武漢地區(qū)某綜合樓地源熱泵設(shè)計(jì)

尹奎超 姜紅 李京沙 宋孝春 韋航

中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

1 概況

本項(xiàng)目為武漢航發(fā)金融創(chuàng)新基地項(xiàng)目。位于武漢市盤龍城經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)宋家崗西路以東、景云路以南。占地面積53672 m2，總建筑面積15.3萬m2（其中地上94290 m2，地下58650 m2），由出租辦公（A樓）（46600 m2）、自用辦公（B樓）（20618 m2）、高端商務(wù)型酒店（C樓）（252000 m2，228自然間客房）組成。地下2層，A樓辦公樓地上9層、B樓辦公樓地上7層、C樓酒店地上10層。底層標(biāo)高為-10.00 m，A樓辦公高41.00 m，B樓辦公樓高32.1 m，C樓酒店高46 m。

本建筑按綠色三星設(shè)計(jì)。根據(jù)業(yè)主運(yùn)營(yíng)管理要求，出租辦公樓，自用辦公樓及酒店應(yīng)能滿足獨(dú)立運(yùn)行要求?？紤]到出租辦公樓的靈活管理的需求，采用變頻式分體多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)。自用辦公、酒店采用中央空調(diào)系統(tǒng)，冷熱源均采用地源熱泵機(jī)組，冷熱站分別在各自地下設(shè)置。故以下分析不包含出租辦公樓。

2 負(fù)荷計(jì)算

地源熱泵系統(tǒng)雖然是一種節(jié)能、綠色的空調(diào)形式，但其初投資較高[1]。應(yīng)進(jìn)行全年負(fù)荷計(jì)算并進(jìn)行熱平衡分析后，選用合理的冷源系統(tǒng)方案。根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50736-2012選取武漢地區(qū)室外參數(shù)，并選擇合理的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行全年負(fù)荷計(jì)算，結(jié)果如圖1～2及表1。

圖1 酒店全年負(fù)荷曲線

圖2 自用辦公全年負(fù)荷曲線

表1 負(fù)荷計(jì)算表

3 熱平衡計(jì)算及分析

3.1 熱平衡計(jì)算

僅從負(fù)荷無法分析系統(tǒng)的熱平衡狀況，需計(jì)算地埋管冬季從土壤中吸收的熱量和夏季向土壤放熱的關(guān)系。

夏季向土壤放熱量：

冬季從土壤吸熱量：

式中：Q放為夏季空調(diào)冷負(fù)荷；EER冷為夏季熱泵機(jī)組的能效比，本項(xiàng)目取6.0；Q輸送為循環(huán)水在輸送過程中得到的熱量（夏季）或失去的熱量（冬季）；Q水泵為水泵釋放熱量；Q熱為冬季空調(diào)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷；COP熱冬季熱泵機(jī)組的能效比，本項(xiàng)目取4.8。

3.2 工況分析

為了最大限度節(jié)約能源，過渡季節(jié)可不開啟空調(diào)用地源熱泵機(jī)組（生活熱水用熱泵開啟），僅開啟機(jī)械通風(fēng)。地源熱泵機(jī)組使用工況如下：夏季工況，每年5月1日-9月30日為制冷季。冬季工況，每年12月1日-2月28日為制熱季。辦公空調(diào)使用時(shí)間為上午8點(diǎn)至下午6點(diǎn)，酒店空調(diào)使用時(shí)間為0點(diǎn)至24點(diǎn)。根據(jù)上述運(yùn)行工況及全年負(fù)荷計(jì)算可得知，酒店制冷季耗冷量為2393629 kWh，制熱季耗熱量為1380693 kWh。自用辦公制冷季耗冷量為2615723 kWh，制熱季耗熱量為805763 kWh。自用辦公沒有生活熱水需求，故自用辦公自身很難達(dá)到平衡。生活熱水使用情況是有變化的，酒店運(yùn)營(yíng)好客源多則生活熱水使用多，從土壤中吸收熱量多，反之生活熱水使用少，從土壤中吸收熱量少。文中生活熱水按一天使用7小時(shí)和12小時(shí)的情況分別考慮。按不用運(yùn)行工況進(jìn)行土壤熱平衡分析。

