某星级会所能源系统节能方案设计及探索

上海城建置业发展有限公司 赵军 张传生 张海军

0 引言

随着国家绿色建筑的不断推广，如何做好建筑节能已越来越引起国内房产公司的重视，但真正意义上做到高节能要求的绿色建筑国内还处在起步阶段，尤其能达到国家绿色三星设计标识要求的建筑屈指可数。对会所这种带游泳池等综合设施的商业性建筑，国内目前尚没有一个其能源系统节能设计符合国家绿色三星设计要求。瑞仕华庭会所则整体按国家绿色三星设计要求进行设计，其能源系统节能设计目标又高于国家绿色三星设计要求。

1 设计内容

1.1 工程概况：

瑞仕华庭会所位于上海安亭，三层建筑，建筑面积5000m2,包含室内游泳池（350m2）、多功能运动场、健身房咖啡厅等多功能设施。

1.2 设计内容

该设计包括建筑物室内空调及新风、游泳池池水加热、餐馆和淋浴用生活热水以及系统自动控制等内容。

2 系统冷/热负荷

2.1 室内空调冷、热负荷

1）室内设计参数（见表1）

表1 室内设计参数

游泳池水温度：27±1℃

2）室内空调冷、热负荷计算结果（见表2）

按照国家绿色三星设计要求，考虑了新风冷热负荷，计算得出室内空调冷、热负荷如表2所示。

表2 室内空调冷热负荷 （kW）

2.2 游泳池加热负荷

1）散热量Qa

（1）水面蒸发损失热量：Q1=258330kJ/h

（2）水表面传导损失热量,由于室内气温比池水温度高，所以该项可忽略不计，即：Q2=0

（3）池底和池壁传导损失的热量：Q3=18842kJ/h

（4）管道和设备损失的热量,按以上三项的20%计算,则：Q4=55435kJ/h

（5）开放时,总散热量：

Qa=Q1+Q2+Q3+Q4=332607kJ/h=92.4kW

2）补充新水加热所需热量Qb

（按每天24小时补充新水5%、水的初温5℃计算）

加热功率为：

Qb=107466kJ/h=29.85kW

3）游泳池开放时所需的总加热功率Qc

游泳池不开放时，用薄膜覆盖池面，可以大量减少水面蒸发损失。采用三集一体机回收了80%的水面蒸发损失热量，即58kW。所以，泳池开放时所需的总加热功率为：

Qc=Qa+Qb-58kW=64.25kW。

2.3 淋浴热水的负荷

热水供应分为两部分：

1）用于淋浴共32个龙头，按《给排水设计规范》，提供温度为40℃的热水量为每个龙头180L/h；则最大小时用水量为5.76m3/h；

2）SPA10间，按《给排水设计规范》，每天提供温度为55±2℃的热水量为400L/间，则每天最大用水量为4m3。

初始水温为5℃，设置两个6m3的保温储热水箱，夏季采用空调热回收系统产生热水，冬季采用主机制热。加热功率为122kW。会所开放时先运行4h把水箱加热。

2.4 会所总负荷

由以上分析可知：

1）冬季：会所所需的热负荷由游泳池水加热保温负荷64.25kW、室内采暖负荷214.48kW、热水负荷122kW组成，总负荷为400.73kW。

2）夏季：会所所需的冷负荷为室内空调负荷，计310.34kW；热水负荷122kW，热水系统由热泵主机全热回收装置免费提供。

3）春秋季：会所所需的热负荷由游泳池水加热保温负荷64.25kW、游泳池大厅供暖67kW和淋浴热水负荷122kW组成，总负荷为253.25kW。

3 系统设计及设备选型

3.1 系统描述

该设计所包含的系统有地源热泵机组、冷热源系统、空调末端系统、游泳池加热系统、泳池恒温恒湿系统、淋浴热水系统及太阳能系统等七个系统。

3.2 地源热泵机组

1）地源热泵机组的选型

热泵机组的选型一般原则为：满足系统的设计负荷；系统的初投资与运行费用小。该设计中选择的水—水式热泵机组为制冷、供暖及卫生热水三位一体机热泵机组，以及集空调、除湿和泳池加温功能的三集一体机。一机多用，减少初投资与运行费用。

