地源热泵系统在上虞游泳馆项目的综合应用

张德军 北京公共交通控股（集团）有限公司场站工程管理分公司，北京 100043

尹 恒 北京华清荣益地能科技开发有限公司，北京 100176

1 项目概况

上虞游泳馆位于浙江省绍兴市上虞区高铁新城西北部，游泳馆建筑面积为17550 平方米，地上4 层，建筑高度为23.8m，馆内设1 个50×25m 国际竞赛池，1 个25×25m 的训练池及1200 座的观众席。此外，馆内还设有新闻发布室、休息室、更衣室等比赛服务用房。上虞游泳馆室内图景如图1 所示。

图1 上虞游泳馆室内图景

本工程采用地源热泵作为游泳馆冷热源，游泳池水与生活用水的加热及游泳馆内空调的采暖、制冷均由地源热泵系统实现。既满足了游泳馆的供热制冷要求，也实现了节能减排的目的。

2 地源热泵的原理及特点

地源热泵系统又称土壤源热泵系统，是指在水侧为一组闭式循环的换热套管，该组套管一般水平或垂直埋于地下，通过与土壤换热来实现能量转移，在地源热泵系统中，与土壤换热的介质是闭式循环，与土壤不接触，与末端系统不连通，可有效避免交叉污染，地源热泵系统从原理上讲可以应用在任何地质条件、任何贫富水地下，包括岩石、卵石等。地源热泵系统原理如图2 所示。

图2 地源热泵工作示意图

地源热泵技术的特点体现在其系统的节能性及环保性两个方面：

（1）属经济有效的节能技术

地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵冷、热源，冬季投入1kW 电能，可以得到4kW左右的热能；夏季投入1kW 的电能，可以得到5kW 以上的冷量。这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右。

（2）地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，如果结合其他节能措施节能减排量会更明显。

3 地源热泵系统配置

本工程采用的地源热泵系统是采用地埋管形式，以土壤为冷热源。地源热泵系统由地源热泵机组，地埋管换热器系统，游泳馆池水加热、生活热水加热及末端空调系统组成。3 个系统之间以水为介质进行热量传递，保证夏季室内温度26～28℃，冬季室内温度20～28℃，游泳池水温28℃，生活热水供水温度55℃。

冷热负荷统计表

3.1 地源热泵机房设备配置

本工程夏季空调冷负荷为1565 千瓦，冬季空调热负荷为1138 千瓦。其中为比赛池和训练池区域分别配置两台和一台制热量为260 千瓦的地源一体化泳池除湿热泵，另配置一台制热量为350 千瓦螺杆式双工况冷热水机组，配套风机盘管和地板辐射采暖系统对池边进行辅助采暖；观众区（中央空调区域）空调冷负荷为473 千瓦，空调热负荷为640 千瓦，冷热源由动力中心冷热源机房的一台500 千瓦的螺杆式双工况冷热水机组供应；二层更衣室等经常使用的区域采用水源变冷媒流量商用空调系统。

地源热泵机房还安装有其它设备，如循环水泵、板式热交换器、定压补水、水处理装置等，我们通过自动控制系统可根据不同的运行工况，进行运行管理。游泳馆地源热泵系统工艺流程如图3 所示。

（1）冬季工况（供热）

地源热泵系统由地埋管换热器环路、热泵机组工作环路和空调末端环路3 部分组成。地埋管换热器对应热泵机组的蒸发器形成环路，在循环水泵的作用下循环水流经地埋管换热器时吸收土壤中的热量；空调末端对应热泵机组的冷凝器形成环路，在循环水泵的作用下循环水流经空调末端换热器时释放热量。

（2）夏季工况（制冷）

通过相关阀门的切换，地源热泵系统中的地埋管换热器对应热泵机组的冷凝器，在循环水泵的作用下水流经地埋管换热器时释放热量到土壤中；热泵机组的蒸发器对应空调末端设备构成环路，同样在水泵的作用下，循环水流经空调末端设备时释放冷量到室内。

图3 游泳馆地源热泵系统原理图

3.2 游泳馆空调系统

3.2.1 观众区空调系统

由于游泳馆除正式赛事活动外平时主要开放为市民做体育锻炼用，观众区域空调具有运行间歇性、运行时间短、负荷集中等特点。因此观众区域采用与泳池区域空调独立的地源热泵空调系统。夏季空调冷负荷为500 千瓦，冬季空调热负荷为450 千瓦，配置了一台制冷量为500 千瓦，制冷工况下COP 为4.8 的双工况螺杆式地源热泵型冷热水机组，设置于冷热源机房内，该机组冷冻水管通过室外地沟由动力中心敷设至游泳馆各空调机房。空调水系统采用二管制一次泵变流量系统。夏季供水温度为7℃，回水温度为12℃，冬季供水温度为45℃，回水温度为40℃。考虑到游泳馆夏季比赛时室外温度高，观众区人员密集，冷负荷大，为避免冷凝器集中散热造成地埋管的热堆积，如图3 所示，在动力中心区域另配置了一台闭式冷却塔，并使其在夏季负荷高峰期间优先运行。

