某星級會所能源系統節能方案設計及探索

上海城建置業發展有限公司 趙軍 張傳生 張海軍

0 引言

隨著國家綠色建筑的不斷推廣，如何做好建筑節能已越來越引起國內房產公司的重視，但真正意義上做到高節能要求的綠色建筑國內還處在起步階段，尤其能達到國家綠色三星設計標識要求的建筑屈指可數。對會所這種帶游泳池等綜合設施的商業性建筑，國內目前尚沒有一個其能源系統節能設計符合國家綠色三星設計要求。瑞仕華庭會所則整體按國家綠色三星設計要求進行設計，其能源系統節能設計目標又高于國家綠色三星設計要求。

1 設計內容

1.1 工程概況：

瑞仕華庭會所位于上海安亭，三層建筑，建筑面積5000m2,包含室內游泳池（350m2）、多功能運動場、健身房咖啡廳等多功能設施。

1.2 設計內容

該設計包括建筑物室內空調及新風、游泳池池水加熱、餐館和淋浴用生活熱水以及系統自動控制等內容。

2 系統冷/熱負荷

2.1 室內空調冷、熱負荷

1）室內設計參數（見表1）

表1 室內設計參數

游泳池水溫度：27±1℃

2）室內空調冷、熱負荷計算結果（見表2）

按照國家綠色三星設計要求，考慮了新風冷熱負荷，計算得出室內空調冷、熱負荷如表2所示。

表2 室內空調冷熱負荷 （kW）

2.2 游泳池加熱負荷

1）散熱量Qa

（1）水面蒸發損失熱量：Q1=258330kJ/h

（2）水表面傳導損失熱量,由于室內氣溫比池水溫度高，所以該項可忽略不計，即：Q2=0

（3）池底和池壁傳導損失的熱量：Q3=18842kJ/h

（4）管道和設備損失的熱量,按以上三項的20%計算,則：Q4=55435kJ/h

（5）開放時,總散熱量：

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

2）補充新水加熱所需熱量Qb

（按每天24小時補充新水5%、水的初溫5℃計算）

加熱功率為：

Qb=107466kJ/h=29.85kW

3）游泳池開放時所需的總加熱功率Qc

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

Qc=Qa+Qb-58kW=64.25kW。

2.3 淋浴熱水的負荷

熱水供應分為兩部分：

1）用于淋浴共32個龍頭，按《給排水設計規范》，提供溫度為40℃的熱水量為每個龍頭180L/h；則最大小時用水量為5.76m3/h；

2）SPA10間，按《給排水設計規范》，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℃，設置兩個6m3的保溫儲熱水箱，夏季采用空調熱回收系統產生熱水，冬季采用主機制熱。加熱功率為122kW。會所開放時先運行4h把水箱加熱。

2.4 會所總負荷

由以上分析可知：

1）冬季：會所所需的熱負荷由游泳池水加熱保溫負荷64.25kW、室內采暖負荷214.48kW、熱水負荷122kW組成，總負荷為400.73kW。

2）夏季：會所所需的冷負荷為室內空調負荷，計310.34kW；熱水負荷122kW，熱水系統由熱泵主機全熱回收裝置免費提供。

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

3 系統設計及設備選型

3.1 系統描述

該設計所包含的系統有地源熱泵機組、冷熱源系統、空調末端系統、游泳池加熱系統、泳池恒溫恒濕系統、淋浴熱水系統及太陽能系統等七個系統。

3.2 地源熱泵機組

1）地源熱泵機組的選型

熱泵機組的選型一般原則為：滿足系統的設計負荷；系統的初投資與運行費用小。該設計中選擇的水—水式熱泵機組為制冷、供暖及衛生熱水三位一體機熱泵機組，以及集空調、除濕和泳池加溫功能的三集一體機。一機多用，減少初投資與運行費用。

根據以上的冷、熱負荷計算可知：空調設計冷負荷為：310.34kW，設計熱負荷為：400.73kW。

（1）熱泵機組選用美國特靈產品：二臺型號為RTWD60HE的水源螺桿熱泵機組（一用一備），主機帶全熱回收裝置,10%～100%的無級能量控制，性能參數見表3。

（2）三集一體機選用香港易達型號為VeP-060-E的機型一臺，性能參數見表4。

表3 水源螺桿熱泵機組性能參數

表4 三集一體機性能參數

該三集一體機同特靈熱泵機組共用地下埋管系統，同時帶有熱回收功能，集空調、除濕、泳池加溫功能于一體，能確保泳池室內四季恒溫恒濕，并對泳池蒸發出的熱量和新風系統排出的熱量進行有效回收，大大增加了泳池的節能效果和舒適性。

2）熱泵機組的運行方案

熱泵機組的具體運行方案如下：

（1）夏季制冷工況：開啟型號為RTWD060HE熱泵機組和型號為VeP-060-E三集一體機作為建筑物空調的冷源，對建筑物進行制冷，同時開啟該臺熱泵機組熱回收裝置來制取生活熱水（免費），則兩臺機組的裝機制冷量為332.3kW（263kW+96.3kW），滿足設計要求。

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

（3）冬季供暖工況：開啟型號為RTWD060HE熱泵機組和型號為VeP-060-E三集一體機作為建筑供暖和泳池保溫的熱源，熱回收裝置制取衛生用熱。兩臺機組的裝機制熱量為385.9kW（259kW+126.9kW），小于設計負荷400.73kW，但衛生熱水系統有太陽能系統預熱，所以可以滿足設計要求。

