汤臣金桥花园别墅区地源热泵空调系统设计

栗学鑫

（精义室内环境系统（上海）有限公司， 上海 200000）

0 引言

2015年国家能源局编制《地热能开发利用“十三五”规划》，计划新增7亿平方米清洁能源应用，其装机容量达到34250MWt，所以上海地区别墅建筑对于开发商提出了相应节能措施，参考《民用建筑绿色设计规范》与《绿色建筑评价标准》，推行“三选一”政策，即地源热泵系统、太阳能管光热热水供应系统，移机光伏发电并网系统，须在新建低密度别墅区应用上述节能措施中至少一项。光电系统由于太阳能光伏板强光反射问题，对于上海部分地区并不适用；光热系统同样也存在出热水温度稳定性差，热水流量不足，无法源源不断的提供大流量热水，所以在别墅型房产项目中并不适用；相对而言，地源热泵技术以土壤为储热载体，将冷热投放或吸取，供建筑空调采暖或生活热水使用，实现制冷制热制热水三联供高效节能的中央空调系统。土壤源热泵机组以使用较少的高品位能源（一次电力能源），驱动压缩机利用逆卡诺原理，使低品位热能向高品位转移。

1 工程概况

汤臣金桥花园一期，位于上海市浦东金桥地块，基地概况：基地西临云山路，南临张家浜路，北临锦绣东路路。基地呈矩形状，基地总面积约为28919m2，总建筑面积：44885.6m2，其中地上：23211.9m2；地下：2163.7m2。一期总共建设43套独栋别墅，A1、A2、A3、A4、D1、D2户型共计36套，每套面积为350m2，B户型共计6套，每套面积为450m2，C户型为该小区面积最大的，仅1套，面积为650m2。项目一期作为该地块试点，整体规划目标成为上海高端别墅标杆示范小区。

2 暖通机电系统的方案确定

汤臣金桥别墅的暖通机电设计，其中包括地源热泵地源侧管网，地源热泵机房，室内空调系统、地暖设计。设计指导思想和设计特点：满足建筑室内环境的各项空气指标，及温度、湿度、洁净度、含氧量，以及气流组织的全部要求；同时兼顾室内装饰设计美观要求，并且对建筑设备整体使用便捷性与日常维护保养做系统规划性设计。

2.1 户内空调采暖负荷及热水供应系统计算分析

户内空调形式主要以常静压静音型风机盘管的作为室内制冷末端，本案参考设备为巴法禄空调设备有限公司提供的超薄静音型风机盘管，小空间的区域采用侧送侧回方式，气流组织采用吊顶回风方式，主要意图为兼顾装饰美观，略微影响空调使用效果。高大空间区域采用侧送下回方式，进行集中强对流制冷。室内机除极端气候外，均可采用中档风速运行，营造宁静居家环境，同时降低能耗。

先以B 户型的中的9#楼为例，其符合空调负荷配置如下：

表1 B 户型的中的9#楼空调负荷配置表

同户型采暖采用室内以地面辐射采暖形式，采用预设阻力型分集水器，目的使各个地暖盘管之路水路平衡。

本案采用热泵热水与燃气热源配合至热水；同时采用智能型循环水泵，恒温控制阀等设备配合实现热水循环。满足生活热水：三个浴缸用大水量，各个用水点即开即热，以及多点用水的需求。

表3 B 户型的中的9#楼热水系统计算表

热水计算40℃ 淋喷头（不带浴缸） 3 140 420 国标中取140～200L/h（40℃），对卫生间较多的套型，小时用水量适当调低 带喷头普通浴缸 2 300 600 国标中取300L/h（40℃） 合计用水量（40℃） 1020L 此结自动算出 考虑同时使用系数后合计用水量（40℃） 400L 顶盘管水箱 根据经验估算，卫生器具越多同时使用系数越小(0%～100%之间)