根据以上的冷、热负荷计算可知：空调设计冷负荷为：310.34kW，设计热负荷为：400.73kW。

（1）热泵机组选用美国特灵产品：二台型号为RTWD60HE的水源螺杆热泵机组（一用一备），主机带全热回收装置,10%～100%的无级能量控制，性能参数见表3。

（2）三集一体机选用香港易达型号为VeP-060-E的机型一台，性能参数见表4。

表3 水源螺杆热泵机组性能参数

表4 三集一体机性能参数

该三集一体机同特灵热泵机组共用地下埋管系统，同时带有热回收功能，集空调、除湿、泳池加温功能于一体，能确保泳池室内四季恒温恒湿，并对泳池蒸发出的热量和新风系统排出的热量进行有效回收，大大增加了泳池的节能效果和舒适性。

2）热泵机组的运行方案

热泵机组的具体运行方案如下：

（1）夏季制冷工况：开启型号为RTWD060HE热泵机组和型号为VeP-060-E三集一体机作为建筑物空调的冷源，对建筑物进行制冷，同时开启该台热泵机组热回收装置来制取生活热水（免费），则两台机组的装机制冷量为332.3kW（263kW+96.3kW），满足设计要求。

（2）春秋季：此时建筑只有泳池大厅需要供暖，开启型号为VeP-060-E三集一体机提供泳池大厅采暖和泳池保温，由型号为RTWD060HE热泵机组热回收装置制取卫生热水。

（3）冬季供暖工况：开启型号为RTWD060HE热泵机组和型号为VeP-060-E三集一体机作为建筑供暖和泳池保温的热源，热回收装置制取卫生用热。两台机组的装机制热量为385.9kW（259kW+126.9kW），小于设计负荷400.73kW，但卫生热水系统有太阳能系统预热，所以可以满足设计要求。

（4）泳池初始加温：将560m3水从5℃加热27℃所需热量为：

Qd=mc△t=560×4.187×1000×(27-5)=51583840kJ

考虑加热系统热损为20%，加热时间为48h，加热功率为：

Qd'=51583840/（1-0.2）/48=1343329kJ/h=373kW

按以上运行方案，热泵机组一机多用，灵活多变的组合既能够满足不同工况的需求，又最大限度地减少了运行费用。

3.3 冷热源系统——地下垂直埋管热交换系统

1）埋管形式

地源热泵的地下埋管形式有竖直埋管和水平埋管两种形式，本工程中，采用竖直埋管中的单U（φ32×3.0）型管。采用制作成型的单U型管，可节约用地面积，换热性能好，可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等地下而不影响上部的使用功能，甚至可在建筑物桩基中设置埋管，见缝插针充分利用可利用的土地面积；同时，垂直U型管还具有管路接头少、保温能力强、不易泄露等优点。

2）管材的选取

由于工程的所有埋管均在建筑物基础下面，一旦将埋管埋入，就不可能进行维修或更换，这就要求保证埋管的化学性质稳定并且耐腐蚀。根据地源热泵施工规范要求选择高密度聚乙烯PE100管。额定保温能力为1.6MPa，导热系数0.42W/(m·K)。

3）管路设计

初步设计采用打井深度为81.5m（有效埋管深度80M）的埋管形式，具体根据现场情况来定。

根据计算，夏季系统向土壤的散热量Qe为369.68kW；

冬季和春秋季从土壤热源中吸取的热量Qf为312.76kW。

根据在上海地区对单U（φ32×3.0）的热响应实验数据。夏季，在进/出地埋管温度为35℃/30℃的工况下，垂直埋管换热为56W/m(井深)；冬季，在进/出地埋管温度为5℃/10℃的工况下，垂直埋管换热为42W/m(井深)。根据系统的设计热负荷及以上数据，可计算得打井数量与埋管长度（见表5）。

表5 地源系统打井数量与埋管长度

根据以上计算及现场实际情况，考虑到地埋管的不可修复性，打井数量放大15%，所以共打井108口，打井深度为81.5m，有效埋管深度80m。

4）热平衡计算

热平衡计算结果见表6。

表6 热平衡计算

由表6可以看出，向土壤排放的热量跟从土壤吸收的热量基本平衡，差值部分完全可以由土壤自身进行调节。实际运行过程中如产生热不平衡，将由太阳能热水系统来调节。

5）地耦管配管

埋管设计是地源系统的关键，除了以上提到的负荷设计、热平衡和热屏障问题以外，阵列的合理布置、地埋系统的可操作性（包括调试方便、可检测程度等）等是埋管设计的关键。

（1）阵列的合理布置

一般情况下，各个地源井之间都为并联。在布置阵列时，每口井要考虑到水力平衡，即保证每口井通过的流量一致，使整个地埋系统发挥最大效率。

该设计中，地源井数量为108口，并列布置在建筑的桩基间。这样大的阵列布置必须考虑分级调节和控制，即设立一级阵列、二级阵列、三级阵列…；在每级阵列设立能源调节站，每级能源调节站主要由分/集水器、压力检测、流量检测和排气装置组成。

