武汉地区某综合楼地源热泵设计

尹奎超 姜红 李京沙 宋孝春 韦航

中国建筑设计研究院有限公司

1 概况

本项目为武汉航发金融创新基地项目。位于武汉市盘龙城经济开发区宋家岗西路以东、景云路以南。占地面积53672 m2，总建筑面积15.3万m2（其中地上94290 m2，地下58650 m2），由出租办公（A楼）（46600 m2）、自用办公（B楼）（20618 m2）、高端商务型酒店（C楼）（252000 m2，228自然间客房）组成。地下2层，A楼办公楼地上9层、B楼办公楼地上7层、C楼酒店地上10层。底层标高为-10.00 m，A楼办公高41.00 m，B楼办公楼高32.1 m，C楼酒店高46 m。

本建筑按绿色三星设计。根据业主运营管理要求，出租办公楼，自用办公楼及酒店应能满足独立运行要求。考虑到出租办公楼的灵活管理的需求，采用变频式分体多联机空调系统。自用办公、酒店采用中央空调系统，冷热源均采用地源热泵机组，冷热站分别在各自地下设置。故以下分析不包含出租办公楼。

2 负荷计算

地源热泵系统虽然是一种节能、绿色的空调形式，但其初投资较高[1]。应进行全年负荷计算并进行热平衡分析后，选用合理的冷源系统方案。根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012选取武汉地区室外参数，并选择合理的室内设计参数进行全年负荷计算，结果如图1～2及表1。

图1 酒店全年负荷曲线

图2 自用办公全年负荷曲线

表1 负荷计算表

3 热平衡计算及分析

3.1 热平衡计算

仅从负荷无法分析系统的热平衡状况，需计算地埋管冬季从土壤中吸收的热量和夏季向土壤放热的关系。

夏季向土壤放热量：

冬季从土壤吸热量：

式中：Q放为夏季空调冷负荷；EER冷为夏季热泵机组的能效比，本项目取6.0；Q输送为循环水在输送过程中得到的热量（夏季）或失去的热量（冬季）；Q水泵为水泵释放热量；Q热为冬季空调设计热负荷；COP热冬季热泵机组的能效比，本项目取4.8。

3.2 工况分析

为了最大限度节约能源，过渡季节可不开启空调用地源热泵机组（生活热水用热泵开启），仅开启机械通风。地源热泵机组使用工况如下：夏季工况，每年5月1日-9月30日为制冷季。冬季工况，每年12月1日-2月28日为制热季。办公空调使用时间为上午8点至下午6点，酒店空调使用时间为0点至24点。根据上述运行工况及全年负荷计算可得知，酒店制冷季耗冷量为2393629 kWh，制热季耗热量为1380693 kWh。自用办公制冷季耗冷量为2615723 kWh，制热季耗热量为805763 kWh。自用办公没有生活热水需求，故自用办公自身很难达到平衡。生活热水使用情况是有变化的，酒店运营好客源多则生活热水使用多，从土壤中吸收热量多，反之生活热水使用少，从土壤中吸收热量少。文中生活热水按一天使用7小时和12小时的情况分别考虑。按不用运行工况进行土壤热平衡分析。

3.2.1 工况一

酒店及自用办公均向土壤吸、放热量，仅考虑生活热水平均使用时长的变化。根据式（1）（2）可计算出地源热泵系统一年内夏季向土壤的放热量和冬季从土壤的吸热量。结果如表2、表3，其中表2为生活热水平均每天使用7小时工况。表3为生活热水平均每天使用12小时工况。

表2 热平衡计算表（7小时）

表3 热平衡计算表（12小时）

通过表2、3可计算出冬、夏季向土壤吸放热的不平衡率为52.0%（生活热水使用7小时工况）、38.9%（生活热水使用12小时工况）。

3.2.2 工况二

因为夏季放热量远大于冬季吸热量，应采取减少放热量的措施。夏季自用办公不向土壤排热，采取其他排热措施，生活热水按平均使用7小时，计算结果如表4：

表4 热平衡计算表（自用办公不放热，生活热水7小时）

这种情况吸热量稍大于放热量，不平衡率为0.37%，不平衡率较低，可认为达到平衡。

3.2.3 不同运行工况下热平衡分析

《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第8.3.4条4款中条文解释根据相关文献资料，当地源热泵系统冬、夏季向土壤放、吸热比值在0.8～1.25之间。

