上海世博軸江水源與地源熱泵聯(lián)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)（轉(zhuǎn)載）
現(xiàn)代設(shè)計(jì)集團(tuán)華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 葉大法 吳玲紅 梁韜 世博軸位于黃浦江邊，南北長約1000m，東西寬80~110m，地下地上各二層，建筑膜頂高度約22m，基地面積約130000m2，總建筑面積約248000m2，是世博會的入園主要通道，集交通集散、商業(yè)旅游等功能。其空調(diào)冷熱源采用了地源熱泵系統(tǒng)加江水源熱泵系統(tǒng)。 熱泵是輸入電能使壓縮機(jī)做功，實(shí)現(xiàn)熱量從低溫環(huán)境向高溫環(huán)境轉(zhuǎn)移的機(jī)組，是一門成熟的先進(jìn)技術(shù)，在國內(nèi)外均已得到了廣泛的應(yīng)用與普遍認(rèn)可，在我國的《2000-2015年新能源和可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃要點(diǎn)》、《中華人民共和國節(jié)約能源法》、《可再生能源法》等多部法規(guī)中都明確提出要推廣使用熱泵技術(shù)。 本文將對江水源熱泵和地源熱泵系統(tǒng)在本工程中的選擇設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹和分析。 1.空調(diào)冷熱源系統(tǒng)選擇 本工程毗鄰江邊，是一超大型的公共主體建筑，景觀與節(jié)能生態(tài)要求很高。經(jīng)分析論證，空調(diào)冷熱源采用了地源熱泵系統(tǒng)加江水源熱泵系統(tǒng)，即利用江水和土壤作為熱泵系統(tǒng)的熱源或熱匯。由于江水和地埋管水溫度夏季時(shí)均低于冷卻塔出水溫度，熱泵機(jī)組的制冷效率可大大提高，并省去了冷卻塔補(bǔ)充水；冬季時(shí)用熱泵供熱，能源效率也比傳統(tǒng)的鍋爐供熱有很大提高，充分體現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保、緩解熱島效應(yīng)的總體設(shè)想，并且不存在冷卻塔產(chǎn)生漂水、噪聲等問題，同時(shí)順應(yīng)建筑景觀要求。 2.地源熱泵系統(tǒng) 2.1系統(tǒng)原理 地源熱泵系統(tǒng)是利用熱泵機(jī)組在土壤中提取或蓄存熱量，制取冷熱水為空調(diào)服務(wù)的系統(tǒng)，又稱土壤源熱泵。其原理圖如圖1所示。 地表淺層土壤溫度呈三層分布，地表凍土層附近土壤溫度受室外大氣影響，溫度全年波動(dòng)大；凍土層以下有一恒溫層，溫度全年基本不變；恒溫層下到地殼深處有一定的正溫度梯度，土壤溫度隨深度緩慢上升。 上海地區(qū)凍土層較淺，5米以上土壤溫度受室外氣象影響而波動(dòng)；5m以下到35米處土壤溫度基本恒定，接近全年平均氣溫（15.7℃）；35m以下土壤溫度以5℃/100米的溫度梯度上升，地下100米土壤溫度約為19℃。 2.2埋管換熱器 地下埋管可分為水平埋管與垂直埋管兩大類。水平埋管方式適用于軟土地區(qū)，其優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)較低，但傳熱工況會受到外界氣候的影響，且占地面積大，通常不太適合人均占地面積較少的國情。垂直埋管是在若干垂直鉆孔中設(shè)置地下埋管。由于垂直埋管具有占地少、工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此已成為工程中的主導(dǎo)形式。 垂直埋管中較為多見的是鉆孔埋管，根據(jù)埋管換熱器在鉆孔中不同的布置形式，可分為單U、雙U、螺旋型等。由于鉆孔埋管的深度一般較深，故應(yīng)注意與地下空間開發(fā)規(guī)劃的矛盾。灌注樁埋管是結(jié)合建筑的結(jié)構(gòu)樁基，將埋管換熱器放置于灌注樁內(nèi)的一種埋管形式，技術(shù)先進(jìn)、投資相對較省，但施工配合工藝較復(fù)雜，同樣根據(jù)埋管換熱器在鉆孔中不同的布置形式，可分為單U、雙U、3U、螺旋型等。 根據(jù)本工程基地面積大及結(jié)構(gòu)樁位布置的特點(diǎn)，埋管方式采用灌注樁埋管。 根據(jù)在工程基地進(jìn)行的熱特性測試結(jié)果，本工程埋管換熱器型式選用雙U串聯(lián)型（W型），以獲得較優(yōu)的換熱性能，并達(dá)到地源側(cè)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)溫差5℃要求，減小水泵流量，節(jié)約能耗。 2.3土壤熱平衡分析及計(jì)算換熱量選取 埋管區(qū)域土壤好比一個(gè)巨大的蓄能體，地源熱泵系統(tǒng)在夏季時(shí)將熱量排放其中，在冬季時(shí)從中取出熱量，熱量的轉(zhuǎn)移將引起土壤溫度的變化，從而影響土壤換熱器的換熱量?，F(xiàn)場的熱響應(yīng)試驗(yàn)只是短時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行測定，測得的換熱性能將差別于實(shí)際長期運(yùn)行時(shí)的值。