3.2.1 工況一

酒店及自用辦公均向土壤吸、放熱量，僅考慮生活熱水平均使用時(shí)長(zhǎng)的變化。根據(jù)式（1）（2）可計(jì)算出地源熱泵系統(tǒng)一年內(nèi)夏季向土壤的放熱量和冬季從土壤的吸熱量。結(jié)果如表2、表3，其中表2為生活熱水平均每天使用7小時(shí)工況。表3為生活熱水平均每天使用12小時(shí)工況。

表2 熱平衡計(jì)算表（7小時(shí)）

表3 熱平衡計(jì)算表（12小時(shí)）

通過表2、3可計(jì)算出冬、夏季向土壤吸放熱的不平衡率為52.0%（生活熱水使用7小時(shí)工況）、38.9%（生活熱水使用12小時(shí)工況）。

3.2.2 工況二

因?yàn)橄募痉艧崃窟h(yuǎn)大于冬季吸熱量，應(yīng)采取減少放熱量的措施。夏季自用辦公不向土壤排熱，采取其他排熱措施，生活熱水按平均使用7小時(shí)，計(jì)算結(jié)果如表4：

表4 熱平衡計(jì)算表（自用辦公不放熱，生活熱水7小時(shí)）

這種情況吸熱量稍大于放熱量，不平衡率為0.37%，不平衡率較低，可認(rèn)為達(dá)到平衡。

3.2.3 不同運(yùn)行工況下熱平衡分析

《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.3.4條4款中條文解釋根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，當(dāng)?shù)卦礋岜孟到y(tǒng)冬、夏季向土壤放、吸熱比值在0.8～1.25之間。

工況一：當(dāng)酒店與自用辦公常年均向土壤吸、放熱量時(shí)，土壤存在較大的熱不平衡率，且與使用生活熱水時(shí)長(zhǎng)有關(guān)，生活熱水使用時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)吸熱量約接近于排熱量，土壤約接近于熱平衡，反之土壤熱不平衡率越來越大。如系統(tǒng)在該工況下長(zhǎng)期運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致夏季向土壤放熱量大于冬季從土壤吸熱量，并逐年增加導(dǎo)致土壤熱堆積，地源側(cè)出水溫度會(huì)逐年升高，此時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)措施改善土壤溫度。

工況二：當(dāng)自用辦公夏季不向土壤放熱而采取其他排熱手段時(shí)，由計(jì)算可知土壤可基本達(dá)到熱平衡，但該工況受生活熱水使用時(shí)長(zhǎng)制約，如按設(shè)計(jì)工況，該系統(tǒng)可長(zhǎng)期運(yùn)行。

4 負(fù)荷側(cè)設(shè)計(jì)

4.1 自用辦公

自用辦公夏季冷負(fù)荷為2600 kW，冬季熱負(fù)荷為1315 kW。設(shè)置兩臺(tái)地源熱泵冷熱水機(jī)組，單臺(tái)熱泵機(jī)組制冷量為1367 kW，制熱量為1344 kW。

夏季空調(diào)冷凍水供回水溫度為7/12 ℃，夏季地源側(cè)供回水溫度為25/30 ℃。冬季空調(diào)熱水供回水溫度為45/40 ℃，冬季地源側(cè)供回水溫度為10/5 ℃。冷凍水泵變流量運(yùn)行，地源水泵變流量運(yùn)行，空調(diào)冷熱水系統(tǒng)采用密閉隔膜式膨脹水管定壓方式，地源側(cè)水系統(tǒng)采用膨脹水箱定壓方式。

根據(jù)前述分析，自用辦公自身很難達(dá)到土壤熱平衡，為了調(diào)節(jié)這種不平衡，保證土壤溫度的恒定，自用辦公另設(shè)置兩臺(tái)冷卻塔用于夏季排除建筑內(nèi)熱量。

4.2 酒店

酒店夏季冷負(fù)荷為2927 kW，冬季熱負(fù)荷為2046 kW，全年生活熱水預(yù)熱負(fù)荷為530 kW。設(shè)置三臺(tái)地源熱泵冷熱水機(jī)組（1LR-1～3），單臺(tái)熱泵機(jī)組制冷量為1077 kW，制熱量為1027 kW。其中一臺(tái)為部分熱回收地源熱泵機(jī)組（1LR-3），熱回收量為214.4 kW，回收熱量用于生活熱水預(yù)熱。

