蘇州某商場項(xiàng)目地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例分析

彭 昊

（中國海誠工程科技股份有限公司，上海 200031）

蘇州某商場項(xiàng)目地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例分析

彭 昊

（中國海誠工程科技股份有限公司，上海 200031）

介紹了空調(diào)冷熱源采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)與太陽能熱水系統(tǒng)復(fù)合式系統(tǒng)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并對該項(xiàng)目的地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了投資回收分析。通過項(xiàng)目實(shí)例的介紹，對地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用范圍進(jìn)行了探討。

地源熱泵； 太陽能熱水系統(tǒng)輔助熱源； 地埋管系統(tǒng)

0 引言

建筑節(jié)能和環(huán)保是貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，而建筑能耗又以空調(diào)能耗為主，占建筑總能耗的40%-60%。土壤源熱泵系統(tǒng)是地源熱泵系統(tǒng)中的一種類型，它能將熱能儲存在淺層土壤中，或從淺層土壤中取出熱能，現(xiàn)視它為可再生能源系統(tǒng)。該文通過對蘇州某商場項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案的分析介紹，探討地源熱泵技術(shù)在大型商場中的應(yīng)用設(shè)計(jì)措施。

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于蘇州高新區(qū)，東西方向長度約為243m，建設(shè)用地面積67795m2，總建筑面積64589m2，商場營業(yè)面積約33000m2，建筑高度17.8m。主體建筑為地上三層；其中地上一層為敞開式停車庫，地上二層為商場，三層為商場展示區(qū)、顧客餐廳及員工辦公室。商場每天營業(yè)時(shí)間按12小時(shí)計(jì)，上午10時(shí)至晚上10時(shí)。商場內(nèi)部配套設(shè)施按工作人員200人，高峰時(shí)刻顧客8000人計(jì)。

2 冷熱源設(shè)計(jì)方案

2.1 空調(diào)冷熱源設(shè)計(jì)

建筑夏季空調(diào)冷負(fù)荷為3430kW，冬季空調(diào)熱負(fù)荷為1189kW。商場空調(diào)冷熱源采用水冷螺桿式冷水機(jī)組加地源熱泵機(jī)組相結(jié)合的模式，冬季僅地源熱泵運(yùn)行，夏季地源熱泵和水冷螺桿式冷水機(jī)組共同運(yùn)行，同時(shí)商場的太陽能熱水系統(tǒng)的輔助熱源也采用獨(dú)立的地源熱泵，輔助熱源制熱量為320kW。太陽能熱水系統(tǒng)用地源熱泵機(jī)組不設(shè)置獨(dú)立地埋管換熱系統(tǒng)，其地埋管換熱系統(tǒng)同空調(diào)用地源熱泵系統(tǒng)共用。

2.2 空調(diào)冷熱源系統(tǒng)的選擇

商場空調(diào)水系統(tǒng)冷熱源選用額定制冷量為1211kW，額定制熱量為1213kW的地源熱泵機(jī)組2臺，冷媒為R134a；選用額定制冷量1217kW螺桿式冷水機(jī)組1臺，冷媒為R134a。夏季由冷水機(jī)組和地源熱泵提供7℃/12℃空調(diào)冷凍水，冬季由地源熱泵提供45℃/40℃空調(diào)熱水，且冬季地源熱泵僅開啟一臺供熱，另一臺為備用。太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)置獨(dú)立熱源，設(shè)計(jì)采用額定制熱量為172.9kW的螺桿式地源熱泵機(jī)組2臺，冷媒為R134a。具體冷熱源系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 冷熱源系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow diagram of cooling and heating source

