地源熱泵與主動式冷梁高效復(fù)合系統(tǒng)在學(xué)校建筑中的應(yīng)用與設(shè)計

劉 芳

同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司

引言

地源熱泵系統(tǒng)作為利用可再生能源的節(jié)能環(huán)保技術(shù)，其應(yīng)用范圍越來越廣泛。上海楊浦德法學(xué)校是涵蓋從幼兒園到高中教育的K-12國際學(xué)校，本項目的設(shè)計參評國家綠建三星及LEED鉑金認證。主動式冷梁和地源熱泵系統(tǒng)復(fù)合系統(tǒng)在舒適度，節(jié)能，環(huán)保等多方面展現(xiàn)出了優(yōu)勢[1][2][3]。

1 建筑概況

本工程（上海楊浦德法國際學(xué)校）位于上海市楊浦區(qū)新江灣城，北鄰殷行路，西側(cè)為江灣城路，東側(cè)為河流，南側(cè)為相鄰其他地塊。使用功能為從幼兒園到高中的K-12國際學(xué)校；總建筑面積8380m2，地上建筑面積2365 m2，地下建筑面積：16015 m2；建筑層數(shù)：地上5層，地下1層；建筑高度24m。根據(jù)本工程的項目定位、場地布置、平面布局、功能特點以及項目節(jié)能運行、可再生能源利用要求等，空調(diào)系統(tǒng)冷熱源采取地埋管式地源熱泵系統(tǒng)(GSHP)，同時供應(yīng)食堂生活熱水、泳池池水的初次加熱和池水保溫?zé)崃俊?/p>

通過全年能耗模擬結(jié)果分析，及地源熱泵方案經(jīng)濟性分析，最終確定冷凍機房內(nèi)配置3臺低溫地源熱泵機組，每臺制冷量1550kW,供空調(diào)箱及風(fēng)機盤管機組冷熱水；2臺高溫水地源熱泵機組，每臺制冷量457kW，供冷梁末端冷熱水，其中一臺做全熱回收機組，供泳池夏季維持熱量/食堂生活熱水加熱及空調(diào)箱再熱。

教學(xué)區(qū)采用冷梁+熱回收型新風(fēng)機組，其中新風(fēng)系統(tǒng)采用了變風(fēng)量送風(fēng)系統(tǒng)，研究并確定了根據(jù)教室及辦公室人員流動特點，設(shè)置CO2濃度監(jiān)測對新風(fēng)送風(fēng)量進行精確控制。新風(fēng)空調(diào)箱的風(fēng)機采用變頻風(fēng)機，根據(jù)主風(fēng)管上定靜壓測點調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速以達到變風(fēng)量的送風(fēng)的節(jié)能效果?？照{(diào)箱過濾段為G4初效+靜電中效+袋式F8，以滿足對室內(nèi)空氣品質(zhì)的要求。冷梁均自帶防結(jié)露溫度控制系統(tǒng)。

體育館、游泳館、劇院等大空間設(shè)置為全空氣系統(tǒng)，其中劇院設(shè)置組合式空調(diào)機組，同樣帶排風(fēng)熱回收功能，且采用變頻風(fēng)機，過渡季可實現(xiàn)全新風(fēng)運行。體育館區(qū)域室內(nèi)氣流組織形式為上送下回方式，劇院則采用座椅下送風(fēng)置換通風(fēng)的下送中上部回的室內(nèi)氣流組織形式。游泳館區(qū)域采用泳池專用熱泵型恒溫除濕系統(tǒng)。幼兒園區(qū)域和游泳館泳池池邊區(qū)及更衣室設(shè)置地板輻射采暖系統(tǒng)。

本項目運用了BIM技術(shù)對機電管線進行碰撞檢測及管線綜合優(yōu)化。以滿足室內(nèi)凈高要求。

2 全年能耗模擬

此項目中采用eQuest作為建筑動態(tài)模擬軟件，該軟件能夠完成負荷計算、設(shè)備選型、動態(tài)熱模擬、動態(tài)能耗模擬。此軟件提供了一個綜合的建筑物理模擬環(huán)境，能模擬建筑物不同區(qū)域或不同時間的空調(diào)系統(tǒng)及其他用能設(shè)備運行情況。預(yù)估在某種人員活動作息和空調(diào)系統(tǒng)運行作息下建筑物的各項能耗。

本項目使用兩個能耗模型進行對比，分析現(xiàn)有設(shè)計的能耗及節(jié)能情況：

（1）基準建筑：模擬基于《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準GB50189-2015》進行設(shè)置。

