地源熱泵系統(tǒng)在上虞游泳館項目的綜合應用

張德軍 北京公共交通控股（集團）有限公司場站工程管理分公司，北京 100043

尹 恒 北京華清榮益地能科技開發(fā)有限公司，北京 100176

1 項目概況

上虞游泳館位于浙江省紹興市上虞區(qū)高鐵新城西北部，游泳館建筑面積為17550 平方米，地上4 層，建筑高度為23.8m，館內(nèi)設(shè)1 個50×25m 國際競賽池，1 個25×25m 的訓練池及1200 座的觀眾席。此外，館內(nèi)還設(shè)有新聞發(fā)布室、休息室、更衣室等比賽服務用房。上虞游泳館室內(nèi)圖景如圖1 所示。

圖1 上虞游泳館室內(nèi)圖景

本工程采用地源熱泵作為游泳館冷熱源，游泳池水與生活用水的加熱及游泳館內(nèi)空調(diào)的采暖、制冷均由地源熱泵系統(tǒng)實現(xiàn)。既滿足了游泳館的供熱制冷要求，也實現(xiàn)了節(jié)能減排的目的。

2 地源熱泵的原理及特點

地源熱泵系統(tǒng)又稱土壤源熱泵系統(tǒng)，是指在水側(cè)為一組閉式循環(huán)的換熱套管，該組套管一般水平或垂直埋于地下，通過與土壤換熱來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，在地源熱泵系統(tǒng)中，與土壤換熱的介質(zhì)是閉式循環(huán)，與土壤不接觸，與末端系統(tǒng)不連通，可有效避免交叉污染，地源熱泵系統(tǒng)從原理上講可以應用在任何地質(zhì)條件、任何貧富水地下，包括巖石、卵石等。地源熱泵系統(tǒng)原理如圖2 所示。

圖2 地源熱泵工作示意圖

地源熱泵技術(shù)的特點體現(xiàn)在其系統(tǒng)的節(jié)能性及環(huán)保性兩個方面：

（1）屬經(jīng)濟有效的節(jié)能技術(shù)

地能或地表淺層地熱資源的溫度一年四季相對穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵冷、熱源，冬季投入1kW 電能，可以得到4kW左右的熱能；夏季投入1kW 的電能，可以得到5kW 以上的冷量。這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運行效率要高40%，因此要節(jié)能和節(jié)省運行費用40%左右。

（2）地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當于減少40%以上，與電供暖相比，相當于減少70%以上，如果結(jié)合其他節(jié)能措施節(jié)能減排量會更明顯。

3 地源熱泵系統(tǒng)配置

本工程采用的地源熱泵系統(tǒng)是采用地埋管形式，以土壤為冷熱源。地源熱泵系統(tǒng)由地源熱泵機組，地埋管換熱器系統(tǒng)，游泳館池水加熱、生活熱水加熱及末端空調(diào)系統(tǒng)組成。3 個系統(tǒng)之間以水為介質(zhì)進行熱量傳遞，保證夏季室內(nèi)溫度26～28℃，冬季室內(nèi)溫度20～28℃，游泳池水溫28℃，生活熱水供水溫度55℃。

冷熱負荷統(tǒng)計表

3.1 地源熱泵機房設(shè)備配置

本工程夏季空調(diào)冷負荷為1565 千瓦，冬季空調(diào)熱負荷為1138 千瓦。其中為比賽池和訓練池區(qū)域分別配置兩臺和一臺制熱量為260 千瓦的地源一體化泳池除濕熱泵，另配置一臺制熱量為350 千瓦螺桿式雙工況冷熱水機組，配套風機盤管和地板輻射采暖系統(tǒng)對池邊進行輔助采暖；觀眾區(qū)（中央空調(diào)區(qū)域）空調(diào)冷負荷為473 千瓦，空調(diào)熱負荷為640 千瓦，冷熱源由動力中心冷熱源機房的一臺500 千瓦的螺桿式雙工況冷熱水機組供應；二層更衣室等經(jīng)常使用的區(qū)域采用水源變冷媒流量商用空調(diào)系統(tǒng)。

地源熱泵機房還安裝有其它設(shè)備，如循環(huán)水泵、板式熱交換器、定壓補水、水處理裝置等，我們通過自動控制系統(tǒng)可根據(jù)不同的運行工況，進行運行管理。游泳館地源熱泵系統(tǒng)工藝流程如圖3 所示。

