上海烟草集团浦东科技创新园区地源热泵系统的应用

李 娴 王晓建 夏双杰 谢大秋 赵一奇

上海烟草集团有限责任公司

0 上海地区地源热泵系统适用性简介

地源热泵是一种利用地下浅层低温地热资源通过能量转换为建筑物实现夏季制冷、冬季采暖的空调热泵系统，具有高效节能、清洁环保等优势。我国自20世纪90年代起开始在华北、华东等地建设地源热泵[1]。进入21世纪后，随着国家节能降耗政策的深入贯彻，该技术得到了更快的推广[2]。

相比传统空调系统冷却塔、风冷设备等装置直接暴露于空气中，地源热泵换热系统深埋于地下，与基本不受大气影响、冬暖夏凉的地下土壤进行热交换。由于埋于地下，地源热泵系统不影响地面建筑和美观、且换热效率长时间保持在较高水平，实现“夏热冬用、冬冷夏用”的热量“暂存”功能，减少了对大气环境的污染。尽管地源热泵系统初始投资比风冷热泵高10%，但从使用寿命和运行费用考虑，地源热泵系统的经济性高于传统空调系统[3]。

上海地处亚热带湿润区，浅层地热能分布范围广、储量丰富，大部分区域的地质条件适合热能开发，加之上海地区地下水位高、含水量丰富，因此，适宜采用浅层地埋管地源热泵技术[4]，且在埋管深度较常规约减少50%的情况下，换热效率仍明显高于北方[1]。

综合以上因素，地源热泵系统在上海地区的应用潜力是非常可观的。

1 项目概况

上海烟草集团浦东科技创新园区项目地处上海市浦东新区康桥工业园区。园区南至秀浦路，东至申江南路，北至秀沿路，西至苗桥路，园区中间被一条东西向河道（龙游港）分成南北两个地块，北地块为生产实验区、南地块为科技研发区，建设总占地面积约645亩。园区南地块以科研试验为主，辅以配套办公及后勤，共拟建19个子项单体，其中，作为LEED绿色建筑评价金级认证的加分项，#401、#501建筑单体空调冷冻水和热水由地源热泵系统供给，地源热泵项目位于场地东侧，毗邻申江南路。

2 地源热泵系统概况

在#501单体下方地下室制冷站内安装2台地源热泵螺杆式冷热水机组为#401、#501建筑单体空调系统提供冷冻水和热水。地源热泵机组冷凝器侧的冷却水采用地埋管和闭式冷却塔并联供应系统，水系统采用一次泵变流量，水泵均为变频工作方式。

2.1 地源热泵地埋系统的设计和选型

2.1.1 系统组成、工作原理与特点

本项目地源热泵系统主要由地源热泵机组、土壤型换热器、膨胀水箱、循环水泵、闭式冷却塔辅助散热等组成，机组主机放置于地下一层机房内。

土壤型换热器是一个由高密度塑料管组成的闭式环路：夏季时，通过地下换热管中介质的循环流动将地源热泵冷凝器放出的热量散发至土壤；冬季时，埋在地下换热管中的介质从土壤中吸收热量并将它传递给地源热泵蒸发器。由于地表两米以下的土壤基本不受大气温度的影响，能常年保持恒定温度，故地源热泵系统克服了空气源热泵的缺陷，使空调效果不受大气温度的影响，运行稳定可靠，效率大幅提高，且不对周围环境产生热与噪音等污染，是一种较为环保、符合绿色建筑要求的空调形式。

2.1.2 地下埋管式换热器系统设计

地源热泵地下换热器位于地壳浅层地表土壤中。土壤的类型、热性能、热传导、密度、湿度等对地源热泵性能影响较大。本项目根据土壤特性、地质结构等特点，利用GLD Pro12地下换热器设计软件计算出土壤性质分析单位管长换热器能力、确定工程垂直埋管深度、打井数量和分布等，并对地下换热器进行长达15年的土壤热平衡模拟，保证效率在寿命周期内不会衰减。计算结果见图1，计算过程中，以地下温度的变化值来衡量土壤热平衡程度。

经过计算，最终本项目设计竖井总数408口，采用单UPE管De32，井有效深度120 m，孔间距5 m即可满足本系统地源热泵制热量需求，制冷散热量不足部分通过闭式冷却塔解决。地埋管平面布置及地埋管剖面图见图2。

2.1.3 设备选型

根据上述计算结果，本项目地源热泵主机和水泵的选型及主要技术参数见表1和表2。

图1 计算结果

3 地源热泵热平衡运行策略

根据土壤热平衡模拟结果和往年运行实测结果，调整地源热泵系统全年运行预案，确定地埋管与冷却塔运行方式，对土壤热平衡进行控制，采取以地埋管为主、冷却塔为辅的控制方式，保证热泵系统运行效率。

3.1 夏季运行策略

1）主机的控制

夏季各月份不同温度对应不同负荷。冷量调节采用主机自带能量控制系统自动调控主机运行台数：优先运行单台主机，当检测到区域回水温度高于设定温度2℃时，增开一台主机；当冷冻水供回水总管水温差低于设定值时，停止一台主机。

2）闭式冷却塔及地埋管系统的控制

每台闭式冷却塔进水管、每路地埋管进水管及分集水器间安装电动蝶阀。根据设计预先设置随时间变化的地下土壤温度控制值，当地下土壤温度高于该设定值时，关闭该区域地埋管进水管电动蝶阀，由冷却水回水温度控制闭式冷却塔入口阀门、喷淋泵及风机的开启，将冷却水温度控制在设定值范围内。此外，制冷季节后期应尽量使用地埋管系统作为冷却源，以确保冬季制热效果。

表1 地源热泵主机选型及技术参数

表2 水泵选型及技术参数

3.2 冬季运行策略

1）主机的控制

制热量调节亦由主机自带能量控制系统自动调控。由于上海冬季负荷相对夏季负荷明显偏小，多数时间运行单台主机即可满足需求。为避免同一主机长时间运行造成损坏，本项目热量调节采用2台主机均衡时间运行，当负荷较大、且区域回水温度高于设定温度2℃时，停一台主机。

2）地埋管系统的控制

当某个区域地下土壤温度高于其他区域平均温度时，开启该区域地埋管进水管电动蝶阀，优先使用该区域地埋管，以实现各区域地埋管系统的均衡运行。

3.3 下一年度运行策略

控制系统自动记录第一年地埋管温度变化趋势，并将此趋势作为第二年地下土壤温度设定值的参考数据。

4 结语

上海烟草浦东科技创新园区地源热泵系统已完成调试，现处于试运行阶段。根据试运行时供热和制冷效果看，舒适性是满意的，但节能效益还有待观察。按热泵和系统在制冷和供热模式下能效比COP计算值看，本系统能效等级可达或远超1级标准，节能收益将是可观的。

未来将根据实际运行情况，进一步改善地源热泵运行模式，如，夏季采用制冷间歇运行方式、根据热水器温度控制主机启停、适当增大温度差值、改进冷却塔开启时间和方式等，以达到优化机组性能、提高运行效率、降低能耗和延长设备使用寿命的目的。