2.2 地源侧埋管系统的设计

室外场地地质条件：依地质勘察报告，本场地为上海浦东金桥硬质地土。第1 层素填土：灰黄、灰色。主要由粉土和粉质粘土组成，表层含大量植物根茎，松软。层厚0.60～1.00m，全场地分布。第2 层粉土夹淤泥质粉质粘土：灰色，含少量云母。粉土稍密,很湿，无光泽，摇振反应中等，干强度低，韧性低；粉质粘土流塑，局部软塑，稍有光泽，干强度中等，韧性中等。属中偏高压缩性土层。一般厚度为0.40～5.00m，层底标高一般为-3.35～0.23m。此层土全场地分布。第3 层粉砂夹粉土：灰、青灰色，含云母，局部夹薄层粉质粘土。此层土全场地分布。工程力学性质较好，换热效果好，为地源热泵主换热层。

再经由地勘所进行了土壤热响应测试，在选用上海伟星厂生产的HDPE100 型Dn32 单U 管地埋井进行测试，该系统地埋管有效排热量平均每延米为：45W/m，有效取热量平均每延米为：73W/m。

场地气候条件：本地区最冷月平均温度-4℃，最热月平均温度34℃。全年主导风向SE，夏季平均风速3.2m/s，冬季平均风速3.1m/s。日最大降雨量230mm，平均年总降雨量1200mm。最大积雪深度0mm，最大冻土深度80mm。

土壤源热泵的冷却水循环侧是由土壤换热器采用地下埋管网承担，土壤源埋管方式有很多种。我国华东地区采用的有垂直方向埋管和水平平铺埋管的两种形式。水平埋管方式是将浅层土壤中挖沟渠，将HDPE100 或HDPE80管道水平的敷设在管道沟渠里的填埋的施工工艺，并控制管间距，垂直方向埋管方式是采用土壤层中垂直方向钻井打孔，并将土壤源冷却水管道(HDPE管)送入事先钻好的管井中，然后在孔中回灌填充材料包括黄沙、膨润土、土壤原浆的埋管方式。由于传统的水平布管占地面积较大，别墅群项目的花园很难达到如此大的铺设面积，所以，垂直埋管优先作为本项目埋管形式，并且垂直方向埋管热效与经济性均好于水平布管方式，进而确认本项目采用的是垂直埋管。

地源热泵系统配置计算：

热地源热泵系统主机选择依据：

室内额定制冷量×同开系数（70%）=主机制冷量+管道×缓冲水量

85kw×0.7=主机制冷量+水蓄冷参数×缓冲水量

主机制冷量：60kW

水蓄冷参数×缓冲水量：25kW

5°温差时，水流量（m³/h）=0.172×制冷量（kW）

总水流量：0.172×52.9KW÷0.95=9.57m³/h

主机最小流量：0.172×35.7=6.14m³/h

流量差；9.57-6.88=2.679m³/h

地源井换热设计计算：

根据计算的冬、夏季的设计负荷，该区域地层单位钻孔延长米的平均换热量，浦东内环地区为冬季73w/m，夏季45w/m。

地源井换热器参数如下:

85kw÷45w/m=1888m

富裕量（10%）：1088m×1.1=20777m（取整）

打井深度：100m

打井数量：2077÷130m=16（口井）

2.3 埋管分区研究

单U管土壤源管道管下井前需进行技术准备:首先进行热响应测试，再进行批量下管，将连接好的HDPE管一次性直接下入换热孔内，由于孔井中溺水浮力原因，管道必须一次完成提拉钻杆与管道下井工作。管井间间距应避免热干扰，4至5米的间距对于HDPE100，单U100米深的地埋管系统是合理的，也避免会发生热干扰现象，进而影响整个土壤源换热器的热效率。汤臣金桥花园的地埋管采用了间距4.5米，深度130m的地源井。在各组竖直换热管道连接方面，采用了混合式连接方式，及先以分集水器形式连接5到6组竖直管井，再以同程连接形式，连接各组分集水器组，此方法好处在于每口管径均可独立检修，又避免了单一分集水器系统造成的异程水力失调现象。所以本方案土壤换热器采取混合方式连接。

