地源熱泵系統在綠建三星示范項目中的應用實例

許 霞 史健翔 張建忠

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地源熱泵系統在綠建三星示范項目中的應用實例

許 霞1史健翔1張建忠2

（1.江蘇極智建筑設計工程有限公司 南京 210009；2.南京市建筑設計研究院有限責任公司 南京 210018）

以揚州某綠建三星示范項目為例，闡述了地源熱泵系統在綠建項目中的應用，重點介紹了地源熱泵系統設計方法，土壤熱平衡分析與熱平衡措施，為同類型項目提供一定參考。

綠色建筑；地埋管換熱器；土壤熱平衡

0 引言

當前中國綠色建筑規模進入了加速上漲的階段，項目總量共計3200多個，總面積達3.2億平方米，而2012年以后新增的綠色建筑面積占當前總量的85%以上。綠色建筑在國內的發展呈現一定的地域不平衡特征，總體而言，綠色建筑市場的大小除與各地區的經濟發達程度存在正向關聯外，還與各地政府的綠色建筑政策執行力度密切相關。江蘇是綠色建筑推進力度最強的省市之一，截止2015年1月，住建部數據顯示江蘇省已獲綠標認證的項目數達500個，位居全國之首。

綠色建筑評價是對建筑全壽命期內節能、節地、節水、節材、保護環境等性能進行綜合評價。“四節一環保”[1]為核心的評價指標中，“節能與能源利用”所占的權重最大。建筑全年能耗中，供暖空調系統的能耗約占40%～50%，所以采暖與空調節能成為綠建設計評價關注的重點。而地源熱泵系統作為可再生能源三選一，在國家相關政策支持、財政補貼等形式的引導下，技術已逐漸成熟完善，并被廣泛應用于綠色建筑中。

1 工程概況

揚州某綠建三星示范小區位于揚州市新城西區，該項目占地面積約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；聯排別墅16棟，面積25157平方米，3層，建筑高度12.1m；商業建筑面積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，為機動車庫和設備用房。該項目實景圖片見圖1。

圖1 項目實景

該項目采用土壤源熱泵系統提供該區內所有建筑的空調冷、熱負荷及24小時生活熱水負荷，其中小高層和多層住宅采用一個冷、熱源站集中供冷、供熱和提供生活熱水，聯排別墅每戶均采用獨立地埋和獨立機房系統提供各戶空調冷、熱水及24小時生活熱水；商業建筑設獨立冷熱源小機房，提供該建筑空調冷、熱水。室內空調末端采用：風機盤管+地板采暖+全熱回收新風系統形式。

2 熱泵系統冷、熱負荷

空調負荷：使用空調負荷計算軟件將每棟樓每個空調房間負荷作了詳細計算。

生活熱水負荷：住宅系統集中生活熱水用水定額取80L/p·d[2]，1～4層為低區供水，用水人數為1414人；5層及以上為高區供水，用水人數為1700人；別墅獨立系統生活熱水用水定額取100L/p·d[2]，每戶為5人。

綜合以上計算結果列表1如下。

表1 熱泵系統冷、熱負荷

3 熱泵系統設計

3.1 地埋管換熱系統設計

根據該地塊的巖土體熱響應測試報告，本項目所在場地地勢較平坦，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（巖質較軟），紅色礫（砂）巖為泥質膠結，所含礫石硬度較高，礫石含量呈不規則變化，局部不含礫石呈純砂巖。這會導致鉆井難度經常性無規律變化。試驗巖土體初始平均溫度為18.2℃，與當地全年平均氣溫相當，對冬季埋管取熱與夏季排熱都較有利。分析與計算巖土體綜合導熱系數為2.25W/（m·K），綜合地質條件較適宜采用土壤源熱泵空調系統。

根據測試結果，分析計算該地塊地埋管換熱系統設計參考值：采用并聯雙U垂直埋管，埋管有效深度80米，鉆孔直徑φ135mm，地埋管換熱器循環水設計溫度夏季為35/30℃，冬季為5/10℃，設計單井換熱量參考指標：夏季散熱量72W/m，冬季取熱量51W/m。

