地源热泵系统在绿建三星示范项目中的应用实例

许 霞 史健翔 张建忠



地源热泵系统在绿建三星示范项目中的应用实例

许 霞1史健翔1张建忠2

（1.江苏极智建筑设计工程有限公司 南京 210009；2.南京市建筑设计研究院有限责任公司 南京 210018）

以扬州某绿建三星示范项目为例，阐述了地源热泵系统在绿建项目中的应用，重点介绍了地源热泵系统设计方法，土壤热平衡分析与热平衡措施，为同类型项目提供一定参考。

绿色建筑；地埋管换热器；土壤热平衡

0 引言

当前中国绿色建筑规模进入了加速上涨的阶段，项目总量共计3200多个，总面积达3.2亿平方米，而2012年以后新增的绿色建筑面积占当前总量的85%以上。绿色建筑在国内的发展呈现一定的地域不平衡特征，总体而言，绿色建筑市场的大小除与各地区的经济发达程度存在正向关联外，还与各地政府的绿色建筑政策执行力度密切相关。江苏是绿色建筑推进力度最强的省市之一，截止2015年1月，住建部数据显示江苏省已获绿标认证的项目数达500个，位居全国之首。

绿色建筑评价是对建筑全寿命期内节能、节地、节水、节材、保护环境等性能进行综合评价。“四节一环保”[1]为核心的评价指标中，“节能与能源利用”所占的权重最大。建筑全年能耗中，供暖空调系统的能耗约占40%～50%，所以采暖与空调节能成为绿建设计评价关注的重点。而地源热泵系统作为可再生能源三选一，在国家相关政策支持、财政补贴等形式的引导下，技术已逐渐成熟完善，并被广泛应用于绿色建筑中。

1 工程概况

扬州某绿建三星示范小区位于扬州市新城西区，该项目占地面积约114596平方米，总建筑面积252625平方米；地上建筑积160434平方米，其中小高层住宅11栋，面积88573平方米，11层，建筑高度33.45m；多层住宅11栋，面积40989平方米，6层，建筑高度19.9m；联排别墅16栋，面积25157平方米，3层，建筑高度12.1m；商业建筑面积3209平方米，其它辅助用房856平方米；地下建筑面积92191平方米，地下一层，为机动车库和设备用房。该项目实景图片见图1。

图1 项目实景

该项目采用土壤源热泵系统提供该区内所有建筑的空调冷、热负荷及24小时生活热水负荷，其中小高层和多层住宅采用一个冷、热源站集中供冷、供热和提供生活热水，联排别墅每户均采用独立地埋和独立机房系统提供各户空调冷、热水及24小时生活热水；商业建筑设独立冷热源小机房，提供该建筑空调冷、热水。室内空调末端采用：风机盘管+地板采暖+全热回收新风系统形式。

2 热泵系统冷、热负荷

空调负荷：使用空调负荷计算软件将每栋楼每个空调房间负荷作了详细计算。

生活热水负荷：住宅系统集中生活热水用水定额取80L/p·d[2]，1～4层为低区供水，用水人数为1414人；5层及以上为高区供水，用水人数为1700人；别墅独立系统生活热水用水定额取100L/p·d[2]，每户为5人。

综合以上计算结果列表1如下。

表1 热泵系统冷、热负荷

3 热泵系统设计

3.1 地埋管换热系统设计

根据该地块的岩土体热响应测试报告，本项目所在场地地势较平坦，15m以上为砂土层，15m以下为红色砾（砂）岩，中间夹7～8m的青灰色砂岩（岩质较软），红色砾（砂）岩为泥质胶结，所含砾石硬度较高，砾石含量呈不规则变化，局部不含砾石呈纯砂岩。这会导致钻井难度经常性无规律变化。试验岩土体初始平均温度为18.2℃，与当地全年平均气温相当，对冬季埋管取热与夏季排热都较有利。分析与计算岩土体综合导热系数为2.25W/（m·K），综合地质条件较适宜采用土壤源热泵空调系统。

根据测试结果，分析计算该地块地埋管换热系统设计参考值：采用并联双U垂直埋管，埋管有效深度80米，钻孔直径φ135mm，地埋管换热器循环水设计温度夏季为35/30℃，冬季为5/10℃，设计单井换热量参考指标：夏季散热量72W/m，冬季取热量51W/m。

