)是對(duì)建筑全壽命期內(nèi)節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材、保護(hù)環(huán)境等性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)?！八墓?jié)一環(huán)?！盵1]為核心的評(píng)價(jià)指標(biāo)中，“節(jié)能與能源利用”所占的權(quán)重最大。建筑全年能耗中，供暖空調(diào)系統(tǒng)的能耗約占40%～50%，所以采暖與空調(diào)節(jié)能成為綠建設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)關(guān)注的重點(diǎn)。而地源熱泵系統(tǒng)作為可再生能源三選一，在國(guó)家相關(guān)政策支持、財(cái)政補(bǔ)貼等形式的引導(dǎo)下，技術(shù)已逐漸成熟完善，并被廣泛應(yīng)用于綠色建筑中。

1 工程概況

揚(yáng)州某綠建三星示范小區(qū)位于揚(yáng)州市新城西區(qū)，該項(xiàng)目占地面積約114596平方米，總建筑面積252625平方米；地上建筑積160434平方米，其中小高層住宅11棟，面積88573平方米，11層，建筑高度33.45m；多層住宅11棟，面積40989平方米，6層，建筑高度19.9m；聯(lián)排別墅16棟，面積25157平方米，3層，建筑高度12.1m；商業(yè)建筑面積3209平方米，其它輔助用房856平方米；地下建筑面積92191平方米，地下一層，為機(jī)動(dòng)車庫(kù)和設(shè)備用房。該項(xiàng)目實(shí)景圖片見圖1。

圖1 項(xiàng)目實(shí)景

該項(xiàng)目采用土壤源熱泵系統(tǒng)提供該區(qū)內(nèi)所有建筑的空調(diào)冷、熱負(fù)荷及24小時(shí)生活熱水負(fù)荷，其中小高層和多層住宅采用一個(gè)冷、熱源站集中供冷、供熱和提供生活熱水，聯(lián)排別墅每戶均采用獨(dú)立地埋和獨(dú)立機(jī)房系統(tǒng)提供各戶空調(diào)冷、熱水及24小時(shí)生活熱水；商業(yè)建筑設(shè)獨(dú)立冷熱源小機(jī)房，提供該建筑空調(diào)冷、熱水。室內(nèi)空調(diào)末端采用：風(fēng)機(jī)盤管+地板采暖+全熱回收新風(fēng)系統(tǒng)形式。

2 熱泵系統(tǒng)冷、熱負(fù)荷

空調(diào)負(fù)荷：使用空調(diào)負(fù)荷計(jì)算軟件將每棟樓每個(gè)空調(diào)房間負(fù)荷作了詳細(xì)計(jì)算。

生活熱水負(fù)荷：住宅系統(tǒng)集中生活熱水用水定額取80L/p·d[2]，1～4層為低區(qū)供水，用水人數(shù)為1414人；5層及以上為高區(qū)供水，用水人數(shù)為1700人；別墅獨(dú)立系統(tǒng)生活熱水用水定額取100L/p·d[2]，每戶為5人。

綜合以上計(jì)算結(jié)果列表1如下。

表1 熱泵系統(tǒng)冷、熱負(fù)荷

3 熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)該地塊的巖土體熱響應(yīng)測(cè)試報(bào)告，本項(xiàng)目所在場(chǎng)地地勢(shì)較平坦，15m以上為砂土層，15m以下為紅色礫（砂）巖，中間夾7～8m的青灰色砂巖（巖質(zhì)較軟），紅色礫（砂）巖為泥質(zhì)膠結(jié)，所含礫石硬度較高，礫石含量呈不規(guī)則變化，局部不含礫石呈純砂巖。這會(huì)導(dǎo)致鉆井難度經(jīng)常性無(wú)規(guī)律變化。試驗(yàn)巖土體初始平均溫度為18.2℃，與當(dāng)?shù)厝昶骄鶜鉁叵喈?dāng)，對(duì)冬季埋管取熱與夏季排熱都較有利。分析與計(jì)算巖土體綜合導(dǎo)熱系數(shù)為2.25W/（m·K），綜合地質(zhì)條件較適宜采用土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，分析計(jì)算該地塊地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考值：采用并聯(lián)雙U垂直埋管，埋管有效深度80米，鉆孔直徑φ135mm，地埋管換熱器循環(huán)水設(shè)計(jì)溫度夏季為35/30℃，冬季為5/10℃，設(shè)計(jì)單井換熱量參考指標(biāo)：夏季散熱量72W/m，冬季取熱量51W/m。