夏季空調(diào)冷凍水供回水溫度為7 ℃/12 ℃，夏季地源側(cè)供回水溫度為25 ℃/30 ℃。冬季空調(diào)熱水供回水溫度為45 ℃/40 ℃，冬季地源側(cè)供回水溫度為10 ℃/5 ℃。熱回收工況熱水供回水溫度為45/25 ℃。

熱回收地源熱泵機(jī)組僅在制冷季時(shí)能滿足生活熱水的預(yù)熱需求，為了滿足生活熱水24小時(shí)的需求，設(shè)置一臺(tái)地源熱泵熱水機(jī)組（1LR-4），單臺(tái)制熱量為591.5 kW，在非制冷季為生活熱水提供預(yù)熱，熱水供回水溫度為45 ℃/40 ℃，地源側(cè)供回水溫度為10 ℃/5 ℃。冷凍水泵變流量運(yùn)行，地源水泵變流量運(yùn)行?？照{(diào)冷熱水系統(tǒng)采用密閉隔膜式膨脹水罐定壓方式,生活熱水預(yù)熱水系統(tǒng)、地源側(cè)水系統(tǒng)采用膨脹水箱定壓方式。

同樣為了調(diào)節(jié)土壤吸放熱量的不平衡，另外設(shè)置兩臺(tái)冷卻塔用于當(dāng)土壤熱不平衡出現(xiàn)時(shí)排除建筑內(nèi)熱量。

地源熱泵系統(tǒng)設(shè)置如圖3。

圖3 冷熱源系統(tǒng)圖

5 地埋管設(shè)計(jì)

為了得到地下土壤的熱物性參數(shù)，為設(shè)計(jì)提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)之初，業(yè)主請(qǐng)專業(yè)公司對(duì)項(xiàng)目所在地進(jìn)行了巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)，結(jié)果表明：巖土的初始溫度為19.8℃，散熱工況下鉆孔單位延米平均換熱量為58.5 W/m，吸熱工況下單位延米平均換熱量為41.6 W/m。

根據(jù)全年負(fù)荷計(jì)算，本項(xiàng)目夏季最大為放熱量為6448 kW，孔深按有效深度100 m計(jì)算，則需要6448/58.5×10=1102個(gè)。冬季最大吸熱量為3243 kW，則需要3243/41.6×10=779個(gè)。為了節(jié)約投資且本項(xiàng)目設(shè)置了冷卻塔用于夏季輔助散熱，因此打井?dāng)?shù)量按冬季計(jì)算，考慮壞井及換熱量衰減的原因，按20%富裕量打井，打井總數(shù)量為779×1.2=935個(gè)。

地埋管采用雙U型管垂直布置，孔深100 m，孔間距5 m，地源井個(gè)數(shù)935個(gè)，采用聚乙烯PE管材，回填材料為膨潤(rùn)土＋石英砂。地源側(cè)水管匯集至分集水器后接至地源熱泵機(jī)組，熱泵機(jī)組可滿足夏季制冷和冬季制熱要求。

6 運(yùn)行控制策略

為了更好地發(fā)揮地源熱泵技術(shù)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，本項(xiàng)目設(shè)置自控控制系統(tǒng)，對(duì)地源熱泵系統(tǒng)及末端系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并指導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行。

根據(jù)系統(tǒng)需冷、熱量的變化，控制地源熱泵機(jī)組及對(duì)空調(diào)冷熱水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)。供回水壓差控制空調(diào)冷熱水泵變頻運(yùn)行，當(dāng)?shù)卦礋岜脵C(jī)組流量小于50%時(shí)，開啟供回水干管上的旁通閥。并設(shè)置壓差控制閥保證負(fù)荷側(cè)壓差維持在一定范圍。采用地源熱泵機(jī)組的地源側(cè)進(jìn)水溫度控制地源側(cè)水泵變頻，地源熱泵機(jī)組冷卻水進(jìn)水溫度控制冷卻塔風(fēng)機(jī)開停（轉(zhuǎn)速、開啟臺(tái)數(shù)）。冷機(jī)的冷卻水進(jìn)水溫度控制水路旁通閥開度。