水冷螺桿式冷水機(jī)組及螺桿式地源熱泵機(jī)組冷凍水循環(huán)水泵采用3用1備，采用共管連接，便于居中布置的備用水泵切換。冷卻水系統(tǒng)共設(shè)置2臺開式冷卻塔，螺桿式冷水機(jī)組對應(yīng)1臺開式冷卻塔，配合螺桿式冷水機(jī)組一對一提供冷卻水，2臺地源熱泵機(jī)組共用1臺開式冷卻塔，地源熱泵機(jī)組夏季單臺機(jī)組在合理的累計(jì)釋熱量與取熱量比控制值范圍內(nèi)，優(yōu)先采用地埋管提供冷卻水，在超出控制比或負(fù)荷高峰時(shí)第二臺地源熱泵采用冷卻塔提供冷卻水。冷水機(jī)組的冷卻水泵及地源熱泵機(jī)組地埋管側(cè)循環(huán)水泵采用3用1備設(shè)置，通過共管連接，并通過常閉密閉手動閘閥隔斷。居中布置的公用備用水泵，可根據(jù)運(yùn)行需要切換至冷卻水側(cè)或地埋管側(cè)。夏季冷卻水設(shè)計(jì)供回水溫度為32℃/37℃。空調(diào)地源熱泵機(jī)組夏季冷凝器設(shè)計(jì)進(jìn)出水溫30℃/35℃，冬季蒸發(fā)器設(shè)計(jì)進(jìn)出水溫10℃/5℃。

太陽能熱水地源熱泵全年提供60℃熱水，回水溫度55℃。地源熱泵機(jī)組熱水側(cè)及地埋管側(cè)循環(huán)水泵分別采用2用1備。熱水系統(tǒng)地源熱泵機(jī)組的地埋管側(cè)接管冬夏季不切換，連接蒸發(fā)器維持其供熱功能，夏季蒸發(fā)設(shè)計(jì)進(jìn)出水溫30℃/25℃，冬季蒸發(fā)器設(shè)計(jì)進(jìn)出水溫10℃/5℃。

3 地源熱泵系統(tǒng)換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 熱響應(yīng)試驗(yàn)測試

為獲得地埋管換熱器的換熱規(guī)律、地下土壤的熱物理參數(shù)等設(shè)計(jì)依據(jù)，選取兩個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行鉆孔埋管的巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)。地源熱泵模擬工況條件的設(shè)備由可調(diào)功率加熱器（最大可調(diào)至13kW）、循環(huán)水泵、流量調(diào)節(jié)閥、電磁流量計(jì)、玻璃管溫度計(jì)、智能溫度采集模塊組成，可用來模擬夏季排熱工況，地埋管內(nèi)流量、供水溫度依據(jù)設(shè)計(jì)要求可手工調(diào)節(jié)設(shè)定。試驗(yàn)原理圖如圖2所示。

圖2 熱響應(yīng)試驗(yàn)原理圖Fig.2 Thermal response test schematic

具體熱響應(yīng)測試報(bào)告結(jié)論如下：

（1）測試的土壤初始平均溫度為18.1℃。

（2）在地埋管進(jìn)水溫度35.3-38.2℃的條件下，單U管100m土壤換熱器每米井深平均散熱量為61W/m；在地埋管進(jìn)水溫度8.2-8.7℃的條件下，單U管100m土壤換熱器每米井深平均取熱量為44.5W/m。

（3）測試綜合土壤導(dǎo)熱系數(shù)分析平均值1.545（W/m·℃）。

（4）進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)前，利用打孔設(shè)備鉆孔現(xiàn)場打孔，打孔過程較為順利。通過地下巖土層取芯采樣，從打孔施工方面了解的地層結(jié)構(gòu)看（以均為軟土，含水土層較厚，地表水位高），該地質(zhì)層結(jié)構(gòu)適合做地源熱泵系統(tǒng)。

（5）由于存在一定的冷熱不平衡需要巖土層自然消散，建議成孔間距應(yīng)不小于4.5m。

3.2 采用地埋管布置方案

3.2.1 地埋管換熱計(jì)算[1]