從經(jīng)濟(jì)性考慮，住宅和商業(yè)系統(tǒng)按總熱負(fù)荷設(shè)計(jì)埋管數(shù)量，根據(jù)工程情況，埋管分布在地下室底板下，管間距根據(jù)實(shí)際需要控制在4.5米～6米之間，要注意避讓樁基與承臺(tái)。由于該地塊鉆井?dāng)?shù)量較多，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)考慮0.9管群修正系數(shù)，取5%鉆井富裕量，計(jì)算本項(xiàng)目地埋管數(shù)量為：住宅集中系統(tǒng)埋管換熱延米數(shù)為127007米，鉆井?dāng)?shù)量為1590口；商業(yè)集中系統(tǒng)埋管換熱延米數(shù)為4080米，鉆井?dāng)?shù)量為51口。集中系統(tǒng)冬季空調(diào)熱負(fù)荷由地埋管換熱系統(tǒng)承擔(dān)，夏季采用地埋管換熱系統(tǒng)與冷卻塔共同排熱，冷卻塔還起到調(diào)節(jié)土壤熱平衡的作用。

別墅區(qū)各戶按該戶總冷負(fù)荷計(jì)算埋管數(shù)量，考慮0.9管群修正系數(shù)和5%鉆井富裕量[3]，計(jì)算各戶埋管數(shù)量分別為8～10口。

3.2 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目高層與多層住宅系統(tǒng)采用集中式冷、熱源空調(diào)系統(tǒng)形式，建一個(gè)獨(dú)立的地源熱泵機(jī)房，為小區(qū)內(nèi)高層與多層住戶提供統(tǒng)一的空調(diào)冷、熱水和24小時(shí)生活熱水。地源熱泵機(jī)房放置在地下一層，整個(gè)小區(qū)較中央位置，盡可能減短輸送管線長(zhǎng)度。地源熱泵系統(tǒng)原理如圖2所示。

1、2-全熱回收型地源熱泵機(jī)組，3-普通型地源熱泵機(jī)組，4-地源側(cè)循環(huán)水泵，5-空調(diào)側(cè)循環(huán)水泵，6-冷卻塔側(cè)循環(huán)水泵，7-熱媒水循環(huán)泵，8-低區(qū)生活熱水循環(huán)泵，9-高區(qū)生活熱水循環(huán)泵，10-全程綜合水處理器，11-全自動(dòng)電子水處理器，12-成套定壓補(bǔ)水裝置，13-定壓補(bǔ)水罐，14-膨脹罐，15-開式冷卻塔，16-高區(qū)貯熱水罐，17-低區(qū)貯熱水罐，18-空調(diào)側(cè)分水器，19-空調(diào)側(cè)集水器，20-地源側(cè)集水器，21-地源側(cè)分水器

（1）四臺(tái)全熱回收型螺桿式地源熱泵機(jī)組制取55/50℃熱媒水用于加熱生活熱水，（其中兩臺(tái)用于低區(qū)1～4層，兩臺(tái)用于高區(qū)5層及以上），回收的冷量可用于空調(diào)系統(tǒng)，當(dāng)停止加熱生活熱水時(shí)，可作為普通熱泵機(jī)組使用，與另外三臺(tái)普通螺桿式地源熱泵機(jī)組一并提供空調(diào)系統(tǒng)所需的冷、熱水。機(jī)組設(shè)計(jì)工況為，夏季：空調(diào)側(cè)供、回水溫度7/12℃，地源側(cè)供、回水溫度30/35℃；冬季：空調(diào)側(cè)供、回水溫度40/45℃，地源側(cè)供、回水溫度10/5℃。熱泵機(jī)組采用水路切換方式，依靠總水管上的閘閥進(jìn)行手動(dòng)切換，夏季工況：VA開，VB關(guān)；冬季工況：VA關(guān)，VB開。

（2）空調(diào)水系統(tǒng)采用熱泵機(jī)組定流量，末端變流量的一級(jí)泵系統(tǒng)。采用全程綜合水處理器保證系統(tǒng)管道內(nèi)水質(zhì)；采用定壓補(bǔ)水裝置保證每個(gè)閉式水路系統(tǒng)的定壓、補(bǔ)水、排氣，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

（3）地埋換熱系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況均分成三個(gè)獨(dú)立回路，與三臺(tái)普通地源熱泵機(jī)組對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)冬季土壤源取熱。一臺(tái)開式冷卻塔和一臺(tái)普通熱泵機(jī)組直接對(duì)應(yīng)連接，與地埋管換熱系統(tǒng)切換使用，實(shí)現(xiàn)夏季負(fù)荷高峰期時(shí)共同排熱，冷卻塔還起到調(diào)節(jié)土壤熱平衡的作用，保證地源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定高效運(yùn)行。

