地源熱泵系統應用于辦公樓大型項目

1、項目概況

本項目是某集團總部辦公樓，位于江西省南昌市， 處于夏熱冬冷氣候區。項目總建筑面積7971m2 ，其中地 上建筑面積6868m2 ，地下建筑面積1103m2 。為了節能和 降低外部環(huán)境對建筑室內環(huán)境的影響，保證居住空間室 內空氣質(zhì)量，項目設計引入德國被動(dòng)房設計理念，優(yōu)化 外圍護結構密閉性體系，增加房間密閉性，隔絕室外污 濁空氣通過(guò)外圍護結構滲透到室內來(lái)。

為解決室內新風(fēng) 需求，采用了置換式全新風(fēng)系統，24小時(shí)為室內人員舒 適健康提供保障。并且設計以被動(dòng)優(yōu)先、主動(dòng)優(yōu)化為原則，被動(dòng)設計從外圍護結構入手，對項目進(jìn)行了整體優(yōu)化設計，以投資回收期為目標函數，優(yōu)化了維護圍護結 構、體形系數、外窗形式、窗地面積比等建筑本體各方面設計參數。主動(dòng)優(yōu)化方面以地源熱泵系統作為辦公樓 制冷供熱能源，建筑室內空調系統由天棚毛細管系統+ 置換式新風(fēng)組成，實(shí)現恒溫恒濕恒氧的高舒適室內辦公 環(huán)境，并建立遠程能源管理平臺，對項目后期運行實(shí)時(shí) 監測控制，使空調系統達到最佳運行狀態(tài)。

2、巖土綜合熱物性測試

在地源熱泵系統應用中，最重要的設計環(huán)節是地埋 管換熱器的設計，它是熱泵系統的冷熱源的來(lái)源?？茖W(xué) 設計計算地埋管換熱器的依據是地下巖土的熱物性參數。由于地質(zhì)結構的復雜性及地下水的影響，通過(guò)理論 計算巖土熱物性比較困難，通常是通過(guò)現場(chǎng)試驗測試獲 得巖土熱物性，以供地埋管設計計算。

本項目的巖土熱響應測試方法采用恒熱流測試方法，《地源熱泵系統工程技術(shù)規范》GB50366-2005（2009年版）附錄C.3中要求采用向巖土施加一定熱功 率的方式進(jìn)行熱響應試驗），即對巖土施加一定熱量的 方式，記錄地埋管換熱介質(zhì)進(jìn)出口溫度及流量等數據， 再利用反算法推導出巖土熱物性參數。

本項目鉆探兩個(gè)測試孔兩口實(shí)施測試，均采用雙U 型埋管。根據測試數據進(jìn)行分析計算得出，本項目巖土 綜合導熱系數為2.59W/m.℃。

3、地源熱泵系統設計方案

本項目采用了地源熱泵+毛細管天棚輻射采暖制冷系統，空調計算冷負荷391kW，熱負荷183kW。項目為 集團總部辦公樓，要求系統運行可靠性高，主機采用2 臺制冷量334kW，制熱量349kW的熱泵機組，可基本實(shí) 現1用1備工況。

3.1 地埋管設計

地埋管采用雙U25型PE管，鉆孔直徑150mm，鉆孔 深度75m，每孔敷設4根PE管豎直埋管。根據設計計算 需要92個(gè)豎井鉆孔，鉆孔間距5mx5m，考慮到安全性增 加9個(gè)鉆孔孔施工，共計施工101個(gè)地埋管。由于項目所 在地地下水水位很淺只有5m，本工程的地埋管又是在車(chē) 庫底板下方,低于地下水水位，地埋管全部被水浸泡。 因此鉆孔回填材料采用了透水性的粗砂，可充分利用水的對流增強換熱效果。