地埋管換熱系統(tǒng)夏季系統(tǒng)最大散熱量可以按以下公式計(jì)算：式中—夏季系統(tǒng)最大散熱量，kW；

Q1—夏季設(shè)計(jì)冷負(fù)荷（僅考慮空調(diào)系統(tǒng)），kW；

EER—地源熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)，該項(xiàng)目為5.77。

公式（1）中輸送過程得熱量和水泵釋放熱量簡化后可得：

地埋管換熱系統(tǒng)冬季系統(tǒng)最大吸熱量可以按以下公式計(jì)算：

Q2—冬季設(shè)計(jì)熱負(fù)荷（同時(shí)考慮空調(diào)系統(tǒng)及太陽能系統(tǒng)），kW；

COP—地源熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)，該項(xiàng)目為4.58。

粗略認(rèn)為輸送過程損失的熱量同水泵釋放熱量相互抵消，公式（2）可簡化后可得：

由于太陽能熱水系統(tǒng)地源熱泵作為輔助熱源是間歇性熱源，基于最不利條件考慮，以上理論夏季最大散熱量計(jì)算中并未考慮太陽能熱水系統(tǒng)地源熱泵運(yùn)行時(shí)的吸熱量的折減，但實(shí)際運(yùn)行中太陽能熱水系統(tǒng)地源熱泵運(yùn)行時(shí)的吸熱量會有助于提高空調(diào)系統(tǒng)地源熱泵地埋管換熱的效率。

熱響應(yīng)試驗(yàn)測試的單位延米換熱量是基于特定工況下的測試值，但地埋管換熱器換熱量受地下土壤溫度、埋管間距、供回水溫度等影響較大，且實(shí)際運(yùn)行過程中換熱量為變量值，為確保地源熱泵實(shí)際運(yùn)行的節(jié)能性及可靠性，設(shè)計(jì)采用的地埋管換熱每延米換熱量在在測試值得基礎(chǔ)上考慮了一定安全系數(shù)，見表1。

表1 地埋管換熱計(jì)算值同測試值比較Tab.1 Heat exchange performance comparison between calculation and test

按照夏季系統(tǒng)最大散熱量計(jì)算值，可計(jì)算夏季計(jì)算埋管總長：

按照冬季系統(tǒng)最大吸熱量計(jì)算值，可計(jì)算冬季計(jì)算埋管總長：

取冬夏季的計(jì)算埋管長的高值，且埋管深度按100m考慮，得計(jì)算埋管數(shù)＝30360/100≈304個(gè)孔。根據(jù)蘇州已有工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)[2]，結(jié)合提供的該項(xiàng)目土壤熱物性測試報(bào)告建議，該工程地埋管間距按照5m設(shè)計(jì)，每個(gè)孔占地面積25m2，地埋管占地面積約7500m2。

3.2.2 地埋管布置

該項(xiàng)目用地主要分成建筑用地、綠化和道路廣場三部分，具體面積分析見表2，單從面積考慮，三個(gè)區(qū)域都滿足，但綜合考慮地埋管布置統(tǒng)一性、埋管施工難度，地埋管集中設(shè)置在室外道路廣場的停車場下方。

表2 建筑用地分析Tab.2 Analysis of site land area

地源熱泵采用垂直地埋管換熱系統(tǒng)，埋管井的數(shù)量330個(gè)，埋管深度為100m，間距5m。地埋管系統(tǒng)采用一級分集水器，分出22組水平干管，每組為設(shè)15個(gè)垂直換熱器，其中備用2組作為系統(tǒng)穩(wěn)定性考慮的安全余量，垂直換熱管采用De32單U型，地埋管系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 地埋管系統(tǒng)示意圖Fig.3 Buried pipe system schematic

圖4 地埋管機(jī)房及鉆孔布置圖Fig.4 Layout of machine room and drill hole

在商場一層停車庫某位置設(shè)置分/集水器間，各連接回路的水平管從室外地面引至商場分集水器間處，穿地面套管進(jìn)入到分集水器間，與相應(yīng)分集水器連接。分集水器供回水主管出分集水器間走商場地面下接至地源熱泵機(jī)房，地埋管機(jī)房及鉆孔布置圖如圖4所示。

4 投資及節(jié)能性分析

為分析該項(xiàng)目采用地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效果，按照該項(xiàng)目的情況對地源熱泵系統(tǒng)的投資費(fèi)用和年運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行估算，并同常規(guī)冷熱源系統(tǒng)投資（冷水機(jī)組+鍋爐）進(jìn)行比較，相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 地源熱泵投資及節(jié)能分析Tab.3 Investment and energy-saving analysis of ground source heat pump

