地埋管与地表水地源热泵系统工程应用实践

胡国霞

华东建筑设计研究院有限公司

1 项目概况

项目位于上海市崇明陈家镇实验生态社区4 号公园内，设计之初作为整个生态公园的配套服务中心，负担生态社区的展示与公众活动，现为华东师范大学崇明生态研究院办公用房，项目实景图见1。总建筑面积5511.18 m2，用地面积55816.9 m2。于2015 年1月获得国家绿色建筑三星级设计评价标识，2015 年获得上海市绿色建筑贡献奖，2019 获得上海市优秀工程设计绿色建筑专业一等奖，2021 年获得住建部全国绿色建筑创新奖三等奖项。

图1 项目实景图

2 空调冷热源影响因素分析

2.1 全年动态负荷分析

建筑逐时负荷是空调系统冷热源确定的基础，模拟计算采用上海典型年气象数据，利用eQUEST 软件建模计算建筑的全年逐时冷热负荷，设置的参数包括外墙、屋面、外窗的几何参数和传热系数、冷风渗透换气次数、室内热源等。建筑全年逐时负荷如图2 所示。从图2 可以看出，峰值冷负荷为724 kW，峰值热负荷为430 kW，峰值冷热负荷比值为1.68，且建筑冷负荷主要集中5 月-10 月，热负荷主要集中在12 月-2 月。

图2 建筑逐时负荷

全年累计冷负荷为520.293 MWh，全年累计热负荷为226.025 MWh，累计冷热负荷比值为2.30，全年累计冷热负荷分布如图3 所示。

图3 全年累计冷热负荷分布图

2.2 周边资源分析

项目总基地面积为55816.9 m2，总建筑面积为5511.18 m2，地上二层。因而基地场地内有充足的面积可用来布置地埋管，且项目南侧有玉叶湖（人工开挖），该湖与现有水系连通，水质为4 级，湖底标高为-0.5 m，地面标高为4.0 m。全年深度可保持在3.5 m，湖水流速在0.3～0.5 m/s 之间。地表水温度较为稳定，特别是夏季比室外气温低，可以作为地埋管地源热泵夏季的辅助散热。

2.3 项目冷热源方案

对于冷负荷大于热负荷的建筑来说，为了系统稳定运行，需要辅以其他的散热装置配合使用。本项目累计冷热负荷比值为2.30，采用单一的地埋管地源热泵系统无法满足全年冷热平衡，需要辅助散热。考虑到项目周边有人工湖以及周边有可供埋管的场地条件，结合项目建筑负荷特点，本项目选用地埋管和地表水源热泵联合供能系统作为该建筑物空调冷热源。按照夏季最大冷负荷设计地源热泵换热系统，考虑到安全性和稳定性，按照5%的余量设计。地埋管换热器承担80%的冷负荷，湖水换热器承担20%的冷负荷。同时湖水源换热器承担的冷负荷较小，对湖水生态影响较小。

冬季热负荷由地埋管换热系统承担，夏季冷负荷由地埋管换热系统与湖水盘管换热器共同承担，湖水换热器起到土壤源热平衡的作用，同时热泵机组带冷凝热回收功能，供生活热水预热。

项目选用两台制冷量为344.4 kW（制热量为340.9 kW）的螺杆式热泵机组。夏季供给空调系统7/12 ℃冷水，冬季供给空调系统55/50 ℃热水。螺杆式热泵机组制冷工况下的效率为5.89，制热工况下的效率为4.56，机组带热回收功能，热回收量343 kW。

3 地源热泵换热侧设计

3.1 换热侧总体布置

结合建筑全年动态负荷以及周边场地条件和叶玉湖的位置，对地源热泵的换热系统进行深化设计。地埋管换热器循环水设计温度夏季为35/30 ℃，冬季为5/10 ℃。地埋管与地表水盘管换热器系统示意图如图4 所示。

图4 地埋管、湖水盘管换热器连接系统示意图

3.2 地埋管换热系统设计

根据地源热泵空调系统热响应试验报告，拟建场地9～100 m 深度范围内地层平均温度为18.88 ℃，岩土体的综合导热系数取1.687 W/(m2·K)，钻孔每延米换热量为54 W。本项目地埋管换热器采用并联单U 型埋管，从经济性考虑，按总冷负荷的80%设计埋管，并考虑到5%富余量，每口钻井有效深度为100 m，总钻井数量为150 口。地埋管换热器采用钻孔垂直埋管，钻孔分布在室外绿化带草坪下，钻孔直径为130 mm，孔间距为5～5.5 m，6 口井一组并联至埋管式二级集分水器。为了考虑后期运行管理方便，布置土壤温度检测井，以方便根据土壤温度变化调节运行。