该埋管共有6个子阵列，每个子阵列分别为18口井（2×9）。每口井进入子阵列分/集水器（井）。每2个子阵列即2组18口井（2×9）分/集水器（井）的支管采用变径的方式汇入机房总分/集水器。

（2）地埋系统的可操作性

地埋系统原则上讲是不可修复的。所以在设计时要合理考虑修复的可操作性，即地埋系统其中一口井出现损坏时，尽量做到关闭这口井时，不影响整个地埋系统的正常运行。在施工时，严格把控每一道施工程序，确保施工质量。

设立分级阵列是本案设计的关键。末端阵列和末端能源调节站控制到每一口井。

地耦管系统总流量等于热泵主机的冷冻水流量，计算得出：总流量M为17.66kg/s，即63.58m3/h，每口井流量Q为0.589m3/h（63.58m3/h/108口），管内流体流速V为0.31m/s。

地耦管与土壤的换热效果取决于管材、土壤特性、换热面积、管内流体流速等众多因数。在管材、土壤特性、换热面积确定的情况下，管内流体流速起决定作用。根据美国地源热泵设计手册以及我国“地源热泵设计、施工及验收规范”（草案）和长期从事地源热泵施工的经验，管内流体流速在0.3—0.8m/s系统换热效果最佳。因此，0.31m/s的管内流体流速是一个合理值。

3.4 “太阳能+地源热泵”热水系统

1）太阳能、地源热泵联动的描述

为了更加充分地利用再生能源，提高节能水平，该设计中太阳能热水系统与热泵系统并联使用，使用中优先使用太阳能，太阳能不足部分由地源热泵系统自动补充供给。地源热泵实际运行时，太阳能系统的使用给地下的热量平衡增加了一个保障。

2）会所所在地太阳能资源

会所所在的上海地处北纬31°14′，东经121°29′，属亚热带季风气候，气候温和湿润，四季分明，日照充足。冬夏较长，春秋较短，全年平均气温为15.7℃，年无霜期300天左右。全年日照时间为1400-2200h，太阳年辐射总量在419—502万kJ/m2a，具有丰富的太阳能资源。

3）太阳能热水系统集热面积

集热面积可根据用户的每日用水量和用水温度来确定，按式（1）计算：

表7 太阳能集热器技术指标

式中：Ac——集热面积,m2；

Qw——每天所需热量，Qw=122＊3600＊4=1756.8MJ

f——太阳能保证率,无因次；按晴好天气计算，f=1

JT——系统使用期内春秋季晴天平均太阳能辐射量，21.3MJ/m2·d

ηcd——集热器全日集热效率，取0.55

ηL———管路及储水箱热损失率，取0.15

计算得到所需集热面积Ac为177m2。

选用平板太阳能集热器，平板太阳能集热器具有系统保温、高效等优点。所选的集热器的规格见表7。

根据建筑现场情况，共布置90块平板集热器，35°朝南布置。

结论

瑞仕华庭会所建成后作为国内第一个按国家绿色三星设计要求建造的会所，由于其能源系统节能设计按照高标准节能要求进行,能耗模拟分析结果表明，会所的节能率将高达70%。每年节电超过40万kWh，折合标煤160t，减少二氧化碳排放310t。因其热负荷完全由地源热泵和太阳能热水器来提供，一机多用，不使用燃油或燃气锅炉，避免了燃油或燃气锅炉燃烧对小区环境的污染。基于会所的高节能和高舒适性等绿色建筑特点，该节能设计可以在全国的会所节能设计和建造中起到很好的参考和示范作用。

[1]《高效闭环地源热泵系统设计和实施-美国能源部IUEP国际能效示范中国项目》 徐云生、Lee Peyton、王宽

[2]《地源热泵系统优化设计-降低地源热泵系统初投资的有效途径》 张俊巧

[3]《节能型太阳能热水系统的设计与研究》周程生、黄凯旋、李品芳

[4]《居住建筑太阳能热水系统设计》 王士荣

[5]《采暖通风与空气调节设计规范》 （GBJ-2003）

[6]《民用建筑节能设计标准 (采暖居住建筑部分)》 (JGJ26-95)

[7]《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》(JCJ134-2001)

[8]《民用建筑热工设计规范》 （GB50176-93）