工况一：当酒店与自用办公常年均向土壤吸、放热量时，土壤存在较大的热不平衡率，且与使用生活热水时长有关，生活热水使用时间越长，系统吸热量约接近于排热量，土壤约接近于热平衡，反之土壤热不平衡率越来越大。如系统在该工况下长期运行，会导致夏季向土壤放热量大于冬季从土壤吸热量，并逐年增加导致土壤热堆积，地源侧出水温度会逐年升高，此时应采取相应措施改善土壤温度。

工况二：当自用办公夏季不向土壤放热而采取其他排热手段时，由计算可知土壤可基本达到热平衡，但该工况受生活热水使用时长制约，如按设计工况，该系统可长期运行。

4 负荷侧设计

4.1 自用办公

自用办公夏季冷负荷为2600 kW，冬季热负荷为1315 kW。设置两台地源热泵冷热水机组，单台热泵机组制冷量为1367 kW，制热量为1344 kW。

夏季空调冷冻水供回水温度为7/12 ℃，夏季地源侧供回水温度为25/30 ℃。冬季空调热水供回水温度为45/40 ℃，冬季地源侧供回水温度为10/5 ℃。冷冻水泵变流量运行，地源水泵变流量运行，空调冷热水系统采用密闭隔膜式膨胀水管定压方式，地源侧水系统采用膨胀水箱定压方式。

根据前述分析，自用办公自身很难达到土壤热平衡，为了调节这种不平衡，保证土壤温度的恒定，自用办公另设置两台冷却塔用于夏季排除建筑内热量。

4.2 酒店

酒店夏季冷负荷为2927 kW，冬季热负荷为2046 kW，全年生活热水预热负荷为530 kW。设置三台地源热泵冷热水机组（1LR-1～3），单台热泵机组制冷量为1077 kW，制热量为1027 kW。其中一台为部分热回收地源热泵机组（1LR-3），热回收量为214.4 kW，回收热量用于生活热水预热。

夏季空调冷冻水供回水温度为7 ℃/12 ℃，夏季地源侧供回水温度为25 ℃/30 ℃。冬季空调热水供回水温度为45 ℃/40 ℃，冬季地源侧供回水温度为10 ℃/5 ℃。热回收工况热水供回水温度为45/25 ℃。

热回收地源热泵机组仅在制冷季时能满足生活热水的预热需求，为了满足生活热水24小时的需求，设置一台地源热泵热水机组（1LR-4），单台制热量为591.5 kW，在非制冷季为生活热水提供预热，热水供回水温度为45 ℃/40 ℃，地源侧供回水温度为10 ℃/5 ℃。冷冻水泵变流量运行，地源水泵变流量运行。空调冷热水系统采用密闭隔膜式膨胀水罐定压方式,生活热水预热水系统、地源侧水系统采用膨胀水箱定压方式。

同样为了调节土壤吸放热量的不平衡，另外设置两台冷却塔用于当土壤热不平衡出现时排除建筑内热量。

地源热泵系统设置如图3。

图3 冷热源系统图

5 地埋管设计

为了得到地下土壤的热物性参数，为设计提供实测数据，设计之初，业主请专业公司对项目所在地进行了岩土热响应试验，结果表明：岩土的初始温度为19.8℃，散热工况下钻孔单位延米平均换热量为58.5 W/m，吸热工况下单位延米平均换热量为41.6 W/m。

根据全年负荷计算，本项目夏季最大为放热量为6448 kW，孔深按有效深度100 m计算，则需要6448/58.5×10=1102个。冬季最大吸热量为3243 kW，则需要3243/41.6×10=779个。为了节约投资且本项目设置了冷却塔用于夏季辅助散热，因此打井数量按冬季计算，考虑坏井及换热量衰减的原因，按20%富裕量打井，打井总数量为779×1.2=935个。