3 空调系统设计

3.1 空调冷热源系统负荷和设计装机容

地源热泵系统主机选择依据：

室内额定制冷量×同开系数（70%）=主机制冷量+管道×缓冲水量

85kw×0.7=主机制冷量+水蓄冷参数×缓冲水量

主机制冷量：59.5kW

水蓄冷参数×缓冲水量：25kW

蓄冷水箱选择依据：

5°温差时，水流量（m³/h）=0.172×制冷量（kW）

总水流量：0.172×15.9KW=2.88m³/h

主机最小流量：0.172×4.6×0.7=0.79m³/h

流量差；2.88-0.79=2.m³/h

系统立管为DN50管道，内径0.044，参考流速0.577～1.227m/s，取中值0.85m/s

3.2 别墅区空调水系统设计

本案中空调水负荷侧系统采用一次变频泵系统。水平两管并联异程形式连接各风机盘管，立管采用同程形式进入设备机房，水平管段上的不平衡率可忽略不计，竖直管道方向与水平主管加设平衡阀。

机房系统配置方面：在土壤源热泵机房内设有地漏，漫水报警系统，防漏式自动补水系统。风机盘管冷凝水在排水水平管段加设快适阀，起到排水隔气作用，将收集后冷凝水间接排至地下一层集水井，再由给排水专业人员设计施工。

汤臣金桥花园全部空调系统采用监控KNX 总线制系统，由智能控制箱及室内气候传感器、及控制执行器组成一套完成的室内气候系统。控制范围地源热泵主机启停及模式切换；热泵生活热水与太阳能热水系统联动；主从与互为补充形式；空调末端与地暖启停与温控；新风除湿系统启停与空气品质监控管理。

系统制冷系统采用1 次泵方式，1 次泵变频变流量系统。空调末端空调机组和空调水力分配器的回水管上设平衡电动双通调节阀，通过调节表冷（热）盘管的过水量以控制室温或新风机组的送风温度。室内风机盘管的温控器与地源热泵主机采用干接点联动方式，要求空调机组、风机盘管上的双通水阀均与风机连锁控制；同时，冬季空调机组、双通水阀保留5%的开度，防止加热盘管冻裂。

3.3 土壤换热器热平衡计算模拟分析

整个小区夏季向土壤供热能力为10620kW，冬季向土壤供冷能力为8400kW，由于上海地区夏季空调时长远高于冬季供热时长。年平均土壤蓄热量高于取热量，地表硬化，后散热能力减弱，若干运行周期后，土壤年平均温度上升，出现土壤热疲劳，对于整个空调系统稳定运行和环境状况都存在危害。增加了热回收制备热水，由于生活热水热回收，夏季向土壤供热能力低于为10620kW，冬季向土壤供冷能力为8400kW（供热）+2960kW（生活热水），这样上海地区夏季空调时长远高于冬季供热时长，通过设计分析软件与系统管理可使整个土壤源的蓄热取热量相抵，确保系统稳定运行与环境友好。

4 结论

上海汤臣金桥花园项目于2015年启动，样板房2016年交付，连续4年运行下来的能耗低及土壤温度变化小，较该地区采用传统变制冷剂空调系统与家用燃气壁挂炉系统的能耗与使用费用低35%。较两个系统初投资上的差别，也可在2～3年完全回收。以样本房的实际测评结果看，本案地源热泵系统节能率50.22%，系统能效系数3.71，机组性能系数6.21。该项目通过对别墅区土壤源热泵三联供的设计研究，提出一种冷热热水三联共系统，又能满足实际舒适需求，又可解决我国华东地区土壤热疲劳现象，实现环境友好的目的。