从经济性考虑，住宅和商业系统按总热负荷设计埋管数量，根据工程情况，埋管分布在地下室底板下，管间距根据实际需要控制在4.5米～6米之间，要注意避让桩基与承台。由于该地块钻井数量较多，在设计计算时考虑0.9管群修正系数，取5%钻井富裕量，计算本项目地埋管数量为：住宅集中系统埋管换热延米数为127007米，钻井数量为1590口；商业集中系统埋管换热延米数为4080米，钻井数量为51口。集中系统冬季空调热负荷由地埋管换热系统承担，夏季采用地埋管换热系统与冷却塔共同排热，冷却塔还起到调节土壤热平衡的作用。

别墅区各户按该户总冷负荷计算埋管数量，考虑0.9管群修正系数和5%钻井富裕量[3]，计算各户埋管数量分别为8～10口。

3.2 地源热泵空调系统设计

本项目高层与多层住宅系统采用集中式冷、热源空调系统形式，建一个独立的地源热泵机房，为小区内高层与多层住户提供统一的空调冷、热水和24小时生活热水。地源热泵机房放置在地下一层，整个小区较中央位置，尽可能减短输送管线长度。地源热泵系统原理如图2所示。

1、2-全热回收型地源热泵机组，3-普通型地源热泵机组，4-地源侧循环水泵，5-空调侧循环水泵，6-冷却塔侧循环水泵，7-热媒水循环泵，8-低区生活热水循环泵，9-高区生活热水循环泵，10-全程综合水处理器，11-全自动电子水处理器，12-成套定压补水装置，13-定压补水罐，14-膨胀罐，15-开式冷却塔，16-高区贮热水罐，17-低区贮热水罐，18-空调侧分水器，19-空调侧集水器，20-地源侧集水器，21-地源侧分水器

（1）四台全热回收型螺杆式地源热泵机组制取55/50℃热媒水用于加热生活热水，（其中两台用于低区1～4层，两台用于高区5层及以上），回收的冷量可用于空调系统，当停止加热生活热水时，可作为普通热泵机组使用，与另外三台普通螺杆式地源热泵机组一并提供空调系统所需的冷、热水。机组设计工况为，夏季：空调侧供、回水温度7/12℃，地源侧供、回水温度30/35℃；冬季：空调侧供、回水温度40/45℃，地源侧供、回水温度10/5℃。热泵机组采用水路切换方式，依靠总水管上的闸阀进行手动切换，夏季工况：VA开，VB关；冬季工况：VA关，VB开。

（2）空调水系统采用热泵机组定流量，末端变流量的一级泵系统。采用全程综合水处理器保证系统管道内水质；采用定压补水装置保证每个闭式水路系统的定压、补水、排气，确保系统正常运行。

（3）地埋换热系统根据现场实际情况均分成三个独立回路，与三台普通地源热泵机组对应，实现冬季土壤源取热。一台开式冷却塔和一台普通热泵机组直接对应连接，与地埋管换热系统切换使用，实现夏季负荷高峰期时共同排热，冷却塔还起到调节土壤热平衡的作用，保证地源热泵系统长期稳定高效运行。

（4）空调侧输配管网根据各栋住宅所在位置和面积均分成三个独立回路。由于整个热泵系统较大，且负责的各栋用户较分散，为保证整个输送管网的水力平衡、热量均衡，每个水平环路均采用同程，各楼栋空调水管立管同程，室内空调水平管异程设计。

（5）室内空调末端：夏季采用风机盘管+全热回收新风系统形式，冬季采用地板辐射采暖+全热回收新风系统形式。每个风机盘管设有电动二通阀和温度控制器（带季节转换的三速开关、温热器），实现空调末端水路变流量控制；地板辐射采暖总供水管上设电动二通阀及温控器，从每户地暖集、分水器接出的各个采暖支路均带热电开关，能实现分室控制功能。

4 热泵系统的监测、控制与计量

本项目采用直接数字控制（DDC）系统，检测并显示整个热泵系统的运行参数和设备状态，自动调节与控制各设备运行和工况转换，对系统各部分能量自动计量、显示、储存并远传。

检测并显示空调侧、地源侧和冷却塔侧主供、回水管内流体的温度、压力和流量参数。每台热泵机组的回水管上设电动蝶阀，通过检测空调侧总回水温度来判断末端空调系统的冷热负荷需求，从而控制热泵机组投入运行的台数，并保证机组尽可能运行在高效区域。水泵与热泵机组一一对应，连锁控制，顺序启停，并能根据水流量多少自动变频节能运行。监测贮热水罐内的生活热水温度，保持水温在50～55℃范围，当温度低于45℃时，自动开启热媒水循环泵和热泵机组的热回收功能，当温度高于55℃时，自动关闭热泵机组和热媒水循环泵。监测生活热水回水管网内的水温，当温度低于 40℃，开启生活热水循环水泵，保证生活热水末端设备能打开即可来热水。