（2）現(xiàn)有設(shè)計建筑：能耗模型基于最終施工圖的建筑和機電圖紙、設(shè)計說明、設(shè)備運行時間以及設(shè)計圖紙中的其它信息。

設(shè)計建筑和基準建筑能耗比較結(jié)果見圖2

從設(shè)計建筑和基準建筑的能耗分布圖和建筑各項能耗比例圖可以看出，現(xiàn)有設(shè)計節(jié)能最明顯的部分當屬采暖熱源，節(jié)能比例達到82．79%。這個結(jié)果主要得益于地源熱泵的使用，該項目使用地源熱泵全年平均能效系數(shù)為5．69/5．8，相較于效率只有90%的燃氣鍋爐，會有相當明顯的節(jié)能量。

圖1 eQuest 3D模型

圖2 設(shè)計建筑和基準建筑能耗比較柱狀圖

對于空氣輸配系統(tǒng)，由于設(shè)計建筑新風(fēng)量高于基準建筑，導(dǎo)致風(fēng)機耗電量增大，但因為使用了熱回收式新風(fēng)機組，輸配系統(tǒng)的能耗變化影響并不是特別明顯。

3 地源熱泵主機設(shè)置方案的經(jīng)濟性分析

3.1 方案比選

方案一：選用3臺地源熱泵機組，其中2臺制冷量2500KW，1臺制冷量1000KW。

方案二：選用5臺地源熱泵機組，其中高溫機組2臺制冷量1500kW，1臺制冷量1000KW；低溫機組2臺制冷量1000kW。

本方案對比的目的是：對設(shè)備投資以及運行費用進行經(jīng)濟分析，以選出相對更優(yōu)的方案。

兩個方案中，采用高溫機組的方案二因為設(shè)備臺數(shù)較多，初投資高出方案一：

方案一設(shè)備初投資約2477620元

方案二設(shè)備初投資約2555794元

方案二比方案一設(shè)備初投資高出約78174元

（未包括計算機房空間增加的費用和增加的安裝人工成本）。

運行費用對比

設(shè)定計算條件：學(xué)?？照{(diào)運行時間從早8點到晚18點。夏季運行120天，冬季運行90天。電費按0．8元/kwh計算。根據(jù)IPLV取空調(diào)運行系數(shù)60%

方案一運行費用：

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

方案二運行費用：

比方案一略復(fù)雜，因為方案二中5臺機器，有3臺機器采用15℃供水而非7℃供水，這3臺機器的COP（能效比）會有所提升，根據(jù)計算，這3臺高溫出水的主機，夏季的COP能提高到6．0左右，故有以下計算式：

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

方案一主機年運行費用約1176033．6元方案二主機年運行費用約1058486．4元

方案二比方案一節(jié)省運行費用117547．2元這一項措施節(jié)能率約10%

初步分析結(jié)果及建議：方案二比方案一設(shè)備初投資高，但運行費用相對低，不到一年（0．665年）即可收回初投資增量成本。即使考慮到安裝人工費用及其他費用，增量成本約一年左右可以收回，經(jīng)濟效益顯著。故在機房安裝空間許可的前提下，建議使用方案二。

基于以上分析，結(jié)合全年能耗模擬結(jié)果分析，最終確定冷凍機房內(nèi)配置3臺低溫地源熱泵機組，每臺制冷量1550kW，供空調(diào)箱及風(fēng)機盤管機組冷熱水；2臺高溫水地源熱泵機組，每臺制冷量457kW，供冷梁末端冷熱水，其中一臺做全熱回收機組，供泳池夏季維持熱量/食堂生活熱水加熱及空調(diào)箱再熱。

低溫地源熱泵機組的供/回水溫度為7/14℃，供空調(diào)箱及風(fēng)機盤管機組冷凍水；

高溫地源熱泵機組的供/回水溫度為16/21℃，通過溫控三通閥混水調(diào)節(jié)至末端主動式冷梁所需供回水溫度18/21℃。

冬季熱水供/回水溫度為45/40℃。

3.2 室外地埋管形式選擇

豎向單、雙U型地埋管換熱器支管間的熱量回流與各支管的間距有關(guān)。支管間距越大，對于減小支管間的熱量回流效果就越好[4]。本項目的巖土熱響應(yīng)測試結(jié)果見表1。

表1 巖土體熱物性測試結(jié)果匯總表

地源熱泵室外地埋管位于操場及綠化帶下，根據(jù)地源熱泵巖土熱響應(yīng)測試報告分析，初步布置了室外單U埋管894組，間距4．5m，埋深100m。為進一步調(diào)節(jié)土壤熱平衡，并確保機組的高效運行，設(shè)有備用閉式冷卻塔[5][6]，夏季當土壤溫度偏高時可開啟使用，2臺流量200t/h的閉式冷卻塔置于室外體育場東北角綠化帶范圍內(nèi)。

