武汉某写字楼地源热泵系统设计与实施

胡先芳 周敏锐 雷建平 陈焰华

中信建筑设计研究总院有限公司

1 项目概况

1.1 用地概况

项目位于武汉市汉阳区四新片区，总占地面积33800 m2，包含一栋写字楼和一栋配套体育馆，其中写字楼用地面积12500 m2，体育馆用地面积5500 m2，车道用地面积5800 m2，室外雨水回收区用地面积5000 m2，剩余室外绿化面积约5000 m2，各功能区分布详见图1 所示。

1.2 建筑物概况

写字楼总建筑面积95120 m2，其中地上21 层，建筑面积70000 m2，地下2 层建筑面积25120 m2，建筑高度88.2 m，1-3 为裙房，4-21层为塔楼。地下室主要为车库和设备用房，一层为餐厅和展示厅，二层为中庭、展厅和多功能大会议厅，三层为会议室，四层为图书馆和监控室，五层为档案室，6-21 层为办公室（包含少数会议室）。

2 地源热泵系统设计

2.1 冷热负荷

采用集中空调的区域为写字楼，冷热负荷计算结果如表1 所示，修正后的空调冷负荷[1]计算值为6375 kW，空调热负荷计算值为3599 kW。

表1 负荷计算

2.2 冷热源

经过前期勘察调研和方案比较，结合写字楼的定位，本项目采用集中空调系统，冷热源采用地源热泵+常规冷水机组，按照冬季热负荷配置地源热泵系统，夏季不足的冷负荷则由常规离心机组+冷却塔进行补充。

1）集中空调系统冷热源采用1 台单机制冷量为3135 kW 的离心式冷水机组、3 台单机制冷量1116 kW 制热量1316 kW 的螺杆式地源热泵机组，共同负担写字楼空调末端的冷热负荷。冷热源机房设置在写字楼地下二层东北角处。

2）离心式冷水机组配置3 台单台处理水量300 m3/h 的方型横流超低噪声冷却塔，冷却塔设置在写字楼北面的绿化带中。

3）空调水系统为一次泵变流量系统，夏季空调供回水温度为7/12 ℃，冬季空调供回水温度为45/40 ℃。

4）地埋管水系统按一次泵变流量系统设计，其地埋管水系统设一组泵，对应地源热泵机组，冷却水系统配置一组泵，对应离心机组+冷却塔系统。

2.3 土壤换热器

土壤换热器设计按冬季从土壤中的吸热量进行[2]，为保证土壤热平衡，地埋管换热器在夏季不足部分由冷却塔来补充散热，根据设计中埋设的土壤换热器温度传感器监测的温度变化情况确定冷却塔的运行策略。

换热器设计冬季最大吸热量为3380 kW，由于场地限制，本工程土壤换热器采用工程桩内埋管及垂直钻孔埋管相结合的方式，采用水为循环介质。设计阶段钻孔及换热量统计参见表2 所示。

表2 设计阶段钻孔及换热量统计

工程桩为泥浆护壁钻孔灌注桩，桩径为800 mm，写字楼有效桩长约为40 m（可埋管长度38.5 m），西侧的体育馆有效桩长约为30 m（可埋管长度28.5 m），在可利用的桩内设“双U 型”埋管，每两根桩内的“双U”串联为一个独立的环路，共549 根桩（281 个环路），工程桩内埋管冬季单位桩长设计吸热量65 W/m，最大吸热量1241 kW（夏季设计最大排热量1718 kW，90 W/m），施工单位进场完成工程桩内埋管施工后，应取不少于两个环路作桩埋管的换热量测试，并提交测试数据。

2.4 地源侧水系统形式

各类埋管按单孔、桩的形式与各类二级分集水器相连，桩埋管二级分集水器侧按异程式系统设计，二级分集水器位置按区域就近布置。

图2 是写字楼地下室埋管区施工分区示意图，A、B 施工分区为写字楼地下室埋管北区，C、D 施工分区为写字楼地下室埋管南区，为了保证各区地埋管换热器之间水力平衡，地埋管二级分集水器侧采用同程式系统设计，二级分集水器位置分别位于写字楼和体育馆两侧，其中左侧为分水器，冷却水从分水器流经地埋管换热器后，汇集至右侧的集水器，然后流入地源热泵机组。

