栗學鑫

（精義室內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)（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(fā)利用“十三五”規(guī)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(qū)別墅建筑對于開發(fā)商提出了相應節(jié)能措施，參考《民用建筑綠色設計規(guī)范》與《綠色建筑評價標準》，推行“三選一”政策，即地源熱泵系統(tǒng)、太陽能管光熱熱水供應系統(tǒng)，移機光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，須在新建低密度別墅區(qū)應用上述節(jié)能措施中至少一項。光電系統(tǒng)由于太陽能光伏板強光反射問題，對于上海部分地區(qū)并不適用；光熱系統(tǒng)同樣也存在出熱水溫度穩(wěn)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(chǎn)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(diào)采暖或生活熱水使用，實現(xiàn)制冷制熱制熱水三聯(lián)供高效節(jié)能的中央空調(diào)系統(tǒng)。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(qū)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(guī)劃目標成為上海高端別墅標桿示范小區(qū)。

2 暖通機電系統(tǒng)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(wǎng)，地源熱泵機房，室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)、地暖設計。設計指導思想和設計特點：滿足建筑室內(nèi)環(huán)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(nèi)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(yǎng)做系統(tǒng)規(guī)劃性設計。

2.1 戶內(nèi)空調(diào)采暖負荷及熱水供應系統(tǒng)計算分析

戶內(nèi)空調(diào)形式主要以常靜壓靜音型風機盤管的作為室內(nèi)制冷末端，本案參考設備為巴法祿空調(diào)設備有限公司提供的超薄靜音型風機盤管，小空間的區(qū)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(diào)使用效果。高大空間區(qū)域采用側送下回方式，進行集中強對流制冷。室內(nèi)機除極端氣候外，均可采用中檔風速運行，營造寧靜居家環(huán)境，同時降低能耗。

先以B 戶型的中的9#樓為例，其符合空調(diào)負荷配置如下：

表1 B 戶型的中的9#樓空調(diào)負荷配置表

同戶型采暖采用室內(nèi)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(huán)水泵，恒溫控制閥等設備配合實現(xiàn)熱水循環(huán)。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(tǒng)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(wèi)生間較多的套型，小時用水量適當調(diào)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(shù)后合計用水量（40℃） 400L 頂盤管水箱 根據(jù)經(jīng)驗估算，衛(wèi)生器具越多同時使用系數(shù)越小(0%～100%之間)

2.2 地源側埋管系統(tǒng)的設計

室外場地地質(zhì)條件：依地質(zhì)勘察報告，本場地為上海浦東金橋硬質(zhì)地土。第1 層素填土：灰黃、灰色。主要由粉土和粉質(zhì)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(zhì)粉質(zhì)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(zhì)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(zhì)粘土。此層土全場地分布。工程力學性質(zhì)較好，換熱效果好，為地源熱泵主換熱層。

再經(jīng)由地勘所進行了土壤熱響應測試，在選用上海偉星廠生產(chǎn)的HDPE100 型Dn32 單U 管地埋井進行測試，該系統(tǒng)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(qū)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(huán)側是由土壤換熱器采用地下埋管網(wǎng)承擔，土壤源埋管方式有很多種。我國華東地區(qū)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(tǒng)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(yōu)先作為本項目埋管形式，并且垂直方向埋管熱效與經(jīng)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(tǒng)配置計算：

熱地源熱泵系統(tǒng)主機選擇依據(jù)：

室內(nèi)額定制冷量×同開系數(shù)（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(shù)×緩沖水量

主機制冷量：60kW

水蓄冷參數(shù)×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(jù)計算的冬、夏季的設計負荷，該區(qū)域地層單位鉆孔延長米的平均換熱量，浦東內(nèi)環(huán)地區(qū)為冬季73w/m，夏季45w/m。

地源井換熱器參數(shù)如下:

85kw÷45w/m=1888m

富裕量（10%）：1088m×1.1=20777m（取整）

打井深度：100m

打井數(shù)量：2077÷130m=16（口井）

2.3 埋管分區(qū)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(nèi)，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(tǒng)是合理的，也避免會發(fā)生熱干擾現(xiàn)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(tǒng)造成的異程水力失調(diào)現(xiàn)象。所以本方案土壤換熱器采取混合方式連接。

3 空調(diào)系統(tǒng)設計

3.1 空調(diào)冷熱源系統(tǒng)負荷和設計裝機容

地源熱泵系統(tǒng)主機選擇依據(jù)：

室內(nèi)額定制冷量×同開系數(shù)（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(shù)×緩沖水量

主機制冷量：59.5kW

水蓄冷參數(shù)×緩沖水量：25kW

蓄冷水箱選擇依據(jù)：

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(tǒng)立管為DN50管道，內(nèi)徑0.044，參考流速0.577～1.227m/s，取中值0.85m/s

3.2 別墅區(qū)空調(diào)水系統(tǒng)設計

本案中空調(diào)水負荷側系統(tǒng)采用一次變頻泵系統(tǒng)。水平兩管并聯(lián)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(tǒng)配置方面：在土壤源熱泵機房內(nèi)設有地漏，漫水報警系統(tǒng)，防漏式自動補水系統(tǒng)。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(yè)人員設計施工。

湯臣金橋花園全部空調(diào)系統(tǒng)采用監(jiān)控KNX 總線制系統(tǒng)，由智能控制箱及室內(nèi)氣候傳感器、及控制執(zhí)行器組成一套完成的室內(nèi)氣候系統(tǒng)?？刂品秶卦礋岜弥鳈C啟停及模式切換；熱泵生活熱水與太陽能熱水系統(tǒng)聯(lián)動；主從與互為補充形式；空調(diào)末端與地暖啟停與溫控；新風除濕系統(tǒng)啟停與空氣品質(zhì)監(jiān)控管理。

系統(tǒng)制冷系統(tǒng)采用1 次泵方式，1 次泵變頻變流量系統(tǒng)。空調(diào)末端空調(diào)機組和空調(diào)水力分配器的回水管上設平衡電動雙通調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)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(nèi)風機盤管的溫控器與地源熱泵主機采用干接點聯(lián)動方式，要求空調(diào)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(diào)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(qū)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(qū)夏季空調(diào)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(xiàn)土壤熱疲勞，對于整個空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定運行和環(huán)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(qū)夏季空調(diào)時長遠高于冬季供熱時長，通過設計分析軟件與系統(tǒng)管理可使整個土壤源的蓄熱取熱量相抵，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行與環(huán)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(xù)4年運行下來的能耗低及土壤溫度變化小，較該地區(qū)采用傳統(tǒng)變制冷劑空調(diào)系統(tǒng)與家用燃氣壁掛爐系統(tǒng)的能耗與使用費用低35%。較兩個系統(tǒng)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(tǒng)節(jié)能率50.22%，系統(tǒng)能效系數(shù)3.71，機組性能系數(shù)6.21。該項目通過對別墅區(qū)土壤源熱泵三聯(lián)供的設計研究，提出一種冷熱熱水三聯(lián)共系統(tǒng)，又能滿足實際舒適需求，又可解決我國華東地區(qū)土壤熱疲勞現(xiàn)象，實現(xiàn)環(huán)境友好的目的。