地埋管采用双U型管垂直布置，孔深100 m，孔间距5 m，地源井个数935个，采用聚乙烯PE管材，回填材料为膨润土＋石英砂。地源侧水管汇集至分集水器后接至地源热泵机组，热泵机组可满足夏季制冷和冬季制热要求。

6 运行控制策略

为了更好地发挥地源热泵技术的节能优势，本项目设置自控控制系统，对地源热泵系统及末端系统进行运行状态的实时监测并指导系统运行。

根据系统需冷、热量的变化，控制地源热泵机组及对空调冷热水泵运行台数。供回水压差控制空调冷热水泵变频运行，当地源热泵机组流量小于50%时，开启供回水干管上的旁通阀。并设置压差控制阀保证负荷侧压差维持在一定范围。采用地源热泵机组的地源侧进水温度控制地源侧水泵变频，地源热泵机组冷却水进水温度控制冷却塔风机开停（转速、开启台数）。冷机的冷却水进水温度控制水路旁通阀开度。

6.1 地源热泵空调系统控制策略

根据上述工况一、二的计算分析，如酒店、自用办公夏季均使用地源热泵运行，即使生活热水平均使用时间达到12小时也很难达到热平衡。系统运行伊始，夏季工况下，自用办公冷却水就切换到冷却塔运行，将热量排至室外空气不进入土壤。根据地源侧出水温度切换酒店冷却塔与地埋管阀门，当地源侧出水温度≥26.5 ℃时，切换为冷却塔散热。冬季工况时，均使用地源热泵系统，从土壤中吸热。本项目系统放热量大于吸热量，如每年均满负荷使用地源热泵，土壤温度会逐年升高，因此应根据运行数据逐年动态调整阀门切换温度，不应一直采用26.5 ℃。

当地源热泵系统运行1～3年后，应根据运行测试数据，采用地埋管地源热泵土壤热不平衡预警方法[2]，建立土壤温度标准曲线，并采用该曲线作为预警指标，综合考虑建筑空调冷，热负荷及生活热水预热负荷变化趋势，指导系统控制运行。

若系统运行若干年后土壤温度仍居高不下，存在热不平衡现象，此时酒店夏季部分负荷工况时切换到冷却塔模式运行，减少系统向土壤的放热量，直到土壤温度恢复为止。

6.2 生活热水预热系统控制策略

1）制冷季。优先使用部分热回收地源热泵机组（1LR-3）的回收冷凝热用于生活热水的预热，当该机组故障或提供的预热量不够时启动地源热泵热水机组（1R-4）。

2）制热季。优先使用地源热泵热水机组（1R-4）提供生活热水预热，当1R-4故障时启动热回收地源热泵机组（1LR-3）。

3）过渡季。1LR-3开始制冷时使用冷凝热回收热量预热生活热水，1LR-3不开启时则启动1LR-4。

7 结论

1）随着我国人民对美好环境的迫切需求及我国能源结构的深化改革，地源热泵技术应用于武汉地区具有较好的节能、环保效益。但武汉地区夏季建筑物空调系统的向土壤放热量远大于冬季从土壤的吸热量，因此在有其他从土壤吸热手段（如全年生活热水）并采取可靠技术措施调整土壤热不平衡率的情况下可采用地源热泵技术。设计之初应进行全面详细的全年负荷计算及土壤热不平衡率计算，设计合理的地源热泵系统及合理的控制策略。

2）地源热泵技术不可避免会出现土壤热不平衡现象，仅仅依靠详细的计算和合理设计并不能完全解决此问题。系统应采取高效的运行管理，在利用历年系统运行数据及经验的基础上总结一套精准的控制策略。详细计算、合理设计、高效管理、精准控制，抓好这四个方面方能从根本上解决地源热泵系统土壤热不平衡的问题，使系统高效、节能、绿色、环保运行，满足人民对美好环境的的需求。