6.1 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)控制策略

根據(jù)上述工況一、二的計(jì)算分析，如酒店、自用辦公夏季均使用地源熱泵運(yùn)行，即使生活熱水平均使用時(shí)間達(dá)到12小時(shí)也很難達(dá)到熱平衡。系統(tǒng)運(yùn)行伊始，夏季工況下，自用辦公冷卻水就切換到冷卻塔運(yùn)行，將熱量排至室外空氣不進(jìn)入土壤。根據(jù)地源側(cè)出水溫度切換酒店冷卻塔與地埋管閥門，當(dāng)?shù)卦磦?cè)出水溫度≥26.5 ℃時(shí)，切換為冷卻塔散熱。冬季工況時(shí)，均使用地源熱泵系統(tǒng)，從土壤中吸熱。本項(xiàng)目系統(tǒng)放熱量大于吸熱量，如每年均滿負(fù)荷使用地源熱泵，土壤溫度會(huì)逐年升高，因此應(yīng)根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)逐年動(dòng)態(tài)調(diào)整閥門切換溫度，不應(yīng)一直采用26.5 ℃。

當(dāng)?shù)卦礋岜孟到y(tǒng)運(yùn)行1～3年后，應(yīng)根據(jù)運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)，采用地埋管地源熱泵土壤熱不平衡預(yù)警方法[2]，建立土壤溫度標(biāo)準(zhǔn)曲線，并采用該曲線作為預(yù)警指標(biāo)，綜合考慮建筑空調(diào)冷，熱負(fù)荷及生活熱水預(yù)熱負(fù)荷變化趨勢(shì)，指導(dǎo)系統(tǒng)控制運(yùn)行。

若系統(tǒng)運(yùn)行若干年后土壤溫度仍居高不下，存在熱不平衡現(xiàn)象，此時(shí)酒店夏季部分負(fù)荷工況時(shí)切換到冷卻塔模式運(yùn)行，減少系統(tǒng)向土壤的放熱量，直到土壤溫度恢復(fù)為止。

6.2 生活熱水預(yù)熱系統(tǒng)控制策略

1）制冷季。優(yōu)先使用部分熱回收地源熱泵機(jī)組（1LR-3）的回收冷凝熱用于生活熱水的預(yù)熱，當(dāng)該機(jī)組故障或提供的預(yù)熱量不夠時(shí)啟動(dòng)地源熱泵熱水機(jī)組（1R-4）。

2）制熱季。優(yōu)先使用地源熱泵熱水機(jī)組（1R-4）提供生活熱水預(yù)熱，當(dāng)1R-4故障時(shí)啟動(dòng)熱回收地源熱泵機(jī)組（1LR-3）。

3）過渡季。1LR-3開始制冷時(shí)使用冷凝熱回收熱量預(yù)熱生活熱水，1LR-3不開啟時(shí)則啟動(dòng)1LR-4。

7 結(jié)論

1）隨著我國(guó)人民對(duì)美好環(huán)境的迫切需求及我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的深化改革，地源熱泵技術(shù)應(yīng)用于武漢地區(qū)具有較好的節(jié)能、環(huán)保效益。但武漢地區(qū)夏季建筑物空調(diào)系統(tǒng)的向土壤放熱量遠(yuǎn)大于冬季從土壤的吸熱量，因此在有其他從土壤吸熱手段（如全年生活熱水）并采取可靠技術(shù)措施調(diào)整土壤熱不平衡率的情況下可采用地源熱泵技術(shù)。設(shè)計(jì)之初應(yīng)進(jìn)行全面詳細(xì)的全年負(fù)荷計(jì)算及土壤熱不平衡率計(jì)算，設(shè)計(jì)合理的地源熱泵系統(tǒng)及合理的控制策略。

2）地源熱泵技術(shù)不可避免會(huì)出現(xiàn)土壤熱不平衡現(xiàn)象，僅僅依靠詳細(xì)的計(jì)算和合理設(shè)計(jì)并不能完全解決此問題。系統(tǒng)應(yīng)采取高效的運(yùn)行管理，在利用歷年系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)一套精準(zhǔn)的控制策略。詳細(xì)計(jì)算、合理設(shè)計(jì)、高效管理、精準(zhǔn)控制，抓好這四個(gè)方面方能從根本上解決地源熱泵系統(tǒng)土壤熱不平衡的問題，使系統(tǒng)高效、節(jié)能、綠色、環(huán)保運(yùn)行，滿足人民對(duì)美好環(huán)境的的需求。