地埋管與地表水地源熱泵系統(tǒng)工程應(yīng)用實(shí)踐

胡國(guó)霞

華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于上海市崇明陳家鎮(zhèn)實(shí)驗(yàn)生態(tài)社區(qū)4 號(hào)公園內(nèi)，設(shè)計(jì)之初作為整個(gè)生態(tài)公園的配套服務(wù)中心，負(fù)擔(dān)生態(tài)社區(qū)的展示與公眾活動(dòng)，現(xiàn)為華東師范大學(xué)崇明生態(tài)研究院辦公用房，項(xiàng)目實(shí)景圖見1?？偨ㄖ娣e5511.18 m2，用地面積55816.9 m2。于2015 年1月獲得國(guó)家綠色建筑三星級(jí)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)，2015 年獲得上海市綠色建筑貢獻(xiàn)獎(jiǎng)，2019 獲得上海市優(yōu)秀工程設(shè)計(jì)綠色建筑專業(yè)一等獎(jiǎng)，2021 年獲得住建部全國(guó)綠色建筑創(chuàng)新獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)項(xiàng)。

圖1 項(xiàng)目實(shí)景圖

2 空調(diào)冷熱源影響因素分析

2.1 全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷分析

建筑逐時(shí)負(fù)荷是空調(diào)系統(tǒng)冷熱源確定的基礎(chǔ)，模擬計(jì)算采用上海典型年氣象數(shù)據(jù)，利用eQUEST 軟件建模計(jì)算建筑的全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷，設(shè)置的參數(shù)包括外墻、屋面、外窗的幾何參數(shù)和傳熱系數(shù)、冷風(fēng)滲透換氣次數(shù)、室內(nèi)熱源等。建筑全年逐時(shí)負(fù)荷如圖2 所示。從圖2 可以看出，峰值冷負(fù)荷為724 kW，峰值熱負(fù)荷為430 kW，峰值冷熱負(fù)荷比值為1.68，且建筑冷負(fù)荷主要集中5 月-10 月，熱負(fù)荷主要集中在12 月-2 月。

圖2 建筑逐時(shí)負(fù)荷

全年累計(jì)冷負(fù)荷為520.293 MWh，全年累計(jì)熱負(fù)荷為226.025 MWh，累計(jì)冷熱負(fù)荷比值為2.30，全年累計(jì)冷熱負(fù)荷分布如圖3 所示。

圖3 全年累計(jì)冷熱負(fù)荷分布圖

2.2 周邊資源分析

項(xiàng)目總基地面積為55816.9 m2，總建筑面積為5511.18 m2，地上二層。因而基地場(chǎng)地內(nèi)有充足的面積可用來布置地埋管，且項(xiàng)目南側(cè)有玉葉湖（人工開挖），該湖與現(xiàn)有水系連通，水質(zhì)為4 級(jí)，湖底標(biāo)高為-0.5 m，地面標(biāo)高為4.0 m。全年深度可保持在3.5 m，湖水流速在0.3～0.5 m/s 之間。地表水溫度較為穩(wěn)定，特別是夏季比室外氣溫低，可以作為地埋管地源熱泵夏季的輔助散熱。

2.3 項(xiàng)目冷熱源方案

對(duì)于冷負(fù)荷大于熱負(fù)荷的建筑來說，為了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，需要輔以其他的散熱裝置配合使用。本項(xiàng)目累計(jì)冷熱負(fù)荷比值為2.30，采用單一的地埋管地源熱泵系統(tǒng)無法滿足全年冷熱平衡，需要輔助散熱?？紤]到項(xiàng)目周邊有人工湖以及周邊有可供埋管的場(chǎng)地條件，結(jié)合項(xiàng)目建筑負(fù)荷特點(diǎn)，本項(xiàng)目選用地埋管和地表水源熱泵聯(lián)合供能系統(tǒng)作為該建筑物空調(diào)冷熱源。按照夏季最大冷負(fù)荷設(shè)計(jì)地源熱泵換熱系統(tǒng)，考慮到安全性和穩(wěn)定性，按照5%的余量設(shè)計(jì)。地埋管換熱器承擔(dān)80%的冷負(fù)荷，湖水換熱器承擔(dān)20%的冷負(fù)荷。同時(shí)湖水源換熱器承擔(dān)的冷負(fù)荷較小，對(duì)湖水生態(tài)影響較小。

冬季熱負(fù)荷由地埋管換熱系統(tǒng)承擔(dān)，夏季冷負(fù)荷由地埋管換熱系統(tǒng)與湖水盤管換熱器共同承擔(dān)，湖水換熱器起到土壤源熱平衡的作用，同時(shí)熱泵機(jī)組帶冷凝熱回收功能，供生活熱水預(yù)熱。

