湯臣金橋花園別墅區地源熱泵空調系統設計

栗學鑫

（精義室內環境系統（上海）有限公司， 上海 200000）

0 引言

2015年國家能源局編制《地熱能開發利用“十三五”規劃》，計劃新增7億平方米清潔能源應用，其裝機容量達到34250MWt，所以上海地區別墅建筑對于開發商提出了相應節能措施，參考《民用建筑綠色設計規范》與《綠色建筑評價標準》，推行“三選一”政策，即地源熱泵系統、太陽能管光熱熱水供應系統，移機光伏發電并網系統，須在新建低密度別墅區應用上述節能措施中至少一項。光電系統由于太陽能光伏板強光反射問題，對于上海部分地區并不適用；光熱系統同樣也存在出熱水溫度穩定性差，熱水流量不足，無法源源不斷的提供大流量熱水，所以在別墅型房產項目中并不適用；相對而言，地源熱泵技術以土壤為儲熱載體，將冷熱投放或吸取，供建筑空調采暖或生活熱水使用，實現制冷制熱制熱水三聯供高效節能的中央空調系統。土壤源熱泵機組以使用較少的高品位能源（一次電力能源），驅動壓縮機利用逆卡諾原理，使低品位熱能向高品位轉移。

1 工程概況

湯臣金橋花園一期，位于上海市浦東金橋地塊，基地概況：基地西臨云山路，南臨張家浜路，北臨錦繡東路路。基地呈矩形狀，基地總面積約為28919m2，總建筑面積：44885.6m2，其中地上：23211.9m2；地下：2163.7m2。一期總共建設43套獨棟別墅，A1、A2、A3、A4、D1、D2戶型共計36套，每套面積為350m2，B戶型共計6套，每套面積為450m2，C戶型為該小區面積最大的，僅1套，面積為650m2。項目一期作為該地塊試點，整體規劃目標成為上海高端別墅標桿示范小區。

2 暖通機電系統的方案確定

湯臣金橋別墅的暖通機電設計，其中包括地源熱泵地源側管網，地源熱泵機房，室內空調系統、地暖設計。設計指導思想和設計特點：滿足建筑室內環境的各項空氣指標，及溫度、濕度、潔凈度、含氧量，以及氣流組織的全部要求；同時兼顧室內裝飾設計美觀要求，并且對建筑設備整體使用便捷性與日常維護保養做系統規劃性設計。

2.1 戶內空調采暖負荷及熱水供應系統計算分析

戶內空調形式主要以常靜壓靜音型風機盤管的作為室內制冷末端，本案參考設備為巴法祿空調設備有限公司提供的超薄靜音型風機盤管，小空間的區域采用側送側回方式，氣流組織采用吊頂回風方式，主要意圖為兼顧裝飾美觀，略微影響空調使用效果。高大空間區域采用側送下回方式，進行集中強對流制冷。室內機除極端氣候外，均可采用中檔風速運行，營造寧靜居家環境，同時降低能耗。

先以B 戶型的中的9#樓為例，其符合空調負荷配置如下：

表1 B 戶型的中的9#樓空調負荷配置表

同戶型采暖采用室內以地面輻射采暖形式，采用預設阻力型分集水器，目的使各個地暖盤管之路水路平衡。

本案采用熱泵熱水與燃氣熱源配合至熱水；同時采用智能型循環水泵，恒溫控制閥等設備配合實現熱水循環。滿足生活熱水：三個浴缸用大水量，各個用水點即開即熱，以及多點用水的需求。

表3 B 戶型的中的9#樓熱水系統計算表

熱水計算40℃ 淋噴頭（不帶浴缸） 3 140 420 國標中取140～200L/h（40℃），對衛生間較多的套型，小時用水量適當調低 帶噴頭普通浴缸 2 300 600 國標中取300L/h（40℃） 合計用水量（40℃） 1020L 此結自動算出 考慮同時使用系數后合計用水量（40℃） 400L 頂盤管水箱 根據經驗估算，衛生器具越多同時使用系數越小(0%～100%之間)