（4）空調(diào)側(cè)輸配管網(wǎng)根據(jù)各棟住宅所在位置和面積均分成三個(gè)獨(dú)立回路。由于整個(gè)熱泵系統(tǒng)較大，且負(fù)責(zé)的各棟用戶較分散，為保證整個(gè)輸送管網(wǎng)的水力平衡、熱量均衡，每個(gè)水平環(huán)路均采用同程，各樓棟空調(diào)水管立管同程，室內(nèi)空調(diào)水平管異程設(shè)計(jì)。

（5）室內(nèi)空調(diào)末端：夏季采用風(fēng)機(jī)盤管+全熱回收新風(fēng)系統(tǒng)形式，冬季采用地板輻射采暖+全熱回收新風(fēng)系統(tǒng)形式。每個(gè)風(fēng)機(jī)盤管設(shè)有電動(dòng)二通閥和溫度控制器（帶季節(jié)轉(zhuǎn)換的三速開關(guān)、溫?zé)崞鳎?，?shí)現(xiàn)空調(diào)末端水路變流量控制；地板輻射采暖總供水管上設(shè)電動(dòng)二通閥及溫控器，從每戶地暖集、分水器接出的各個(gè)采暖支路均帶熱電開關(guān)，能實(shí)現(xiàn)分室控制功能。

4 熱泵系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、控制與計(jì)量

本項(xiàng)目采用直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)，檢測(cè)并顯示整個(gè)熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制各設(shè)備運(yùn)行和工況轉(zhuǎn)換，對(duì)系統(tǒng)各部分能量自動(dòng)計(jì)量、顯示、儲(chǔ)存并遠(yuǎn)傳。

檢測(cè)并顯示空調(diào)側(cè)、地源側(cè)和冷卻塔側(cè)主供、回水管內(nèi)流體的溫度、壓力和流量參數(shù)。每臺(tái)熱泵機(jī)組的回水管上設(shè)電動(dòng)蝶閥，通過(guò)檢測(cè)空調(diào)側(cè)總回水溫度來(lái)判斷末端空調(diào)系統(tǒng)的冷熱負(fù)荷需求，從而控制熱泵機(jī)組投入運(yùn)行的臺(tái)數(shù)，并保證機(jī)組盡可能運(yùn)行在高效區(qū)域。水泵與熱泵機(jī)組一一對(duì)應(yīng)，連鎖控制，順序啟停，并能根據(jù)水流量多少自動(dòng)變頻節(jié)能運(yùn)行。監(jiān)測(cè)貯熱水罐內(nèi)的生活熱水溫度，保持水溫在50～55℃范圍，當(dāng)溫度低于45℃時(shí)，自動(dòng)開啟熱媒水循環(huán)泵和熱泵機(jī)組的熱回收功能，當(dāng)溫度高于55℃時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉熱泵機(jī)組和熱媒水循環(huán)泵。監(jiān)測(cè)生活熱水回水管網(wǎng)內(nèi)的水溫，當(dāng)溫度低于 40℃，開啟生活熱水循環(huán)水泵，保證生活熱水末端設(shè)備能打開即可來(lái)熱水。

整個(gè)熱泵系統(tǒng)內(nèi)需要補(bǔ)水的地方，如空調(diào)側(cè)，地源側(cè)、冷卻塔側(cè)及生活熱水側(cè)補(bǔ)水管上均安裝水表進(jìn)行補(bǔ)水量計(jì)量，以防系統(tǒng)“跑冒滴漏”而不被發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。

5 地壤熱平衡分析與熱平衡措施

當(dāng)?shù)芈窆軗Q熱器全年內(nèi)向土壤釋放的熱量與吸收的熱量不相等，如不采取優(yōu)化措施，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致土壤溫度持續(xù)上升或下降，從而引起系統(tǒng)效率的衰減，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，因此地源熱泵系統(tǒng)的熱平衡是能否成功的關(guān)鍵因素。

使用建筑逐時(shí)負(fù)荷模擬軟件對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬，并分析全年系統(tǒng)向地下逐時(shí)取排放熱量，并計(jì)算年累計(jì)取熱量、年累計(jì)排熱量、全年系統(tǒng)向地下取排熱量的差值，對(duì)土壤熱平衡問(wèn)題進(jìn)行定量分析。模擬分析結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 地源熱泵承擔(dān)建筑空調(diào)負(fù)荷

圖4 土壤換熱器取放熱量

從模擬分析結(jié)果可以看出，在純粹的地源熱泵系統(tǒng)中，系統(tǒng)冬夏季取排熱量相差大，存在較大的土壤熱失衡問(wèn)題。為解決該問(wèn)題，本項(xiàng)目中采用生活熱水，冷卻塔輔助供冷、設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)、土壤換熱器優(yōu)化分組、增大間距、施工質(zhì)量、系統(tǒng)運(yùn)行策略與后期運(yùn)行管理等措施。分析計(jì)算結(jié)果如圖5，圖6。

