地源热泵与主动式冷梁高效复合系统在学校建筑中的应用与设计

刘 芳

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

引言

地源热泵系统作为利用可再生能源的节能环保技术，其应用范围越来越广泛。上海杨浦德法学校是涵盖从幼儿园到高中教育的K-12国际学校，本项目的设计参评国家绿建三星及LEED铂金认证。主动式冷梁和地源热泵系统复合系统在舒适度，节能，环保等多方面展现出了优势[1][2][3]。

1 建筑概况

本工程（上海杨浦德法国际学校）位于上海市杨浦区新江湾城，北邻殷行路，西侧为江湾城路，东侧为河流，南侧为相邻其他地块。使用功能为从幼儿园到高中的K-12国际学校；总建筑面积8380m2，地上建筑面积2365 m2，地下建筑面积：16015 m2；建筑层数：地上5层，地下1层；建筑高度24m。根据本工程的项目定位、场地布置、平面布局、功能特点以及项目节能运行、可再生能源利用要求等，空调系统冷热源采取地埋管式地源热泵系统(GSHP)，同时供应食堂生活热水、泳池池水的初次加热和池水保温热量。

通过全年能耗模拟结果分析，及地源热泵方案经济性分析，最终确定冷冻机房内配置3台低温地源热泵机组，每台制冷量1550kW,供空调箱及风机盘管机组冷热水；2台高温水地源热泵机组，每台制冷量457kW，供冷梁末端冷热水，其中一台做全热回收机组，供泳池夏季维持热量/食堂生活热水加热及空调箱再热。

教学区采用冷梁+热回收型新风机组，其中新风系统采用了变风量送风系统，研究并确定了根据教室及办公室人员流动特点，设置CO2浓度监测对新风送风量进行精确控制。新风空调箱的风机采用变频风机，根据主风管上定静压测点调节风机转速以达到变风量的送风的节能效果。空调箱过滤段为G4初效+静电中效+袋式F8，以满足对室内空气品质的要求。冷梁均自带防结露温度控制系统。

体育馆、游泳馆、剧院等大空间设置为全空气系统，其中剧院设置组合式空调机组，同样带排风热回收功能，且采用变频风机，过渡季可实现全新风运行。体育馆区域室内气流组织形式为上送下回方式，剧院则采用座椅下送风置换通风的下送中上部回的室内气流组织形式。游泳馆区域采用泳池专用热泵型恒温除湿系统。幼儿园区域和游泳馆泳池池边区及更衣室设置地板辐射采暖系统。

本项目运用了BIM技术对机电管线进行碰撞检测及管线综合优化。以满足室内净高要求。

2 全年能耗模拟

此项目中采用eQuest作为建筑动态模拟软件，该软件能够完成负荷计算、设备选型、动态热模拟、动态能耗模拟。此软件提供了一个综合的建筑物理模拟环境，能模拟建筑物不同区域或不同时间的空调系统及其他用能设备运行情况。预估在某种人员活动作息和空调系统运行作息下建筑物的各项能耗。

本项目使用两个能耗模型进行对比，分析现有设计的能耗及节能情况：

（1）基准建筑：模拟基于《公共建筑节能设计标准GB50189-2015》进行设置。

（2）现有设计建筑：能耗模型基于最终施工图的建筑和机电图纸、设计说明、设备运行时间以及设计图纸中的其它信息。

设计建筑和基准建筑能耗比较结果见图2

从设计建筑和基准建筑的能耗分布图和建筑各项能耗比例图可以看出，现有设计节能最明显的部分当属采暖热源，节能比例达到82．79%。这个结果主要得益于地源热泵的使用，该项目使用地源热泵全年平均能效系数为5．69/5．8，相较于效率只有90%的燃气锅炉，会有相当明显的节能量。

图1 eQuest 3D模型

图2 设计建筑和基准建筑能耗比较柱状图

对于空气输配系统，由于设计建筑新风量高于基准建筑，导致风机耗电量增大，但因为使用了热回收式新风机组，输配系统的能耗变化影响并不是特别明显。

3 地源热泵主机设置方案的经济性分析

3.1 方案比选

方案一：选用3台地源热泵机组，其中2台制冷量2500KW，1台制冷量1000KW。

方案二：选用5台地源热泵机组，其中高温机组2台制冷量1500kW，1台制冷量1000KW；低温机组2台制冷量1000kW。

本方案对比的目的是：对设备投资以及运行费用进行经济分析，以选出相对更优的方案。

两个方案中，采用高温机组的方案二因为设备台数较多，初投资高出方案一：

方案一设备初投资约2477620元

方案二设备初投资约2555794元

方案二比方案一设备初投资高出约78174元

（未包括计算机房空间增加的费用和增加的安装人工成本）。

运行费用对比

设定计算条件：学校空调运行时间从早8点到晚18点。夏季运行120天，冬季运行90天。电费按0．8元/kwh计算。根据IPLV取空调运行系数60%

方案一运行费用：

（423．1kW×2+178．9kW）×10 小时×120天×60%×0．8元+（559．5kW×2+236．5kW）×10小时×90天×60%×0．8元=1176033．6元