因此，有必要對整個(gè)埋管區(qū)域的長時(shí)間運(yùn)行進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬研究，根據(jù)埋管區(qū)域的土壤熱物性及地下水的流速、流向等參數(shù)，得出地下土壤溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系、土壤熱積聚情況和土壤達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間等，然后由分析結(jié)果計(jì)算出供冷季和供熱季地源熱泵系統(tǒng)的供冷、供熱能力。這樣，對地源熱泵可供利用的總能量有了一個(gè)清晰的認(rèn)識，才能合理地選取埋管換熱器的冬夏季計(jì)算換熱量，同時(shí)為確定本工程的另一個(gè)冷熱源系統(tǒng)——江水源熱泵系統(tǒng)的規(guī)模提供了可靠的依據(jù)。 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬范圍取10組×10組典型灌注樁埋管（約800個(gè)），系統(tǒng)供冷運(yùn)行期為5~9月，供熱運(yùn)行期為12~2月，每天運(yùn)行時(shí)間9:00~21:00。由于上海地區(qū)夏季空調(diào)冷負(fù)荷遠(yuǎn)大于冬季熱負(fù)荷，但考慮到本項(xiàng)目另有江水源熱泵系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，并可進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)，故以夏冬季系統(tǒng)向土壤排熱量與取熱量不平衡率為10%和3%分別進(jìn)行模擬分析。 表1為同濟(jì)大學(xué)空調(diào)研究所為本工程進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的一些數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，季節(jié)負(fù)荷不平衡率越大（夏季排熱量大于冬季取熱量），土壤溫升越大，有利于冬季運(yùn)行，不利于夏季運(yùn)行。若冬夏季負(fù)荷較平衡，有利于系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。 2.4地溫場監(jiān)測系統(tǒng) 如上所述，確保土壤溫度變化在正常范圍內(nèi)，使土壤換熱器在使用年限內(nèi)始終高效、安全運(yùn)行是地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。因此，本工程埋設(shè)了熱電阻對埋管區(qū)域土壤溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，根據(jù)土壤溫度變化，可以及時(shí)調(diào)整地源熱泵系統(tǒng)和江水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷，制定合理的運(yùn)行策略，確保土壤溫度的合理變化。同時(shí)也可以此驗(yàn)證模擬結(jié)果，為地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理積累一定的技術(shù)資料和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 3.江水源熱泵系統(tǒng) 3.1系統(tǒng)原理 水源熱泵系統(tǒng)是向地表水或地下水等自然水體中排放或從它們中提取熱量用于空調(diào)供冷或供熱系統(tǒng)，夏季時(shí)它將建筑物中的熱量轉(zhuǎn)移到水源中，由于水源溫度比用冷卻塔所得的冷卻水溫度低，所以效率較高；冬季時(shí)它從水源中提取熱量，效率也比風(fēng)冷熱泵機(jī)組高。 本工程的江水夏季最高水溫為28~30℃，比正常冷卻塔出水低2~4℃；冬季時(shí)，江水溫度約為6~8℃。 系統(tǒng)原理圖與水側(cè)有關(guān)參數(shù)見圖1。 3.2水源側(cè)水系統(tǒng)選擇 3.2.1江水水質(zhì)分析及系統(tǒng)選擇 表2為本工程江水水質(zhì)的主要參數(shù)，摘自本工程《水資源論證報(bào)告書》。 由于目前國內(nèi)尚無相關(guān)江水源熱泵系統(tǒng)的水質(zhì)要求，參考同類工程，并咨詢熱泵機(jī)組生產(chǎn)廠家，確定了本工程要求的水質(zhì)指標(biāo)。 本工程采用的是大型電動(dòng)熱泵機(jī)組，機(jī)組換熱器材質(zhì)采用銅鎳合金，對比表中數(shù)據(jù)，江水的水質(zhì)參數(shù)能基本滿足熱泵機(jī)組的水質(zhì)要求。從節(jié)能角度考慮，本工程的江水源熱泵系統(tǒng)采用直接式系統(tǒng)。 