3.3 地源熱泵水系統(tǒng)分析

本項目地源熱泵系統(tǒng)分設(shè)低溫供水系統(tǒng)（圖3）和高溫供水系統(tǒng)（圖4）。

18/21℃高溫冷凍水供給主動式冷梁承擔(dān)室內(nèi)顯熱冷負荷，有效提高了高溫地源熱泵機組的能效比。其中一臺做全熱回收機組，供泳池夏季維持熱量/食堂生活熱水加熱及空調(diào)箱再熱。

7/14℃低溫冷凍水供空調(diào)箱，有效進行冷凍除濕，實現(xiàn)了教室區(qū)域的溫濕度獨立控制，提高了人員舒適性。

根據(jù)文獻[1]中關(guān)于各種運行策略的比較，本項目方案二冷熱源配置方案，采用機組冷凝器進口水溫控制和溫差控制（濕球）的運行總能耗是較小的。

圖3 低溫地源熱泵水系統(tǒng)圖

圖4 高溫地源熱泵水系統(tǒng)圖

4 空調(diào)末端系統(tǒng)設(shè)計

4.1 空調(diào)水系統(tǒng)

空調(diào)冷熱水系統(tǒng)為一次泵變流量系統(tǒng)，可根據(jù)室內(nèi)負荷需求在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)水泵流量。

空調(diào)水系統(tǒng)采用閉式定壓罐補水、定壓和排氣，設(shè)置智能型在線全自動化學(xué)水處理裝置。水系統(tǒng)的供、回水總管間設(shè)壓差平衡閥，控制系統(tǒng)根據(jù)供、回水總管的壓差傳感器的偏差信號控制電動壓差旁通閥的開度，維持系統(tǒng)供回水壓差恒定，保證通過冷水機組的流量穩(wěn)定。

4.2 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)

本工程設(shè)計的中央空調(diào)系統(tǒng)部分，在空調(diào)冷（暖）媒介為冷（暖）水的前提下，室內(nèi)空調(diào)末端設(shè)備根據(jù)不同的場合采用不同的形式。

對于教室和辦公區(qū)域，綜合考慮噪聲、室內(nèi)凈高等方面的因素，可設(shè)置室內(nèi)冷梁加區(qū)域集中新風(fēng)的半集中式空調(diào)系統(tǒng)。其中冷梁系統(tǒng)采用主動式冷梁，自帶新回風(fēng)口，且供水為高溫冷凍水，水溫不小于18℃，確保冷梁表面溫度高于室內(nèi)露點溫度。該系統(tǒng)分區(qū)域的集中新風(fēng)機組考慮室內(nèi)人員的一定散濕量，新風(fēng)需進行深度除濕，具體機組功能段包括過濾（G4初效+靜電中效+袋式F8）、熱回收、冷（冷凍除濕）熱盤管、再熱盤管及送排風(fēng)機段。處理后的新風(fēng)經(jīng)管道直接送入室內(nèi)冷梁末端，所有末端新風(fēng)支管和排風(fēng)支管上均設(shè)置有風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置，另所有新風(fēng)支管上設(shè)置有電動風(fēng)閥，室內(nèi)無人時電動風(fēng)閥關(guān)閉。且所設(shè)計冷梁均自帶防結(jié)露溫度控制系統(tǒng)，并與建筑專業(yè)協(xié)調(diào)強調(diào)制冷工況下，房間可開啟外窗的密閉性要求。部分室內(nèi)散濕量較大的場所，如烹飪教室、衛(wèi)生間等，室內(nèi)空調(diào)末端則采用風(fēng)機盤管機組。

其余體育館、游泳館、劇院等大空間設(shè)置為全空氣系統(tǒng)，其中劇院設(shè)置組合式空調(diào)機組，同樣帶排風(fēng)熱回收功能，且采用變頻風(fēng)機。體育館區(qū)域室內(nèi)氣流組織形式為上送下回方式，劇院則采用座椅下送風(fēng)置換通風(fēng)的下送中上部回的室內(nèi)氣流組織形式。另游泳館區(qū)域采用泳池專用熱泵型恒溫除濕系統(tǒng)，泳池區(qū)暖濕空氣通過回風(fēng)管送回至熱泵，經(jīng)過熱泵蒸發(fā)器后迅速降溫并除濕，并將降溫除濕過程釋放的熱能傳遞給冷媒，冷媒優(yōu)先將一部分熱量經(jīng)池水換熱器轉(zhuǎn)移到池水，另外一部分熱量經(jīng)冷凝器將除濕后的回風(fēng)重新加熱到合適溫度，與新風(fēng)混合后經(jīng)冷媒（熱水）盤管降溫（或升溫）處理后，由送風(fēng)機重新送回室內(nèi)泳池廳，當室內(nèi)溫度和泳池水溫度太高時，熱泵會自動轉(zhuǎn)入制冷，冬季由機組上另設(shè)的熱水盤管提供輔助熱量，從而保持室內(nèi)空氣的恒溫、恒濕的舒適性。