由于生活熱水系統(tǒng)的地源熱泵是作為太陽能熱水系統(tǒng)的輔助補(bǔ)充熱源，其使用概率不高且周期不穩(wěn)定，因此表3不對其投資及節(jié)能進(jìn)行分析。

從表3數(shù)據(jù)可知該項(xiàng)目的地源熱泵增加的投資理論上應(yīng)能在2.7年收回，從經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析上看是具有很大的優(yōu)勢，但是上表地埋管的投資費(fèi)用在地源熱泵空調(diào)主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)所占比重高達(dá)45%，因此項(xiàng)目所在地的地埋管換熱效率將很大程度上決定其投資回收期。因此在地源熱泵系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)前，一定嚴(yán)格按照規(guī)范要求，進(jìn)行工程場地狀況調(diào)查，并應(yīng)對淺層地?zé)崮苜Y源進(jìn)行勘察，完成巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)，為地埋管換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

5 結(jié)語

通過該項(xiàng)目案例的分析，地源熱泵系統(tǒng)作為一種綠色節(jié)能的空調(diào)技術(shù)，相對傳統(tǒng)的空調(diào)冷熱源（冷水機(jī)組+鍋爐）系統(tǒng)，其投資回報(bào)是具有一定的優(yōu)勢，同時(shí)地源熱泵機(jī)組的運(yùn)行避免了鍋爐運(yùn)行時(shí)燃燒污染物廢氣的排放，也減少了冷卻塔運(yùn)行噪音、廢熱和漂水對周圍環(huán)境的影響，其環(huán)保優(yōu)勢也顯而易見。對于地源熱泵的應(yīng)用有以下幾點(diǎn)建議：

（1）通常江浙地區(qū)的熱響應(yīng)測試結(jié)果在每延米換熱量40-60W范圍，其地質(zhì)條件能很好的發(fā)揮其節(jié)能優(yōu)勢，獲得很好的投資回報(bào)周期，但是對于地下?lián)Q熱不佳（每延米換熱量低于30W）的場所應(yīng)慎重考慮其經(jīng)濟(jì)性。

（2）地源熱泵可以作為太陽能熱水系統(tǒng)輔助熱源等其它間歇性熱源的可選方案，相較電加熱、鍋爐等熱源方式它更加具備節(jié)能優(yōu)勢，也不存在風(fēng)冷熱泵在北方地域寒冷氣候的限制，但是需要配合地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，方可解決其制熱單一運(yùn)行模式的地源換熱熱平衡問題。

（3）理論上地源熱泵也可以作為生活熱水系統(tǒng)主熱源等其它全年熱源，其節(jié)能空間更大，但是必須配合制冷裝機(jī)容量更大的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，具體裝機(jī)容量比值不僅應(yīng)考慮空調(diào)計(jì)算冷熱負(fù)荷，還應(yīng)同時(shí)能滿足生活熱水等其它全年熱源系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的全年地埋管側(cè)總釋熱量和總吸熱量的平衡。

[1]中國建筑科學(xué)研究院.GB 50366-2005地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范（2009年版）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[2]趙書杰，干兆和.地源熱泵在蘇州地區(qū)的適宜性研究[J].施工技術(shù)，2010，39(10)：116-119．

Design Analysis of Ground Source Heat Pump System for Store Project

PENG Hao
（China Haisum Engineering Co.，Ltd，Shanghai 200031，China）

Thispaperintroducesground sourceheat pump system design experience to combine the buried heat exchange piping for air condition system and solar water system into one,and investmentamp; payback period of ground source heat pump system for this project is estimated.The application of ground source heat pump is discussed based on study of this case.

ground source heat pump； auxiliary heat source for solar water system；buried piping system

TU831

B

2095-3429（2017）05-0090-05

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.05.021

2017-06-23

彭昊（1981-），男，湖南長沙人，碩士研究生，工程師，主要從事暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。