3.2.2江水水質(zhì)處理 經(jīng)分析，取水口的水質(zhì)在大部分時(shí)段內(nèi)能滿足系統(tǒng)要求，但懸浮物和濁度指標(biāo)較難保證，因此，采取了以下措施：在進(jìn)水管路上設(shè)除污格網(wǎng)井；在江水泵的出水管上設(shè)置自動(dòng)反沖洗過濾器；在熱泵機(jī)組和單冷型冷水機(jī)組的江水側(cè)換熱器上設(shè)置膠球清潔系統(tǒng)，對換熱管進(jìn)行定期清洗。另外，系統(tǒng)還設(shè)置全自動(dòng)控制在線檢測加藥裝置，在系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)，對機(jī)房內(nèi)江水側(cè)水路系統(tǒng)進(jìn)行閉式循環(huán)處理，污水由下水道排出。 3.3取退水口 本工程取用江水總量為6000m3/h，其中預(yù)留了一定用于后續(xù)發(fā)展的江水量。夏季設(shè)計(jì)工況為：江水進(jìn)水溫度為30℃、退水溫度為35℃，溫升5℃。取水口位于退水口上游約200m處。 根據(jù)溫排放模擬報(bào)告，系統(tǒng)的溫排水對黃浦江溫升影響很小。在取水口，表層平均溫升在大潮、中潮和小潮期間分別為0.112、0.131和0.104℃，表層溫升達(dá)到0.2℃的面積小于0.02k㎡。如上分析，在離退水口大于80m的位置處，江水溫度受系統(tǒng)退水影響的上升值小于0.2℃。因此，本工程的取水口位于退水口上游200m處，可以認(rèn)為取水口受退水口溫排放影響微小。 4.地源熱泵系統(tǒng)及江水源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合冷熱源系統(tǒng) 4.1機(jī)房設(shè)置 本工程共設(shè)3個(gè)地源熱泵系統(tǒng)，沿南北方向均布3個(gè)地源熱泵機(jī)房，以使地埋管換熱器就近接至機(jī)房，每個(gè)機(jī)房內(nèi)設(shè)3臺熱泵機(jī)組。 江水源熱泵機(jī)房設(shè)在建筑物近江的最北端，以減小江水輸送距離。根據(jù)冬夏季負(fù)荷情況及地源熱泵所能提供的熱量，合理配置熱泵機(jī)組，供冷量不足部分由另配置的能效比更高的單冷型離心式冷水機(jī)組承擔(dān)。 本工程地源熱泵系統(tǒng)采用的是灌注樁埋管換熱器，地源熱泵系統(tǒng)的供冷供熱能力取決于可供埋管的結(jié)構(gòu)樁基數(shù)量。根據(jù)計(jì)算，在夏季供冷工況下，地源熱泵系統(tǒng)所能提供的冷量約為夏季計(jì)算冷負(fù)荷的38%，其余62%的冷量則由江水源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)。 4.2地源熱泵系統(tǒng)及江水熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行 如上所述，上海地區(qū)冬季空調(diào)熱負(fù)荷小于夏季空調(diào)冷負(fù)荷，單用地源熱泵可能存在著土壤冬夏季熱平衡問題。因此本工程冷熱源系統(tǒng)采用江水源熱泵系統(tǒng)和地源熱泵系統(tǒng)相結(jié)合的方式，可在初夏早秋江水溫度較低時(shí)和夏季部分負(fù)荷時(shí)多用江水源機(jī)組，冬季江水溫度低時(shí)供熱盡可能多用地源熱泵，形成優(yōu)勢互補(bǔ)，不僅解決了地埋管在南方地區(qū)可能發(fā)生的土壤熱積聚，又提高了冬季供熱效率，從而更好地確保了系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定。系統(tǒng)運(yùn)行策略是冬季按地源熱泵供熱能力優(yōu)先使其運(yùn)行。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還采用土壤側(cè)傳熱量計(jì)量儀表，按全年土壤放熱量確定全年吸熱量，力求土壤冬夏季的熱平衡。 同時(shí)，冬季江水溫度在6~8℃，極端最低水溫可能在6℃以下，江水源熱泵機(jī)組最低出水溫度需控制在3℃以上，機(jī)組效率會大大降低，供熱受限制，而土壤溫度全年波動(dòng)較小且數(shù)值相對穩(wěn)定，而此時(shí)地源熱泵系統(tǒng)對江水源熱泵又是很好的補(bǔ)充。 5.結(jié)語 地源熱泵和江水源熱泵在本項(xiàng)目中的應(yīng)用，不僅使空調(diào)冷熱源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建筑景觀得到了很好的融合，而且充分體現(xiàn)了綠色、節(jié)能、環(huán)保的理念，避免了冷卻塔可能產(chǎn)生的漂水、衛(wèi)生、噪聲等問題，為減小城市熱效應(yīng)起到了一定的作用，同時(shí)也是打造節(jié)能建筑、綠色建筑不可缺少的組成部分。 但是，從工程造價(jià)角度分析，地源熱泵的埋管工程和江水源熱泵的取水工程方面都會增加投資。灌注樁埋管工程的施工須與結(jié)構(gòu)樁基施工同時(shí)進(jìn)行，取水工程有一定的水工施工工作量，也增加了施工組織的難度。另外，江水經(jīng)升溫或降溫后再排入江中，對自然界生態(tài)究竟有無影響，還需經(jīng)實(shí)踐的檢驗(yàn)。
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