（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

考慮加熱系統熱損為20%，加熱時間為48h，加熱功率為：

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

按以上運行方案，熱泵機組一機多用，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行費用。

3.3 冷熱源系統——地下垂直埋管熱交換系統

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，可節約用地面積，換熱性能好，可安裝在建筑物基礎、道路、綠地、廣場、操場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置埋管，見縫插針充分利用可利用的土地面積；同時，垂直U型管還具有管路接頭少、保溫能力強、不易泄露等優點。

2）管材的選取

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

3）管路設計

初步設計采用打井深度為81.5m（有效埋管深度80M）的埋管形式，具體根據現場情況來定。

根據計算，夏季系統向土壤的散熱量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。

根據在上海地區對單U（φ32×3.0）的熱響應實驗數據。夏季，在進/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/出地埋管溫度為5℃/10℃的工況下，垂直埋管換熱為42W/m(井深)。根據系統的設計熱負荷及以上數據，可計算得打井數量與埋管長度（見表5）。

表5 地源系統打井數量與埋管長度

根據以上計算及現場實際情況，考慮到地埋管的不可修復性，打井數量放大15%，所以共打井108口，打井深度為81.5m，有效埋管深度80m。

4）熱平衡計算

熱平衡計算結果見表6。

表6 熱平衡計算

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行調節。實際運行過程中如產生熱不平衡，將由太陽能熱水系統來調節。

5）地耦管配管

埋管設計是地源系統的關鍵，除了以上提到的負荷設計、熱平衡和熱屏障問題以外，陣列的合理布置、地埋系統的可操作性（包括調試方便、可檢測程度等）等是埋管設計的關鍵。

（1）陣列的合理布置

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

該設計中，地源井數量為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調節和控制，即設立一級陣列、二級陣列、三級陣列…；在每級陣列設立能源調節站，每級能源調節站主要由分/集水器、壓力檢測、流量檢測和排氣裝置組成。

該埋管共有6個子陣列，每個子陣列分別為18口井（2×9）。每口井進入子陣列分/集水器（井）。每2個子陣列即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房總分/集水器。

（2）地埋系統的可操作性

地埋系統原則上講是不可修復的。所以在設計時要合理考慮修復的可操作性，即地埋系統其中一口井出現損壞時，盡量做到關閉這口井時，不影響整個地埋系統的正常運行。在施工時，嚴格把控每一道施工程序，確保施工質量。

設立分級陣列是本案設計的關鍵。末端陣列和末端能源調節站控制到每一口井。

地耦管系統總流量等于熱泵主機的冷凍水流量，計算得出：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、管內流體流速等眾多因數。在管材、土壤特性、換熱面積確定的情況下，管內流體流速起決定作用。根據美國地源熱泵設計手冊以及我國“地源熱泵設計、施工及驗收規范”（草案）和長期從事地源熱泵施工的經驗，管內流體流速在0.3—0.8m/s系統換熱效果最佳。因此，0.31m/s的管內流體流速是一個合理值。

3.4 “太陽能+地源熱泵”熱水系統

1）太陽能、地源熱泵聯動的描述

為了更加充分地利用再生能源，提高節能水平，該設計中太陽能熱水系統與熱泵系統并聯使用，使用中優先使用太陽能，太陽能不足部分由地源熱泵系統自動補充供給。地源熱泵實際運行時，太陽能系統的使用給地下的熱量平衡增加了一個保障。

2）會所所在地太陽能資源

會所所在的上海地處北緯31°14′，東經121°29′，屬亞熱帶季風氣候，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）太陽能熱水系統集熱面積

集熱面積可根據用戶的每日用水量和用水溫度來確定，按式（1）計算：

表7 太陽能集熱器技術指標

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；按晴好天氣計算，f=1

JT——系統使用期內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———管路及儲水箱熱損失率，取0.15

計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保溫、高效等優點。所選的集熱器的規格見表7。

根據建筑現場情況，共布置90塊平板集熱器，35°朝南布置。

結論

瑞仕華庭會所建成后作為國內第一個按國家綠色三星設計要求建造的會所，由于其能源系統節能設計按照高標準節能要求進行,能耗模擬分析結果表明，會所的節能率將高達70%。每年節電超過40萬kWh，折合標煤160t，減少二氧化碳排放310t。因其熱負荷完全由地源熱泵和太陽能熱水器來提供，一機多用，不使用燃油或燃氣鍋爐，避免了燃油或燃氣鍋爐燃燒對小區環境的污染。基于會所的高節能和高舒適性等綠色建筑特點，該節能設計可以在全國的會所節能設計和建造中起到很好的參考和示范作用。

[1]《高效閉環地源熱泵系統設計和實施-美國能源部IUEP國際能效示范中國項目》 徐云生、Lee Peyton、王寬

[2]《地源熱泵系統優化設計-降低地源熱泵系統初投資的有效途徑》 張俊巧

[3]《節能型太陽能熱水系統的設計與研究》周程生、黃凱旋、李品芳

[4]《居住建筑太陽能熱水系統設計》 王士榮

[5]《采暖通風與空氣調節設計規范》 （GBJ-2003）

[6]《民用建筑節能設計標準 (采暖居住建筑部分)》 (JGJ26-95)

[7]《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》(JCJ134-2001)

[8]《民用建筑熱工設計規范》 （GB50176-93）