地埋管水平引出管有兩種方式：a）干管連接約20 組地埋管引出至集分水器;b）每組地埋管獨立引出至集 分水器。

考慮到基礎施工時(shí)地表不平整，施工場(chǎng)地遍布泥 水，在垂直地埋管施工完成后還有多道土建工序才可以 連接水平管。在這期間極易造成管內泄漏泥沙淤積泥沙 或漏水形成集氣。設計采用獨立引出方式可以對每路地埋管進(jìn)行排氣和疏通，而干管引出方式則無(wú)法實(shí)現。由 圖3中熱成像圖片可以看出，在竣工調試前約有50%的 環(huán)路處于阻塞狀態(tài)。根據經(jīng)驗，阻塞是由氣阻和泥沙造 成，由于阻塞管路阻力相對大，即使加大系統流量和壓 力也會(huì )經(jīng)暢通的環(huán)路旁通，無(wú)法沖開(kāi)阻塞環(huán)路。采用關(guān) 閉剩余環(huán)路只留一路的方式，在分水器使用高壓水泵補 水、集水器排空，可以將阻塞的環(huán)路打通。在疏通調試過(guò)程中會(huì )觀(guān)察到氣塞和泥水不斷從排放口涌出，直至放 出清水為止。因此推測采用集中干管引出的方式會(huì )有 30～50%的地埋管無(wú)法正常工作，造成熱泵埋管系統整 體效率低下。

由于本項目夏季制冷負荷大、時(shí)間長(cháng)，遠遠高于冬 季采暖，土壤計算熱平衡很難做達到全年土壤熱平衡。 但項目所在地地下水豐富，地下水滲流對地埋管傳熱有 正面的影響，具備可促進(jìn)熱量遷移效果，存在能夠自動(dòng) 消化積存熱量達到緩解熱不平衡問(wèn)題的可能性。由于地 下水滲流模型復雜，熱遷移效果無(wú)法準確計算，為安全 起見(jiàn)系統預留了冷卻塔輔助接口，同時(shí)對土壤溫度、地 埋管供回水溫度進(jìn)行全年實(shí)時(shí)監測，以積累熱遷移驗證數據。

3.2 毛細管天棚輻射采暖制冷系統

毛細管天棚輻射采暖制冷系統是完全不同于傳統空 調的對流熱傳遞方式。輻射采暖制冷，是指它通過(guò)降低 （提升）天棚表面的溫度，形成冷（熱）輻射面，依靠 輻射面與人體、家具及圍護結構其余表面的輻射熱交換 進(jìn)行供熱（冷）的技術(shù)方法。在輻射采暖制冷系統中， 熱量以直線(xiàn)輻射的形式由高溫表面傳遞到冷表面上，實(shí) 現輻射面與人體、家具及圍護結構等表面的輻射熱交 換。天棚輻射一般以水作為熱（冷）媒傳遞能量，其比 熱大、占空間小、效率高。輻射冷卻系統工作在“干工 況”，即表面溫度控制在室內露點(diǎn)溫度以上。這樣，室 內的熱環(huán)境控制和濕環(huán)境、空氣品質(zhì)的控制被分開(kāi)，輻 射采暖制冷系統負責承擔室內顯熱負荷，承擔將室內溫 度維持在舒適范圍內的任務(wù)。通風(fēng)系統則負責承擔人員 所需新鮮空氣的輸送、室內濕環(huán)境調節、以及污染物 的稀釋和排放以及室內濕環(huán)境調節等任務(wù)。這種獨立 控制策略，使得空調系統對熱、濕、新風(fēng)的處理過(guò)程 分別實(shí)現，對建筑物室內環(huán)境控制的節能控制具有重 要意義。

3.3 免費制冷模式 

由于天棚輻射制冷的需要溫度較高，尤其是經(jīng)過(guò)冬 季供熱，在春末夏初時(shí)節，地源側出水溫度在16-17℃ 左右，為免費制冷提供了基礎，如圖6中粗線(xiàn)示意的流 程。地源供回水溫度為17/19℃，通過(guò)免費冷循環(huán)泵進(jìn) 入板換一次側與天棚側供回水換熱，天棚毛細管水溫為 19/22℃，完全滿(mǎn)足南昌4月底和5月初的室內輻射制冷 需求[3]。如果是傳統空調末端則無(wú)法利用這種“高溫”冷源，只能開(kāi)啟冷機運行壓縮機供冷。所以地源熱泵與 毛細管天棚輻射系統的結合可以減少主機開(kāi)啟時(shí)間，進(jìn)一步節省能源消耗。在此工況下，系統COP可以達到 8.3。