項(xiàng)目選用兩臺(tái)制冷量為344.4 kW（制熱量為340.9 kW）的螺桿式熱泵機(jī)組。夏季供給空調(diào)系統(tǒng)7/12 ℃冷水，冬季供給空調(diào)系統(tǒng)55/50 ℃熱水。螺桿式熱泵機(jī)組制冷工況下的效率為5.89，制熱工況下的效率為4.56，機(jī)組帶熱回收功能，熱回收量343 kW。

3 地源熱泵換熱側(cè)設(shè)計(jì)

3.1 換熱側(cè)總體布置

結(jié)合建筑全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷以及周邊場(chǎng)地條件和葉玉湖的位置，對(duì)地源熱泵的換熱系統(tǒng)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。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 ℃。地埋管與地表水盤管換熱器系統(tǒng)示意圖如圖4 所示。

圖4 地埋管、湖水盤管換熱器連接系統(tǒng)示意圖

3.2 地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)熱響應(yīng)試驗(yàn)報(bào)告，擬建場(chǎng)地9～100 m 深度范圍內(nèi)地層平均溫度為18.88 ℃，巖土體的綜合導(dǎo)熱系數(shù)取1.687 W/(m2·K)，鉆孔每延米換熱量為54 W。本項(xiàng)目地埋管換熱器采用并聯(lián)單U 型埋管，從經(jīng)濟(jì)性考慮，按總冷負(fù)荷的80%設(shè)計(jì)埋管，并考慮到5%富余量，每口鉆井有效深度為100 m，總鉆井?dāng)?shù)量為150 口。地埋管換熱器采用鉆孔垂直埋管，鉆孔分布在室外綠化帶草坪下，鉆孔直徑為130 mm，孔間距為5～5.5 m，6 口井一組并聯(lián)至埋管式二級(jí)集分水器。為了考慮后期運(yùn)行管理方便，布置土壤溫度檢測(cè)井，以方便根據(jù)土壤溫度變化調(diào)節(jié)運(yùn)行。

3.3 湖水盤管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)本系統(tǒng)湖水的具體情況，湖水盤管采用并聯(lián)的同程管道系統(tǒng)的形式設(shè)計(jì)，散熱負(fù)荷取25 W/m。每6 根并聯(lián)為一組采用集管連接到分二級(jí)集水器。湖水盤管按承擔(dān)20%的冷負(fù)荷結(jié)算，每個(gè)盤管長(zhǎng)度50 m，每組12 個(gè)盤管，共計(jì)布置11 組，132 個(gè)換熱盤管。單只盤管剖面與俯視圖見圖5。

圖5 單只盤管剖面與俯視圖

湖水盤管換熱器單組盤管剖面如圖6 所示。

圖6 單組盤管剖面

綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的要求，每組6 根盤管并聯(lián)為一組。針對(duì)11 組換熱器，換熱共回水管在集水井出匯集，并采用一個(gè)管井由二次集水器回到一次集水器，從而減少了給每個(gè)回水管道開挖管井的費(fèi)用。

4 全年土壤冷熱平衡分析

4.1 分析方法

對(duì)地埋管換熱系統(tǒng)土壤溫度變化分析即地下土壤溫度的分析，目前主要有兩種方法。一種是采用數(shù)值模擬軟件（例如FLUENT，ANSYS 等），此類軟件可以模擬區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)土壤溫度變化以及埋管內(nèi)各點(diǎn)水溫，缺點(diǎn)是模型建立復(fù)雜，計(jì)算周期長(zhǎng)，不適合工程應(yīng)用。另一種是采用空調(diào)系統(tǒng)仿真軟件，計(jì)算周期短，模型建立簡(jiǎn)單，適合工程應(yīng)用。本項(xiàng)目采用TRNSYS 軟件模擬系統(tǒng)運(yùn)行多年后的土壤溫度變化。將全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷導(dǎo)入TRNSYS 軟件，并輸入?yún)?shù)包括土壤的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、地埋管換熱器內(nèi)的水流速、埋管設(shè)計(jì)深度、埋管個(gè)數(shù)及埋管間距，對(duì)比不同工況下全年土壤溫度變化。