整个热泵系统内需要补水的地方，如空调侧，地源侧、冷却塔侧及生活热水侧补水管上均安装水表进行补水量计量，以防系统“跑冒滴漏”而不被发现，实现系统的节能运行。

5 地壤热平衡分析与热平衡措施

当地埋管换热器全年内向土壤释放的热量与吸收的热量不相等，如不采取优化措施，长期运行会导致土壤温度持续上升或下降，从而引起系统效率的衰减，直接影响到整个系统运行的可靠性，因此地源热泵系统的热平衡是能否成功的关键因素。

使用建筑逐时负荷模拟软件对本项目进行全年动态负荷模拟，并分析全年系统向地下逐时取排放热量，并计算年累计取热量、年累计排热量、全年系统向地下取排热量的差值，对土壤热平衡问题进行定量分析。模拟分析结果见图3、图4。

图3 地源热泵承担建筑空调负荷

图4 土壤换热器取放热量

从模拟分析结果可以看出，在纯粹的地源热泵系统中，系统冬夏季取排热量相差大，存在较大的土壤热失衡问题。为解决该问题，本项目中采用生活热水，冷却塔辅助供冷、设置监控系统、土壤换热器优化分组、增大间距、施工质量、系统运行策略与后期运行管理等措施。分析计算结果如图5，图6。

图5 岩土侧负荷不平衡率（带生活热水）

图6 岩土侧负荷不平衡率（带生活热水+冷却塔）

一般认为冬夏季累计取排热量的不平衡率小于±10%，即可认为全年土壤取排热量达到平衡。本项目通过生活热水及冷却塔辅助运行，冬夏季取排热量不平衡率从55.36%降低到24.61%，最后降到-0.39%，解决了土壤热平衡问题，从而保证了系统的安全、持续、高效运行。

6 地源热泵系统在绿色建筑评价中作用

该项目已顺利通过绿建三星示范项目评审，获得绿建三星设计标识，正筹备绿建三星运行标识申报。在进行设计评价阶段，评分情况如下表2所示。

表2 绿建三星评分表

地源热泵机组能效优于现行国家标准的规定以及现行有关国家标准能效节能评价值的要求；地源热泵作为可再生能源，在本项目中提供生活热水和空调用能比例均达100%；前期合理、优化的系统设计和设备配置，使系统能耗降低幅度达15%以上。以上地源热泵系统体现出来的优势在“节能与能源利用”评价指标中起着关键作用。

7 项目投资及运管费用

该项目地源热泵系统总投资额为8022万元，折算到实际空调面积，工程综合造价约500元/平方米，其中包括160元/平方米地板采暖费用。本项目作为江苏省绿建三星住宅类示范项目，整个项目总投资额为145325万元，为实现绿色建筑而增加的初投资成本为3670万元。项目已获得政府财政补贴350万元。

经测算，系统全年运管费用约为480万元，实际收费情况：空调费用0.12元/平米·日，生活热水费用16元/吨。

8 结语

该项目现已建成并投入使用，地源热泵系统运行良好，各项参数符合技术要求，获得了建设方和小区业主的好评。

[1] GB/T 50378-2014,绿色建筑评价标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2014.

[2] GB50015-2003,建筑给水排水设计规范（2009年版）[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[3] DGJ32/TJ89-2009,江苏省地源热泵系统工程技术规程[S].南京:江苏科学技术出版社,2010.

[4] 陆耀庆.实用供热通风设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2008

[5] 成恒生,张翔,邵俊鹏,等.夏热冬冷地区混合式地源热泵系统控制策略[J].制冷与空调,2014,14(12):127-131.

[6] 马利英,刘泽勤.土壤源热泵系统与冰蓄冷系统联合运行的经济性分析—以邯郸某小区为案例[J].制冷与空调,2015,28(6):298-301.

[7] 庄迎春,谢康和.绿色建筑与地源热泵系统[J].工业建筑,2004,(6):21-23.

[8] 王峥,孙大明.住宅中地源热泵适用探讨[C].国际智能、绿色建筑与建筑节能大会,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（通讯作者）简介：许 霞（1977.10-），女，学士，高级工程师，E-mail：xux2005@163.com