從經濟性考慮，住宅和商業系統按總熱負荷設計埋管數量，根據工程情況，埋管分布在地下室底板下，管間距根據實際需要控制在4.5米～6米之間，要注意避讓樁基與承臺。由于該地塊鉆井數量較多，在設計計算時考慮0.9管群修正系數，取5%鉆井富裕量，計算本項目地埋管數量為：住宅集中系統埋管換熱延米數為127007米，鉆井數量為1590口；商業集中系統埋管換熱延米數為4080米，鉆井數量為51口。集中系統冬季空調熱負荷由地埋管換熱系統承擔，夏季采用地埋管換熱系統與冷卻塔共同排熱，冷卻塔還起到調節土壤熱平衡的作用。

別墅區各戶按該戶總冷負荷計算埋管數量，考慮0.9管群修正系數和5%鉆井富裕量[3]，計算各戶埋管數量分別為8～10口。

3.2 地源熱泵空調系統設計

本項目高層與多層住宅系統采用集中式冷、熱源空調系統形式，建一個獨立的地源熱泵機房，為小區內高層與多層住戶提供統一的空調冷、熱水和24小時生活熱水。地源熱泵機房放置在地下一層，整個小區較中央位置，盡可能減短輸送管線長度。地源熱泵系統原理如圖2所示。

1、2-全熱回收型地源熱泵機組，3-普通型地源熱泵機組，4-地源側循環水泵，5-空調側循環水泵，6-冷卻塔側循環水泵，7-熱媒水循環泵，8-低區生活熱水循環泵，9-高區生活熱水循環泵，10-全程綜合水處理器，11-全自動電子水處理器，12-成套定壓補水裝置，13-定壓補水罐，14-膨脹罐，15-開式冷卻塔，16-高區貯熱水罐，17-低區貯熱水罐，18-空調側分水器，19-空調側集水器，20-地源側集水器，21-地源側分水器

（1）四臺全熱回收型螺桿式地源熱泵機組制取55/50℃熱媒水用于加熱生活熱水，（其中兩臺用于低區1～4層，兩臺用于高區5層及以上），回收的冷量可用于空調系統，當停止加熱生活熱水時，可作為普通熱泵機組使用，與另外三臺普通螺桿式地源熱泵機組一并提供空調系統所需的冷、熱水。機組設計工況為，夏季：空調側供、回水溫度7/12℃，地源側供、回水溫度30/35℃；冬季：空調側供、回水溫度40/45℃，地源側供、回水溫度10/5℃。熱泵機組采用水路切換方式，依靠總水管上的閘閥進行手動切換，夏季工況：VA開，VB關；冬季工況：VA關，VB開。

（2）空調水系統采用熱泵機組定流量，末端變流量的一級泵系統。采用全程綜合水處理器保證系統管道內水質；采用定壓補水裝置保證每個閉式水路系統的定壓、補水、排氣，確保系統正常運行。

（3）地埋換熱系統根據現場實際情況均分成三個獨立回路，與三臺普通地源熱泵機組對應，實現冬季土壤源取熱。一臺開式冷卻塔和一臺普通熱泵機組直接對應連接，與地埋管換熱系統切換使用，實現夏季負荷高峰期時共同排熱，冷卻塔還起到調節土壤熱平衡的作用，保證地源熱泵系統長期穩定高效運行。

（4）空調側輸配管網根據各棟住宅所在位置和面積均分成三個獨立回路。由于整個熱泵系統較大，且負責的各棟用戶較分散，為保證整個輸送管網的水力平衡、熱量均衡，每個水平環路均采用同程，各樓棟空調水管立管同程，室內空調水平管異程設計。

（5）室內空調末端：夏季采用風機盤管+全熱回收新風系統形式，冬季采用地板輻射采暖+全熱回收新風系統形式。每個風機盤管設有電動二通閥和溫度控制器（帶季節轉換的三速開關、溫熱器），實現空調末端水路變流量控制；地板輻射采暖總供水管上設電動二通閥及溫控器，從每戶地暖集、分水器接出的各個采暖支路均帶熱電開關，能實現分室控制功能。

4 熱泵系統的監測、控制與計量

本項目采用直接數字控制（DDC）系統，檢測并顯示整個熱泵系統的運行參數和設備狀態，自動調節與控制各設備運行和工況轉換，對系統各部分能量自動計量、顯示、儲存并遠傳。