4.2 不同工況對(duì)比

該項(xiàng)目采用地埋管與地表水復(fù)合式系統(tǒng)，熱泵機(jī)組帶有冷凝熱回收功能，系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)系統(tǒng)優(yōu)化策略將會(huì)影響系統(tǒng)節(jié)能效果。為對(duì)該項(xiàng)目不同工況下的地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效果，分別就表1 中4 種工況下的全年土壤溫升、埋管出水溫度、熱泵機(jī)組效率進(jìn)行分析進(jìn)行綜合考慮。

表1 系統(tǒng)運(yùn)行工況分析

上述4 種工況下，系統(tǒng)運(yùn)行10 年的土壤溫升、地埋管出水溫度以及地源熱泵機(jī)組效率（COP）下降幅度如下表所示。從上表可以看出，工況2 和工況4 采用湖水源換熱盤管輔助散熱時(shí)，地埋管出水溫升最小，而且地源熱泵機(jī)組效率下降幅度最小。不同工況下，土壤溫升、地埋管出水溫度以及地源熱泵機(jī)組效率（COP）下降幅度對(duì)比分析如表2 所示。

表2 4 種工況運(yùn)行十年后結(jié)果匯總

采用湖水源換熱盤管輔助散熱時(shí)，地埋管出水溫升較小，而且地源熱泵機(jī)組效率下降幅度最小。詳見圖7 所示。

圖7 不同工況對(duì)比

5 運(yùn)行效果

設(shè)計(jì)基于項(xiàng)目周邊資源條件，采用建筑本體被動(dòng)節(jié)能設(shè)計(jì)（遮陽、通風(fēng)、采光）、“雨水—河道—水景—綠化”四位一體，地埋管與地表水復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)、太陽能光伏發(fā)電等基于場(chǎng)地周邊資源特點(diǎn)的可再生能源最大化應(yīng)用等集成技術(shù)措施。2019 年逐月能耗數(shù)據(jù)詳見圖8，年平均耗電量約為70 kWh/(m2·a)，相比上海市辦公建筑88.2 kWh/(m·a)耗電量（數(shù)據(jù)來自：2019 年上海市國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑用能監(jiān)測(cè)和分析報(bào)告）節(jié)能20%以上，年節(jié)約能耗約100.3 MWh，年節(jié)約30.09 噸標(biāo)準(zhǔn)煤。通過對(duì)用戶調(diào)研，用戶室內(nèi)舒適度體驗(yàn)高，95%以上的用戶對(duì)室內(nèi)舒適度滿意。

圖8 2019 年逐月能耗數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

1）前期系統(tǒng)精細(xì)化設(shè)計(jì)是地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能的重要支撐，地源熱泵系統(tǒng)是節(jié)能環(huán)保的有效技術(shù)措施，但不能盲目采用，應(yīng)結(jié)合地域、建筑物使用性質(zhì)進(jìn)行充分論證分析[1]。地源熱泵作為淺層地?zé)崮茉诮ㄖ械膽?yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，是降低建筑運(yùn)行能耗有效途徑。設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目周邊資源條件、建筑使用功能及負(fù)荷特點(diǎn)，需借助相應(yīng)的模擬計(jì)算分析軟件，進(jìn)行精細(xì)優(yōu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)合理適用的地源熱泵系統(tǒng)。

2）結(jié)合實(shí)際條件，本項(xiàng)目采用地埋管與地表水復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)，采用地表水地源熱泵作為夏季調(diào)峰補(bǔ)充措施，解決了地埋管地源熱泵冷熱平衡問題，避免設(shè)置冷卻塔。

3）采用冷凝熱回收并采用地表水（湖水）側(cè)承擔(dān)夏季20%的冷負(fù)荷，系統(tǒng)運(yùn)行10 年后，土壤溫度升高到22.4 ℃，升高了4.3 ℃。夏季地源側(cè)出水溫度升高了2.9 ℃，運(yùn)行第10 年時(shí)，地源側(cè)出水溫度在30.1～32.3 ℃之間，熱泵機(jī)組COP 只下降了9.2%。通過水源熱泵系統(tǒng)分擔(dān)夏季冷負(fù)荷與冷凝熱回收熱等熱平衡措施，可以有效降低土壤溫升，10 年內(nèi)的土壤溫度升幅控制在5 ℃以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

4）同時(shí)后期系統(tǒng)運(yùn)行管理及調(diào)試是發(fā)揮地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，項(xiàng)目設(shè)計(jì)之初功能往往與后期實(shí)際使用方的功能、用能模式不匹配。因此需要根據(jù)后期實(shí)際使用功能，進(jìn)行進(jìn)精準(zhǔn)調(diào)試，使系統(tǒng)運(yùn)行模式與使用功能相匹配，充分發(fā)揮地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。