4、能耗計算分析與監測

4.1 全年系統能耗分析

夏季制冷季為5～10月，最高峰值為6.9萬(wàn)kWh/月，出現在8月高溫高濕的“桑拿”天氣；冬季制冷季為1月和12月（考慮到營(yíng)銷(xiāo)舒適，顧客 接待廳和員工高舒適，2、3和11月也進(jìn)行了供熱），最 高峰值為4萬(wàn)kWh/月，出現在1月的“三九”天。辦公樓全年有24小時(shí)新風(fēng)供應，因此有固定的0.7萬(wàn)kWh/月新風(fēng)機組能耗。

熱泵系統在空調系統中耗能占比73%，比傳統空調 系統占比大是因為末端采用了天棚輻射系統更節能，沒(méi) 有空調機組和風(fēng)機盤(pán)管的耗電。夏季末端系統在空調系 統中能耗占比20%，冬季末端系統在空調系統中能耗占比32%，表明空調負荷越大毛細管輻射系統越節能。

4.2 熱泵系統運行能效分析

熱泵機組全年平均COP=8，屬于較高的運行工況。分析原因在于機組大部分時(shí)間處于非標準 工況運行，效率較高。尤其是冬季天棚輻射供熱溫度僅需26～28℃，系統運行溫度為35/30℃或更低，大大提高了COP甚至接近了10。夏季在非高峰季節制冷供水也 高溫運行，提高了機組制冷COP。

熱泵系統COP=3.8，比預期要低還存在提高的空 間。這是因為系統第一年運行，各循環(huán)泵變頻工況未調 試完成，末端溫差在部分工況時(shí)有時(shí)只有2～3℃，在 3、10、11、12月比較明顯，待系統變頻工況調試完 成預計可達到4.5左右。4月底為免費制冷模式，所以 系統COP較高，而機組沒(méi)有運行所以沒(méi)有COP數據。

4.3 室內環(huán)境與節能分析

辦公樓按照甲級寫(xiě)字樓溫濕度環(huán)境標準運行，以 滿(mǎn)足員工正裝工作的舒適要求。辦公樓夏季運行室內溫 度在23～24℃，相對濕度65%左右，天棚輻射制冷溫度 22.5℃。新風(fēng)機組將室外空氣處理到15℃，通過(guò)風(fēng)管送到 各個(gè)房間，在送風(fēng)口到達18℃左右以地板送風(fēng)的方式送 入辦公室。由于送風(fēng)溫度低于室內空氣溫度，在地面附 近形成“新風(fēng)湖”，實(shí)現了置換式低溫度約 7℃，基本保持在10℃；夏季最高溫度為40℃，基本在 35℃，與設計值基本一致。在4月中～5月初的地源出水 溫度在17℃，可以實(shí)現設計中的“免費制冷”工況，至 5月中旬熱泵開(kāi)啟制冷模式后迅速上升到24℃。土壤溫 度最低16.5℃，出現在4月15日；最高溫度23.5℃，出 現在10月20日。與地源出水溫度峰值相比平緩許多，并有3月時(shí)間的滯后。土壤溫度與年初比 較有2.5℃的升高，表明放熱量大于取熱量，未達到熱平衡狀態(tài)。由于系統是 第一年運行未達到最佳狀態(tài)，制冷能耗 還能降低，有可能實(shí)現熱平衡。如果土 壤溫度繼續升高則需要啟動(dòng)冷卻塔進(jìn)行平衡。

6、結語(yǔ)

由于采供暖溫度低、制冷溫度高，毛細管輻射采暖 制冷系統與地源熱泵結合與傳統空調系統相比更節能。 在春夏過(guò)渡季，可利用土壤冬季蓄冷通過(guò)天棚系統“免 費制冷”，系統ＣＯＰ＝8.3，遠高于傳統空調系統。 系統ＣＯＰ與循環(huán)水泵運行狀態(tài)高度關(guān)聯(lián)，提高水泵輸 送系數可進(jìn)一步提高熱泵系統節能效率。地源熱泵系統 運行時(shí)，土壤溫度變化有時(shí)滯，滯后于建筑負荷變化3 個(gè)月時(shí)間左右。毛細管輻射空調系統由于末端無(wú)風(fēng)機 沒(méi)有電機耗能，能耗低而且舒適度高。