檢測并顯示空調側、地源側和冷卻塔側主供、回水管內流體的溫度、壓力和流量參數。每臺熱泵機組的回水管上設電動蝶閥，通過檢測空調側總回水溫度來判斷末端空調系統的冷熱負荷需求，從而控制熱泵機組投入運行的臺數，并保證機組盡可能運行在高效區域。水泵與熱泵機組一一對應，連鎖控制，順序啟停，并能根據水流量多少自動變頻節能運行。監測貯熱水罐內的生活熱水溫度，保持水溫在50～55℃范圍，當溫度低于45℃時，自動開啟熱媒水循環泵和熱泵機組的熱回收功能，當溫度高于55℃時，自動關閉熱泵機組和熱媒水循環泵。監測生活熱水回水管網內的水溫，當溫度低于 40℃，開啟生活熱水循環水泵，保證生活熱水末端設備能打開即可來熱水。

整個熱泵系統內需要補水的地方，如空調側，地源側、冷卻塔側及生活熱水側補水管上均安裝水表進行補水量計量，以防系統“跑冒滴漏”而不被發現，實現系統的節能運行。

5 地壤熱平衡分析與熱平衡措施

當地埋管換熱器全年內向土壤釋放的熱量與吸收的熱量不相等，如不采取優化措施，長期運行會導致土壤溫度持續上升或下降，從而引起系統效率的衰減，直接影響到整個系統運行的可靠性，因此地源熱泵系統的熱平衡是能否成功的關鍵因素。

使用建筑逐時負荷模擬軟件對本項目進行全年動態負荷模擬，并分析全年系統向地下逐時取排放熱量，并計算年累計取熱量、年累計排熱量、全年系統向地下取排熱量的差值，對土壤熱平衡問題進行定量分析。模擬分析結果見圖3、圖4。

圖3 地源熱泵承擔建筑空調負荷

圖4 土壤換熱器取放熱量

從模擬分析結果可以看出，在純粹的地源熱泵系統中，系統冬夏季取排熱量相差大，存在較大的土壤熱失衡問題。為解決該問題，本項目中采用生活熱水，冷卻塔輔助供冷、設置監控系統、土壤換熱器優化分組、增大間距、施工質量、系統運行策略與后期運行管理等措施。分析計算結果如圖5，圖6。

圖5 巖土側負荷不平衡率（帶生活熱水）

圖6 巖土側負荷不平衡率（帶生活熱水+冷卻塔）

一般認為冬夏季累計取排熱量的不平衡率小于±10%，即可認為全年土壤取排熱量達到平衡。本項目通過生活熱水及冷卻塔輔助運行，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題，從而保證了系統的安全、持續、高效運行。

6 地源熱泵系統在綠色建筑評價中作用

該項目已順利通過綠建三星示范項目評審，獲得綠建三星設計標識，正籌備綠建三星運行標識申報。在進行設計評價階段，評分情況如下表2所示。

表2 綠建三星評分表

地源熱泵機組能效優于現行國家標準的規定以及現行有關國家標準能效節能評價值的要求；地源熱泵作為可再生能源，在本項目中提供生活熱水和空調用能比例均達100%；前期合理、優化的系統設計和設備配置，使系統能耗降低幅度達15%以上。以上地源熱泵系統體現出來的優勢在“節能與能源利用”評價指標中起著關鍵作用。

7 項目投資及運管費用

該項目地源熱泵系統總投資額為8022萬元，折算到實際空調面積，工程綜合造價約500元/平方米，其中包括160元/平方米地板采暖費用。本項目作為江蘇省綠建三星住宅類示范項目，整個項目總投資額為145325萬元，為實現綠色建筑而增加的初投資成本為3670萬元。項目已獲得政府財政補貼350萬元。

經測算，系統全年運管費用約為480萬元，實際收費情況：空調費用0.12元/平米·日，生活熱水費用16元/噸。

8 結語

該項目現已建成并投入使用，地源熱泵系統運行良好，各項參數符合技術要求，獲得了建設方和小區業主的好評。

[1] GB/T 50378-2014,綠色建筑評價標準[S].北京:中國建筑工業出版社,2014.

[2] GB50015-2003,建筑給水排水設計規范（2009年版）[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.

[3] DGJ32/TJ89-2009,江蘇省地源熱泵系統工程技術規程[S].南京:江蘇科學技術出版社,2010.

[4] 陸耀慶.實用供熱通風設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2008

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

[6] 馬利英,劉澤勤.土壤源熱泵系統與冰蓄冷系統聯合運行的經濟性分析—以邯鄲某小區為案例[J].制冷與空調,2015,28(6):298-301.

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

[8] 王崢,孫大明.住宅中地源熱泵適用探討[C].國際智能、綠色建筑與建筑節能大會,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）簡介：許 霞（1977.10-），女，學士，高級工程師，E-mail：xux2005@163.com