（1）冬季工況（供熱）

地源熱泵系統(tǒng)由地埋管換熱器環(huán)路、熱泵機組工作環(huán)路和空調(diào)末端環(huán)路3 部分組成。地埋管換熱器對應熱泵機組的蒸發(fā)器形成環(huán)路，在循環(huán)水泵的作用下循環(huán)水流經(jīng)地埋管換熱器時吸收土壤中的熱量；空調(diào)末端對應熱泵機組的冷凝器形成環(huán)路，在循環(huán)水泵的作用下循環(huán)水流經(jīng)空調(diào)末端換熱器時釋放熱量。

（2）夏季工況（制冷）

通過相關(guān)閥門的切換，地源熱泵系統(tǒng)中的地埋管換熱器對應熱泵機組的冷凝器，在循環(huán)水泵的作用下水流經(jīng)地埋管換熱器時釋放熱量到土壤中；熱泵機組的蒸發(fā)器對應空調(diào)末端設(shè)備構(gòu)成環(huán)路，同樣在水泵的作用下，循環(huán)水流經(jīng)空調(diào)末端設(shè)備時釋放冷量到室內(nèi)。

圖3 游泳館地源熱泵系統(tǒng)原理圖

3.2 游泳館空調(diào)系統(tǒng)

3.2.1 觀眾區(qū)空調(diào)系統(tǒng)

由于游泳館除正式賽事活動外平時主要開放為市民做體育鍛煉用，觀眾區(qū)域空調(diào)具有運行間歇性、運行時間短、負荷集中等特點。因此觀眾區(qū)域采用與泳池區(qū)域空調(diào)獨立的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。夏季空調(diào)冷負荷為500 千瓦，冬季空調(diào)熱負荷為450 千瓦，配置了一臺制冷量為500 千瓦，制冷工況下COP 為4.8 的雙工況螺桿式地源熱泵型冷熱水機組，設(shè)置于冷熱源機房內(nèi)，該機組冷凍水管通過室外地溝由動力中心敷設(shè)至游泳館各空調(diào)機房?？照{(diào)水系統(tǒng)采用二管制一次泵變流量系統(tǒng)。夏季供水溫度為7℃，回水溫度為12℃，冬季供水溫度為45℃，回水溫度為40℃?？紤]到游泳館夏季比賽時室外溫度高，觀眾區(qū)人員密集，冷負荷大，為避免冷凝器集中散熱造成地埋管的熱堆積，如圖3 所示，在動力中心區(qū)域另配置了一臺閉式冷卻塔，并使其在夏季負荷高峰期間優(yōu)先運行。

3.2.2 泳池區(qū)空調(diào)系統(tǒng)

本工程訓練池和比賽池分別配置一臺和二臺除濕量為150kg/h 的泳池專用除濕熱泵機組，設(shè)置于游泳館底層空調(diào)機房內(nèi)。如圖3 所示，區(qū)別于常規(guī)采用室外風冷的方式，本工程一體化除濕熱泵冷凝器側(cè)通過兩臺水變頻循環(huán)水泵接至室外地埋管系統(tǒng)，由于地埋管系統(tǒng)地源側(cè)溫度全年較為穩(wěn)定，一般為10～25℃，因此其能效比比風冷方式高近50%而更節(jié)能。

此外，本工程比賽池和訓練池區(qū)域均設(shè)置有大量玻璃幕墻，為防止冬季外窗圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度過低從而造成結(jié)露，同時作為一體化泳池除濕熱泵采暖的補充，泳池區(qū)域配置一臺制熱量為350 千瓦，能效比為4.4 的螺桿式地源熱泵機組用于為池邊的地板輻射采暖系統(tǒng)和風機盤管系統(tǒng)提供熱源。采暖供回水溫度為45/40℃。

3.2.3 服務用房空調(diào)系統(tǒng)

對于游泳館、體育館類建筑而言，新聞發(fā)布室、休息室等比賽服務用房日常使用率很低，如采用地源熱泵系統(tǒng)，室外地埋管初投資較大。因此對于上述日常非經(jīng)常使用區(qū)域，采用風冷多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)，室外機就近設(shè)置于室外；對于一些日常使用率高的區(qū)域如更衣室等區(qū)域設(shè)計為地源VRF 空調(diào)系統(tǒng)，制冷性能系數(shù)COP 大于4.8，相比風冷多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)提高了近40%，且其冬季制熱效果更加穩(wěn)定，其主機設(shè)置于底層空調(diào)機房內(nèi)。如圖3所示，地源VRF 空調(diào)系統(tǒng)地源側(cè)設(shè)置兩臺管道式變頻循環(huán)水泵，可根據(jù)負荷變化自動調(diào)節(jié)。