4.3 主動式冷梁系統(tǒng)設(shè)計

本項目教學(xué)區(qū)考慮室內(nèi)凈高及噪音要求設(shè)置了全熱回收組合式新風(fēng)空調(diào)箱+冷梁系統(tǒng)（主動式）。主動式冷梁工作原理見圖5。

其中新風(fēng)系統(tǒng)采用了變風(fēng)量送風(fēng)系統(tǒng)。由于教室和會議室的使用人數(shù)變化較大，故房間的新風(fēng)送風(fēng)支路設(shè)置變風(fēng)量閥，閥體根據(jù)房間CO2濃度變化控制送入新風(fēng)風(fēng)量；而辦公室使用人數(shù)較為恒定，故房間的新風(fēng)送風(fēng)支路設(shè)置定風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，在使用時恒定送入設(shè)計新風(fēng)量。

圖5 主動式冷梁工作原理圖

新風(fēng)空調(diào)箱的風(fēng)機采用變頻風(fēng)機，根據(jù)主風(fēng)管上定靜壓測點調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速以達到變風(fēng)量送風(fēng)的節(jié)能效果。

4.4 新風(fēng)除濕計算；

考慮項目初投資及日常運行的經(jīng)濟性，本項目不考慮轉(zhuǎn)輪除濕和溶液除濕等方式，采用常規(guī)的冷凍除濕方式。

根據(jù)新風(fēng)除濕量計算書（新風(fēng)除濕計算焓濕圖見圖6）可知，教室、辦公室等房間在常規(guī)人體活動強度的情況下處理濕度所需要的人均新風(fēng)量為19．62CMH。根據(jù)國家規(guī)范及LEED要求，教室及辦公室房間的人均新風(fēng)量設(shè)計值均大于30CMH，人均新風(fēng)量最小的會議室也大于20CMH。

圖6 新風(fēng)除濕計算焓

5 BIM技術(shù)在設(shè)計中的應(yīng)用

BIM（building information modeling）的全稱是建筑信息模型，該技術(shù)已經(jīng)在世界范圍的工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本項目從初步設(shè)計階段到施工圖完成，均采用REVIT軟件進行土建及管線綜合建模，對室內(nèi)凈高及碰撞得到了有效優(yōu)化，建立了完善的施工指導(dǎo)信息。

本項目BIM建模截圖見圖7、圖8和圖9。

圖7 地下室3D管線綜合

圖8 法國學(xué)校3D管線綜合

圖9 德國學(xué)校5F冷梁布置3D模型圖

6 結(jié)論與展望

本項目采用了地源熱泵與主動式冷梁系統(tǒng)，通過全年能耗模擬計算、地源熱泵主機配置方案的經(jīng)濟性分析及冷梁設(shè)計計算分析，該項目可再生能源利用與節(jié)能技術(shù)運用提高了系統(tǒng)整體的能源利用效率、舒適性及系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。

高溫地源熱泵系統(tǒng)和低溫地源熱泵系統(tǒng)分設(shè)，對實現(xiàn)房間溫濕度獨立控制提供了可靠的能源保證。低溫地源熱泵機組的供/回水溫度為7/14℃，供新風(fēng)機組可有效實現(xiàn)冷凍除濕。冷梁供回水溫度18/21℃可有效保證室內(nèi)人員舒適度，并提高地源熱泵主機ACOP（全年綜合能效系數(shù)）。

本文從冷熱源配置選型及冷梁末端計算對該復(fù)合系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用提供一定參考，希望提高這種低能耗高舒適性系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用，以順應(yīng)世界節(jié)能減排的發(fā)展趨勢[7]。

參考文獻：

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［3］孫兆軍,朱建章．上海虹橋站地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計與分析［J］,暖通空調(diào)2010,40(5)20-27

［4］付衛(wèi)紅．單、雙U型地埋管地源熱泵系統(tǒng)熱工特性及經(jīng)濟性的研究[碩士學(xué)位論文]天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，2007．1

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［6］尹建新．地埋管與冷卻塔并聯(lián)運行地源熱泵系統(tǒng)幾個問題的探討[2010年湖南省暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會論文集]

［7］劉志強．冷梁系統(tǒng)在某辦公樓建筑中的實際應(yīng)用及方案設(shè)計探討［D］,規(guī)劃設(shè)計 2017，（10）63-65