2.2 地源側埋管系統的設計

室外場地地質條件：依地質勘察報告，本場地為上海浦東金橋硬質地土。第1 層素填土：灰黃、灰色。主要由粉土和粉質粘土組成，表層含大量植物根莖，松軟。層厚0.60～1.00m，全場地分布。第2 層粉土夾淤泥質粉質粘土：灰色，含少量云母。粉土稍密,很濕，無光澤，搖振反應中等，干強度低，韌性低；粉質粘土流塑，局部軟塑，稍有光澤，干強度中等，韌性中等。屬中偏高壓縮性土層。一般厚度為0.40～5.00m，層底標高一般為-3.35～0.23m。此層土全場地分布。第3 層粉砂夾粉土：灰、青灰色，含云母，局部夾薄層粉質粘土。此層土全場地分布。工程力學性質較好，換熱效果好，為地源熱泵主換熱層。

再經由地勘所進行了土壤熱響應測試，在選用上海偉星廠生產的HDPE100 型Dn32 單U 管地埋井進行測試，該系統地埋管有效排熱量平均每延米為：45W/m，有效取熱量平均每延米為：73W/m。

場地氣候條件：本地區最冷月平均溫度-4℃，最熱月平均溫度34℃。全年主導風向SE，夏季平均風速3.2m/s，冬季平均風速3.1m/s。日最大降雨量230mm，平均年總降雨量1200mm。最大積雪深度0mm，最大凍土深度80mm。

土壤源熱泵的冷卻水循環側是由土壤換熱器采用地下埋管網承擔，土壤源埋管方式有很多種。我國華東地區采用的有垂直方向埋管和水平平鋪埋管的兩種形式。水平埋管方式是將淺層土壤中挖溝渠，將HDPE100 或HDPE80管道水平的敷設在管道溝渠里的填埋的施工工藝，并控制管間距，垂直方向埋管方式是采用土壤層中垂直方向鉆井打孔，并將土壤源冷卻水管道(HDPE管)送入事先鉆好的管井中，然后在孔中回灌填充材料包括黃沙、膨潤土、土壤原漿的埋管方式。由于傳統的水平布管占地面積較大，別墅群項目的花園很難達到如此大的鋪設面積，所以，垂直埋管優先作為本項目埋管形式，并且垂直方向埋管熱效與經濟性均好于水平布管方式，進而確認本項目采用的是垂直埋管。

地源熱泵系統配置計算：

熱地源熱泵系統主機選擇依據：

室內額定制冷量×同開系數（70%）=主機制冷量+管道×緩沖水量

85kw×0.7=主機制冷量+水蓄冷參數×緩沖水量

主機制冷量：60kW

水蓄冷參數×緩沖水量：25kW

5°溫差時，水流量（m3/h）=0.172×制冷量（kW）

總水流量：0.172×52.9KW÷0.95=9.57m3/h

主機最小流量：0.172×35.7=6.14m3/h

流量差；9.57-6.88=2.679m3/h

地源井換熱設計計算：

根據計算的冬、夏季的設計負荷，該區域地層單位鉆孔延長米的平均換熱量，浦東內環地區為冬季73w/m，夏季45w/m。

地源井換熱器參數如下:

85kw÷45w/m=1888m

富裕量（10%）：1088m×1.1=20777m（取整）

打井深度：100m

打井數量：2077÷130m=16（口井）

2.3 埋管分區研究

單U管土壤源管道管下井前需進行技術準備:首先進行熱響應測試，再進行批量下管，將連接好的HDPE管一次性直接下入換熱孔內，由于孔井中溺水浮力原因，管道必須一次完成提拉鉆桿與管道下井工作。管井間間距應避免熱干擾，4至5米的間距對于HDPE100，單U100米深的地埋管系統是合理的，也避免會發生熱干擾現象，進而影響整個土壤源換熱器的熱效率。湯臣金橋花園的地埋管采用了間距4.5米，深度130m的地源井。在各組豎直換熱管道連接方面，采用了混合式連接方式，及先以分集水器形式連接5到6組豎直管井，再以同程連接形式，連接各組分集水器組，此方法好處在于每口管徑均可獨立檢修，又避免了單一分集水器系統造成的異程水力失調現象。所以本方案土壤換熱器采取混合方式連接。