圖5 巖土側(cè)負(fù)荷不平衡率（帶生活熱水）

圖6 巖土側(cè)負(fù)荷不平衡率（帶生活熱水+冷卻塔）

一般認(rèn)為冬夏季累計(jì)取排熱量的不平衡率小于±10%，即可認(rèn)為全年土壤取排熱量達(dá)到平衡。本項(xiàng)目通過(guò)生活熱水及冷卻塔輔助運(yùn)行，冬夏季取排熱量不平衡率從55.36%降低到24.61%，最后降到-0.39%，解決了土壤熱平衡問(wèn)題，從而保證了系統(tǒng)的安全、持續(xù)、高效運(yùn)行。

6 地源熱泵系統(tǒng)在綠色建筑評(píng)價(jià)中作用

該項(xiàng)目已順利通過(guò)綠建三星示范項(xiàng)目評(píng)審，獲得綠建三星設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)，正籌備綠建三星運(yùn)行標(biāo)識(shí)申報(bào)。在進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)階段，評(píng)分情況如下表2所示。

表2 綠建三星評(píng)分表

地源熱泵機(jī)組能效優(yōu)于現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定以及現(xiàn)行有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)能效節(jié)能評(píng)價(jià)值的要求；地源熱泵作為可再生能源，在本項(xiàng)目中提供生活熱水和空調(diào)用能比例均達(dá)100%；前期合理、優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備配置，使系統(tǒng)能耗降低幅度達(dá)15%以上。以上地源熱泵系統(tǒng)體現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)在“節(jié)能與能源利用”評(píng)價(jià)指標(biāo)中起著關(guān)鍵作用。

7 項(xiàng)目投資及運(yùn)管費(fèi)用

該項(xiàng)目地源熱泵系統(tǒng)總投資額為8022萬(wàn)元，折算到實(shí)際空調(diào)面積，工程綜合造價(jià)約500元/平方米，其中包括160元/平方米地板采暖費(fèi)用。本項(xiàng)目作為江蘇省綠建三星住宅類示范項(xiàng)目，整個(gè)項(xiàng)目總投資額為145325萬(wàn)元，為實(shí)現(xiàn)綠色建筑而增加的初投資成本為3670萬(wàn)元。項(xiàng)目已獲得政府財(cái)政補(bǔ)貼350萬(wàn)元。

經(jīng)測(cè)算，系統(tǒng)全年運(yùn)管費(fèi)用約為480萬(wàn)元，實(shí)際收費(fèi)情況：空調(diào)費(fèi)用0.12元/平米·日，生活熱水費(fèi)用16元/噸。

8 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目現(xiàn)已建成并投入使用，地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行良好，各項(xiàng)參數(shù)符合技術(shù)要求，獲得了建設(shè)方和小區(qū)業(yè)主的好評(píng)。

[1] GB/T 50378-2014,綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2014.

[2] GB50015-2003,建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范（2009年版）[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[3] DGJ32/TJ89-2009,江蘇省地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程[S].南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,2010.

[4] 陸耀慶.實(shí)用供熱通風(fēng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008

[5] 成恒生,張翔,邵俊鵬,等.夏熱冬冷地區(qū)混合式地源熱泵系統(tǒng)控制策略[J].制冷與空調(diào),2014,14(12):127-131.

[6] 馬利英,劉澤勤.土壤源熱泵系統(tǒng)與冰蓄冷系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性分析—以邯鄲某小區(qū)為案例[J].制冷與空調(diào),2015,28(6):298-301.

[7] 莊迎春,謝康和.綠色建筑與地源熱泵系統(tǒng)[J].工業(yè)建筑,2004,(6):21-23.

[8] 王崢,孫大明.住宅中地源熱泵適用探討[C].國(guó)際智能、綠色建筑與建筑節(jié)能大會(huì),2009.

The Ground-source Heat Pump System Application of Green Building Three Stars Demonstration Project

Xu Xia1Shi Jianxiang1Zhang Jianzhong2

( 1.Jiangsu Wat Architectural Design Engineering, Ltd, Nanjing, 210009;2.Nanjing Architectural Design＆Research Institute Co., Ltd, Nanjing, 210018 )

Taking a green building three stars project in Yangzhou as an example, presents the application of the ground-source heat pump system in the green building. Highlights the design technique of the ground-source heat pump system, heat balance analysis of soil and heat balance measure, provides a reference for the similar project design.

green building; ground-source heat pump; heat balance of soil

1671-6612（2017）02-145-05

TU241.91

B

2015-12-17

作者（通訊作者）簡(jiǎn)介：許 霞（1977.10-），女，學(xué)士，高級(jí)工程師，E-mail：xux2005@163.com