图2 设计阶段地埋管换热器施工分区

3 系统实施与设计的偏差

3.1 地质状况引起的偏差

3.1.1 钻孔深度与钻孔数

项目在实施的过程中，由于部分区域地下出现溶洞，平均钻孔深度只有68.5 m（有效埋管深度67 m），达不到设计深度90 m，为了保证地埋管换热量，需增加钻孔数量，经现场考察，写字楼南侧现为施工材料堆放区，规划设计为广场（绿化带），面积约为5000 m2，在此区域新增钻孔198 个，平均钻孔间距约5 m。实施阶段钻孔及换热量统计参见表3 所示。

表3 实施阶段钻孔及换热量统计

3.1.2 检查井结构

图3 是地源热泵二级分集水器检查井现场实施环境，可以看出检查井所处地层以黏土为主，因为施工时间赶上梅雨季节，土质较松软，而且现场操作空间狭小，使得后期采用大型机械夯实垫层土壤变得十分困难，为了防止检查井后期发生浮升或是沉降，通过与结构专业进行论证计算，在检查井底部增加500 mm 厚的钢渣混凝土配重，同原始设计相比，检查井的深度增加了500 mm。

图3 地源热泵检查井现场实施场景

3.2 施工条件引起的偏差

3.2.1 交叉施工引起的偏差

1）由于地质情况较为复杂，前期施工对地埋管换热器钻孔难度估算不足，换热器施工工期拉长，为了确保整体工程按时完工，地下室结构底板和位于结构底板下的地埋管换热器需要同时施工，因此将施工分区调整为图4 所示，同图2 相比，地埋管二级分集水器侧由设计阶段的同程式系统变更为实施阶段的异程式系统，为了维持水力平衡，通过调整换热器连接二级分集水器之间的水平埋管管径，尽量使各环路之间的水力不平衡率控制在可调范围内（小于15%）。图5是D1 区和D2 区水平埋管管径分区，钻孔内垂直埋管管径为De25，连接垂直埋管的水平埋管供、回水管径在De32 和De40 之间调整，使得各环路之间的不平衡率基本控制在±15%范围内，对于少数超过15%的环路，将其连接在不同的二级分集水器上，通过调整设置于二级分集水器与一级分集水水平连管上的静态平衡阀来达到水力平衡[3]。

图4 实施阶段地埋管换热器施工分区

图5 D1 和D2 区水平分集管管径分区

2）连接二级分集水器与一级分集水之间的水平干管采用直埋管，管线主要集中在写字楼北边的消防车道下，车道宽7 m，给排水室外管线也主要集中于此，在直埋管敷设阶段，写字楼地下室同步施工，由于车道边线离规划红线距离较近，项目大基坑支护占据了一部分车道宽度，造成直埋管敷设宽度变窄，管线敷设形式从设计阶段的单层敷设、供回并行，调整为实施阶段的双层敷设，上层供水，下层回水的形式，上下层之间错开一定距离，便于后期下层管线检修。

3.2.2 施工场地引起的偏差

体育馆地下室底板下的地埋管换热器二级集水器位于体育馆西侧，从图1 可以看出，体育馆地下室西侧边线离规划红线距离较小，设计宽度为3 m，而检查井与体育馆地下室同步施工，现场实测地下室外墙支护距离西侧边坡支护距离仅为1.9 m，检查井宽度为1.8 m，如果采用现场支模现浇的方式，现场不具备实施条件，通过调研论证，将检查井由设计阶段的现浇方式调整为采用预制水泥管，如图6 所示，预制水泥管检查井的使用不仅保证了施工进度，而且有效降低了现场施工难度，比较适用于施工场地狭小的埋管区域。

图6 预制水泥管检查井现场实施场景

4 结语

地源热泵系统的设计和实施是一项复杂的系统工程，地质状况的多样性、交叉施工的复杂性、施工场地的局限性、施工时段气候的不可测性等都会对项目的实施造成不可预料的影响，本文对武汉地区某写字楼地源热泵系统实施与设计的差异、产生差异的原因进行了分析，对施工阶段出现的主要问题进行了分析总结，对工程实施中三类常见问题给出如下建议：

1）地源热泵系统在设计阶段应充分考虑施工工序、交叉施工对系统设计的影响，对于埋管面积狭小的区域，土建结构和地埋管换热器同步施工所产生的矛盾尤为突出，在设计之初就应提出相应解决方案，避免后期系统埋管形式变更。

2）地埋管二级分集水器侧环路在无法使用同程式系统时，可以通过调整换热器连接二级分集水器之间的水平埋管管径，使各环路之间的水力不平衡率控制在可调范围类。

3）对于地源热泵二级分集水器检查井施工场地比较狭小的空间，可以采用预制水泥管检查井或装配式混凝土检查井[4]，不仅可以加快施工进度，而且有利于效降低现场施工难度。