3.3 熱水系統(tǒng)

本工程生活熱水系統(tǒng)加熱負荷為1100 千瓦，為提高系統(tǒng)可靠性，配置了二臺制熱量為550 千瓦，能效比（COP）為3.7 的地源螺桿式熱泵型熱水機組，其冷凝器側(cè)供水溫度55℃，回水溫度50℃，分別配以定流量熱水泵接入生活熱水儲水罐。

訓練池和比賽池池水加熱總負荷為1100 千瓦，配置了一臺制熱量為1100 千瓦，能效比為3.7 的地源螺桿式熱泵型熱水機組，其冷凝器側(cè)供水溫度55℃，回水溫度50℃，配以變流量熱水泵由熱源機房接至訓練池和比賽池池水處理系統(tǒng)，通過板式換熱器制取二次熱水。上述熱泵型熱水機組均放置于游泳館底層熱源機房內(nèi)。

3.4 地埋管換熱器系統(tǒng)

地埋管換熱器系統(tǒng)是地源熱泵系統(tǒng)的重要組成部分，由—組埋地塑料管組成，埋地塑料管與土壤耦合，管內(nèi)以循環(huán)水作為介質(zhì)使其與土壤進行熱交換。其是利用地下淺層土壤溫度常年保持在10～20℃的特點，通過地埋U 型管內(nèi)的介質(zhì)循環(huán)與土壤進行閉式熱交換來達到供熱、供冷的目的。在冬季，該系統(tǒng)通過熱泵機組將大地中低溫位熱能提高溫位對游泳館供暖；在夏季，該系統(tǒng)通過熱泵機組將游泳館內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下，同時儲備熱量，以備冬季使用。

本工程地埋管換熱器采用垂直地埋管。垂直地埋管換熱器設(shè)置在建筑紅線內(nèi)景觀停車場區(qū)域，垂直地埋管換熱孔應至少采用直徑150mm 的鉆孔，內(nèi)部設(shè)置De32的雙U 型PE100 全新黑色管下孔。室外分集水器通過水平集管連接至地源熱泵機房，水平集管采用De160 PE管，水平埋設(shè)在土壤中，埋設(shè)標高在-1.8m。根據(jù)地埋管熱交換設(shè)計，共需換熱孔680 個，深度80m。

水平連管和分集水器需安裝閥門、壓力表、溫度計等，可以檢測每路水平連管所連接的垂直埋管的溫度和壓力。

地埋管換熱器系統(tǒng)應采用聚乙烯地源熱泵專用管（PE 管）制作。因為聚乙烯（PE）管具有良好的導熱性能、較大的拉伸強度、承壓能力高、耐環(huán)境應力開裂性能優(yōu)良、耐腐蝕性強等優(yōu)點，其使用壽命最高可達50 年。

4 地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢

4.1 高效節(jié)能，運行費用低

根據(jù)游泳館熱泵機組（游泳池水與生活用水的加熱）的配置，我們將其與燃氣鍋爐在滿足同樣溫度要求的條件下，作一個比較。按每年設(shè)備運行1920h，制熱負荷為2200kW 計算，取使用系數(shù)為0.7，燃氣鍋爐供熱需天然氣0.15m3/kW 計，地源熱泵機組能效比COP 值為4，天然氣費為2.5 元/m3，電費0.8 元/（kW.h），則地源熱泵機組比燃氣鍋爐每年可節(jié)省51.74 萬元。相關(guān)計算如下：

游泳池水與生活用水的加熱系統(tǒng)運行費用

4.2 綠色環(huán)保，改善環(huán)境

由于地源熱泵機組采用電能驅(qū)動，無需鍋爐、冷卻塔、煙氣排放系統(tǒng)，節(jié)省了高成本的自來水；避免了向大氣排放煙塵和有害氣體，降低了碳排放。其制冷、制熱過程僅僅是一個熱量搬運過程，是利用可再生能源和維護生態(tài)平衡的有效途徑。