方案二运行费用：

比方案一略复杂，因为方案二中5台机器，有3台机器采用15℃供水而非7℃供水，这3台机器的COP（能效比）会有所提升，根据计算，这3台高温出水的主机，夏季的COP能提高到6．0左右，故有以下计算式：

（1538．9kW/6．0×2+1080．6kW/6．0+178．9kW×2）×10小时×120天×60%×0．8元+（339．5kW×2+236．5kW×3）×10小时×90天×60%×0．8元=1058486．4元

方案一主机年运行费用约1176033．6元方案二主机年运行费用约1058486．4元

方案二比方案一节省运行费用117547．2元这一项措施节能率约10%

初步分析结果及建议：方案二比方案一设备初投资高，但运行费用相对低，不到一年（0．665年）即可收回初投资增量成本。即使考虑到安装人工费用及其他费用，增量成本约一年左右可以收回，经济效益显著。故在机房安装空间许可的前提下，建议使用方案二。

基于以上分析，结合全年能耗模拟结果分析，最终确定冷冻机房内配置3台低温地源热泵机组，每台制冷量1550kW，供空调箱及风机盘管机组冷热水；2台高温水地源热泵机组，每台制冷量457kW，供冷梁末端冷热水，其中一台做全热回收机组，供泳池夏季维持热量/食堂生活热水加热及空调箱再热。

低温地源热泵机组的供/回水温度为7/14℃，供空调箱及风机盘管机组冷冻水；

高温地源热泵机组的供/回水温度为16/21℃，通过温控三通阀混水调节至末端主动式冷梁所需供回水温度18/21℃。

冬季热水供/回水温度为45/40℃。

3.2 室外地埋管形式选择

竖向单、双U型地埋管换热器支管间的热量回流与各支管的间距有关。支管间距越大，对于减小支管间的热量回流效果就越好[4]。本项目的岩土热响应测试结果见表1。

表1 岩土体热物性测试结果汇总表

地源热泵室外地埋管位于操场及绿化带下，根据地源热泵岩土热响应测试报告分析，初步布置了室外单U埋管894组，间距4．5m，埋深100m。为进一步调节土壤热平衡，并确保机组的高效运行，设有备用闭式冷却塔[5][6]，夏季当土壤温度偏高时可开启使用，2台流量200t/h的闭式冷却塔置于室外体育场东北角绿化带范围内。

3.3 地源热泵水系统分析

本项目地源热泵系统分设低温供水系统（图3）和高温供水系统（图4）。

18/21℃高温冷冻水供给主动式冷梁承担室内显热冷负荷，有效提高了高温地源热泵机组的能效比。其中一台做全热回收机组，供泳池夏季维持热量/食堂生活热水加热及空调箱再热。

7/14℃低温冷冻水供空调箱，有效进行冷冻除湿，实现了教室区域的温湿度独立控制，提高了人员舒适性。

根据文献[1]中关于各种运行策略的比较，本项目方案二冷热源配置方案，采用机组冷凝器进口水温控制和温差控制（湿球）的运行总能耗是较小的。

图3 低温地源热泵水系统图

图4 高温地源热泵水系统图

4 空调末端系统设计

4.1 空调水系统

空调冷热水系统为一次泵变流量系统，可根据室内负荷需求在一定范围内调节水泵流量。

空调水系统采用闭式定压罐补水、定压和排气，设置智能型在线全自动化学水处理装置。水系统的供、回水总管间设压差平衡阀，控制系统根据供、回水总管的压差传感器的偏差信号控制电动压差旁通阀的开度，维持系统供回水压差恒定，保证通过冷水机组的流量稳定。

4.2 空调风系统

本工程设计的中央空调系统部分，在空调冷（暖）媒介为冷（暖）水的前提下，室内空调末端设备根据不同的场合采用不同的形式。

对于教室和办公区域，综合考虑噪声、室内净高等方面的因素，可设置室内冷梁加区域集中新风的半集中式空调系统。其中冷梁系统采用主动式冷梁，自带新回风口，且供水为高温冷冻水，水温不小于18℃，确保冷梁表面温度高于室内露点温度。该系统分区域的集中新风机组考虑室内人员的一定散湿量，新风需进行深度除湿，具体机组功能段包括过滤（G4初效+静电中效+袋式F8）、热回收、冷（冷冻除湿）热盘管、再热盘管及送排风机段。处理后的新风经管道直接送入室内冷梁末端，所有末端新风支管和排风支管上均设置有风量调节装置，另所有新风支管上设置有电动风阀，室内无人时电动风阀关闭。且所设计冷梁均自带防结露温度控制系统，并与建筑专业协调强调制冷工况下，房间可开启外窗的密闭性要求。部分室内散湿量较大的场所，如烹饪教室、卫生间等，室内空调末端则采用风机盘管机组。