3 空調系統設計

3.1 空調冷熱源系統負荷和設計裝機容

地源熱泵系統主機選擇依據：

室內額定制冷量×同開系數（70%）=主機制冷量+管道×緩沖水量

85kw×0.7=主機制冷量+水蓄冷參數×緩沖水量

主機制冷量：59.5kW

水蓄冷參數×緩沖水量：25kW

蓄冷水箱選擇依據：

5°溫差時，水流量（m3/h）=0.172×制冷量（kW）

總水流量：0.172×15.9KW=2.88m3/h

主機最小流量：0.172×4.6×0.7=0.79m3/h

流量差；2.88-0.79=2.m3/h

系統立管為DN50管道，內徑0.044，參考流速0.577～1.227m/s，取中值0.85m/s

3.2 別墅區空調水系統設計

本案中空調水負荷側系統采用一次變頻泵系統。水平兩管并聯異程形式連接各風機盤管，立管采用同程形式進入設備機房，水平管段上的不平衡率可忽略不計，豎直管道方向與水平主管加設平衡閥。

機房系統配置方面：在土壤源熱泵機房內設有地漏，漫水報警系統，防漏式自動補水系統。風機盤管冷凝水在排水水平管段加設快適閥，起到排水隔氣作用，將收集后冷凝水間接排至地下一層集水井，再由給排水專業人員設計施工。

湯臣金橋花園全部空調系統采用監控KNX 總線制系統，由智能控制箱及室內氣候傳感器、及控制執行器組成一套完成的室內氣候系統。控制范圍地源熱泵主機啟停及模式切換；熱泵生活熱水與太陽能熱水系統聯動；主從與互為補充形式；空調末端與地暖啟停與溫控；新風除濕系統啟停與空氣品質監控管理。

系統制冷系統采用1 次泵方式，1 次泵變頻變流量系統。空調末端空調機組和空調水力分配器的回水管上設平衡電動雙通調節閥，通過調節表冷（熱）盤管的過水量以控制室溫或新風機組的送風溫度。室內風機盤管的溫控器與地源熱泵主機采用干接點聯動方式，要求空調機組、風機盤管上的雙通水閥均與風機連鎖控制；同時，冬季空調機組、雙通水閥保留5%的開度，防止加熱盤管凍裂。

3.3 土壤換熱器熱平衡計算模擬分析

整個小區夏季向土壤供熱能力為10620kW，冬季向土壤供冷能力為8400kW，由于上海地區夏季空調時長遠高于冬季供熱時長。年平均土壤蓄熱量高于取熱量，地表硬化，后散熱能力減弱，若干運行周期后，土壤年平均溫度上升，出現土壤熱疲勞，對于整個空調系統穩定運行和環境狀況都存在危害。增加了熱回收制備熱水，由于生活熱水熱回收，夏季向土壤供熱能力低于為10620kW，冬季向土壤供冷能力為8400kW（供熱）+2960kW（生活熱水），這樣上海地區夏季空調時長遠高于冬季供熱時長，通過設計分析軟件與系統管理可使整個土壤源的蓄熱取熱量相抵，確保系統穩定運行與環境友好。

4 結論

上海湯臣金橋花園項目于2015年啟動，樣板房2016年交付，連續4年運行下來的能耗低及土壤溫度變化小，較該地區采用傳統變制冷劑空調系統與家用燃氣壁掛爐系統的能耗與使用費用低35%。較兩個系統初投資上的差別，也可在2～3年完全回收。以樣本房的實際測評結果看，本案地源熱泵系統節能率50.22%，系統能效系數3.71，機組性能系數6.21。該項目通過對別墅區土壤源熱泵三聯供的設計研究，提出一種冷熱熱水三聯共系統，又能滿足實際舒適需求，又可解決我國華東地區土壤熱疲勞現象，實現環境友好的目的。