3.2.2 泳池区空调系统

本工程训练池和比赛池分别配置一台和二台除湿量为150kg/h 的泳池专用除湿热泵机组，设置于游泳馆底层空调机房内。如图3 所示，区别于常规采用室外风冷的方式，本工程一体化除湿热泵冷凝器侧通过两台水变频循环水泵接至室外地埋管系统，由于地埋管系统地源侧温度全年较为稳定，一般为10～25℃，因此其能效比比风冷方式高近50%而更节能。

此外，本工程比赛池和训练池区域均设置有大量玻璃幕墙，为防止冬季外窗围护结构内表面温度过低从而造成结露，同时作为一体化泳池除湿热泵采暖的补充，泳池区域配置一台制热量为350 千瓦，能效比为4.4 的螺杆式地源热泵机组用于为池边的地板辐射采暖系统和风机盘管系统提供热源。采暖供回水温度为45/40℃。

3.2.3 服务用房空调系统

对于游泳馆、体育馆类建筑而言，新闻发布室、休息室等比赛服务用房日常使用率很低，如采用地源热泵系统，室外地埋管初投资较大。因此对于上述日常非经常使用区域，采用风冷多联机空调系统，室外机就近设置于室外；对于一些日常使用率高的区域如更衣室等区域设计为地源VRF 空调系统，制冷性能系数COP 大于4.8，相比风冷多联式空调系统提高了近40%，且其冬季制热效果更加稳定，其主机设置于底层空调机房内。如图3所示，地源VRF 空调系统地源侧设置两台管道式变频循环水泵，可根据负荷变化自动调节。

3.3 热水系统

本工程生活热水系统加热负荷为1100 千瓦，为提高系统可靠性，配置了二台制热量为550 千瓦，能效比（COP）为3.7 的地源螺杆式热泵型热水机组，其冷凝器侧供水温度55℃，回水温度50℃，分别配以定流量热水泵接入生活热水储水罐。

训练池和比赛池池水加热总负荷为1100 千瓦，配置了一台制热量为1100 千瓦，能效比为3.7 的地源螺杆式热泵型热水机组，其冷凝器侧供水温度55℃，回水温度50℃，配以变流量热水泵由热源机房接至训练池和比赛池池水处理系统，通过板式换热器制取二次热水。上述热泵型热水机组均放置于游泳馆底层热源机房内。

3.4 地埋管换热器系统

地埋管换热器系统是地源热泵系统的重要组成部分，由—组埋地塑料管组成，埋地塑料管与土壤耦合，管内以循环水作为介质使其与土壤进行热交换。其是利用地下浅层土壤温度常年保持在10～20℃的特点，通过地埋U 型管内的介质循环与土壤进行闭式热交换来达到供热、供冷的目的。在冬季，该系统通过热泵机组将大地中低温位热能提高温位对游泳馆供暖；在夏季，该系统通过热泵机组将游泳馆内的热量转移到地下，同时储备热量，以备冬季使用。

本工程地埋管换热器采用垂直地埋管。垂直地埋管换热器设置在建筑红线内景观停车场区域，垂直地埋管换热孔应至少采用直径150mm 的钻孔，内部设置De32的双U 型PE100 全新黑色管下孔。室外分集水器通过水平集管连接至地源热泵机房，水平集管采用De160 PE管，水平埋设在土壤中，埋设标高在-1.8m。根据地埋管热交换设计，共需换热孔680 个，深度80m。

水平连管和分集水器需安装阀门、压力表、温度计等，可以检测每路水平连管所连接的垂直埋管的温度和压力。

地埋管换热器系统应采用聚乙烯地源热泵专用管（PE 管）制作。因为聚乙烯（PE）管具有良好的导热性能、较大的拉伸强度、承压能力高、耐环境应力开裂性能优良、耐腐蚀性强等优点，其使用寿命最高可达50 年。

4 地源热泵系统的优势

4.1 高效节能，运行费用低

根据游泳馆热泵机组（游泳池水与生活用水的加热）的配置，我们将其与燃气锅炉在满足同样温度要求的条件下，作一个比较。按每年设备运行1920h，制热负荷为2200kW 计算，取使用系数为0.7，燃气锅炉供热需天然气0.15m3/kW 计，地源热泵机组能效比COP 值为4，天然气费为2.5 元/m3，电费0.8 元/（kW.h），则地源热泵机组比燃气锅炉每年可节省51.74 万元。相关计算如下：

游泳池水与生活用水的加热系统运行费用

4.2 绿色环保，改善环境

由于地源热泵机组采用电能驱动，无需锅炉、冷却塔、烟气排放系统，节省了高成本的自来水；避免了向大气排放烟尘和有害气体，降低了碳排放。其制冷、制热过程仅仅是一个热量搬运过程，是利用可再生能源和维护生态平衡的有效途径。