其余体育馆、游泳馆、剧院等大空间设置为全空气系统，其中剧院设置组合式空调机组，同样带排风热回收功能，且采用变频风机。体育馆区域室内气流组织形式为上送下回方式，剧院则采用座椅下送风置换通风的下送中上部回的室内气流组织形式。另游泳馆区域采用泳池专用热泵型恒温除湿系统，泳池区暖湿空气通过回风管送回至热泵，经过热泵蒸发器后迅速降温并除湿，并将降温除湿过程释放的热能传递给冷媒，冷媒优先将一部分热量经池水换热器转移到池水，另外一部分热量经冷凝器将除湿后的回风重新加热到合适温度，与新风混合后经冷媒（热水）盘管降温（或升温）处理后，由送风机重新送回室内泳池厅，当室内温度和泳池水温度太高时，热泵会自动转入制冷，冬季由机组上另设的热水盘管提供辅助热量，从而保持室内空气的恒温、恒湿的舒适性。

4.3 主动式冷梁系统设计

本项目教学区考虑室内净高及噪音要求设置了全热回收组合式新风空调箱+冷梁系统（主动式）。主动式冷梁工作原理见图5。

其中新风系统采用了变风量送风系统。由于教室和会议室的使用人数变化较大，故房间的新风送风支路设置变风量阀，阀体根据房间CO2浓度变化控制送入新风风量；而办公室使用人数较为恒定，故房间的新风送风支路设置定风量调节阀，在使用时恒定送入设计新风量。

图5 主动式冷梁工作原理图

新风空调箱的风机采用变频风机，根据主风管上定静压测点调节风机转速以达到变风量送风的节能效果。

4.4 新风除湿计算；

考虑项目初投资及日常运行的经济性，本项目不考虑转轮除湿和溶液除湿等方式，采用常规的冷冻除湿方式。

根据新风除湿量计算书（新风除湿计算焓湿图见图6）可知，教室、办公室等房间在常规人体活动强度的情况下处理湿度所需要的人均新风量为19．62CMH。根据国家规范及LEED要求，教室及办公室房间的人均新风量设计值均大于30CMH，人均新风量最小的会议室也大于20CMH。

图6 新风除湿计算焓

5 BIM技术在设计中的应用

BIM（building information modeling）的全称是建筑信息模型，该技术已经在世界范围的工程领域得到广泛应用。本项目从初步设计阶段到施工图完成，均采用REVIT软件进行土建及管线综合建模，对室内净高及碰撞得到了有效优化，建立了完善的施工指导信息。

本项目BIM建模截图见图7、图8和图9。

图7 地下室3D管线综合

图8 法国学校3D管线综合

图9 德国学校5F冷梁布置3D模型图

6 结论与展望

本项目采用了地源热泵与主动式冷梁系统，通过全年能耗模拟计算、地源热泵主机配置方案的经济性分析及冷梁设计计算分析，该项目可再生能源利用与节能技术运用提高了系统整体的能源利用效率、舒适性及系统运行经济性。

高温地源热泵系统和低温地源热泵系统分设，对实现房间温湿度独立控制提供了可靠的能源保证。低温地源热泵机组的供/回水温度为7/14℃，供新风机组可有效实现冷冻除湿。冷梁供回水温度18/21℃可有效保证室内人员舒适度，并提高地源热泵主机ACOP（全年综合能效系数）。

本文从冷热源配置选型及冷梁末端计算对该复合系统设计应用提供一定参考，希望提高这种低能耗高舒适性系统的推广和应用，以顺应世界节能减排的发展趋势[7]。

参考文献：

［1］王颖．地埋管地源热泵系统在上海地区的适用性探讨[J],建筑节能

［2］钱必华,徐旭．上海城投自用办公楼地源热泵系统设计及实测［J］，暖通空调2015，45(4)29-33

［3］孙兆军,朱建章．上海虹桥站地埋管地源热泵系统设计与分析［J］,暖通空调2010,40(5)20-27

［4］付卫红．单、双U型地埋管地源热泵系统热工特性及经济性的研究[硕士学位论文]天津大学环境科学与工程学院，2007．1

［5］花莉．基于热平衡的复合式地源热泵系统土壤热平衡问题研究［J］,暖通空调2013，43(12)148-153

［6］尹建新．地埋管与冷却塔并联运行地源热泵系统几个问题的探讨[2010年湖南省暖通空调制冷学术年会论文集]

［7］刘志强．冷梁系统在某办公楼建筑中的实际应用及方案设计探讨［D］,规划设计 2017，（10）63-65