3.3 湖水盘管系统设计

根据本系统湖水的具体情况，湖水盘管采用并联的同程管道系统的形式设计，散热负荷取25 W/m。每6 根并联为一组采用集管连接到分二级集水器。湖水盘管按承担20%的冷负荷结算，每个盘管长度50 m，每组12 个盘管，共计布置11 组，132 个换热盘管。单只盘管剖面与俯视图见图5。

图5 单只盘管剖面与俯视图

湖水盘管换热器单组盘管剖面如图6 所示。

图6 单组盘管剖面

综合考虑经济性和稳定性的要求，每组6 根盘管并联为一组。针对11 组换热器，换热共回水管在集水井出汇集，并采用一个管井由二次集水器回到一次集水器，从而减少了给每个回水管道开挖管井的费用。

4 全年土壤冷热平衡分析

4.1 分析方法

对地埋管换热系统土壤温度变化分析即地下土壤温度的分析，目前主要有两种方法。一种是采用数值模拟软件（例如FLUENT，ANSYS 等），此类软件可以模拟区域内各点土壤温度变化以及埋管内各点水温，缺点是模型建立复杂，计算周期长，不适合工程应用。另一种是采用空调系统仿真软件，计算周期短，模型建立简单，适合工程应用。本项目采用TRNSYS 软件模拟系统运行多年后的土壤温度变化。将全年动态负荷导入TRNSYS 软件，并输入参数包括土壤的比热容、导热系数、地埋管换热器内的水流速、埋管设计深度、埋管个数及埋管间距，对比不同工况下全年土壤温度变化。

4.2 不同工况对比

该项目采用地埋管与地表水复合式系统，热泵机组带有冷凝热回收功能，系统相对复杂，同时系统优化策略将会影响系统节能效果。为对该项目不同工况下的地源热泵系统运行效果，分别就表1 中4 种工况下的全年土壤温升、埋管出水温度、热泵机组效率进行分析进行综合考虑。

表1 系统运行工况分析

上述4 种工况下，系统运行10 年的土壤温升、地埋管出水温度以及地源热泵机组效率（COP）下降幅度如下表所示。从上表可以看出，工况2 和工况4 采用湖水源换热盘管辅助散热时，地埋管出水温升最小，而且地源热泵机组效率下降幅度最小。不同工况下，土壤温升、地埋管出水温度以及地源热泵机组效率（COP）下降幅度对比分析如表2 所示。

表2 4 种工况运行十年后结果汇总

采用湖水源换热盘管辅助散热时，地埋管出水温升较小，而且地源热泵机组效率下降幅度最小。详见图7 所示。

图7 不同工况对比

5 运行效果

设计基于项目周边资源条件，采用建筑本体被动节能设计（遮阳、通风、采光）、“雨水—河道—水景—绿化”四位一体，地埋管与地表水复合式地源热泵系统、太阳能光伏发电等基于场地周边资源特点的可再生能源最大化应用等集成技术措施。2019 年逐月能耗数据详见图8，年平均耗电量约为70 kWh/(m2·a)，相比上海市办公建筑88.2 kWh/(m·a)耗电量（数据来自：2019 年上海市国家机关办公建筑和大型公共建筑用能监测和分析报告）节能20%以上，年节约能耗约100.3 MWh，年节约30.09 吨标准煤。通过对用户调研，用户室内舒适度体验高，95%以上的用户对室内舒适度满意。

图8 2019 年逐月能耗数据

6 结语

1）前期系统精细化设计是地源热泵系统节能的重要支撑，地源热泵系统是节能环保的有效技术措施，但不能盲目采用，应结合地域、建筑物使用性质进行充分论证分析[1]。地源热泵作为浅层地热能在建筑中的应用关键技术，是降低建筑运行能耗有效途径。设计应结合项目周边资源条件、建筑使用功能及负荷特点，需借助相应的模拟计算分析软件，进行精细优设计，设计合理适用的地源热泵系统。

2）结合实际条件，本项目采用地埋管与地表水复合式地源热泵系统，采用地表水地源热泵作为夏季调峰补充措施，解决了地埋管地源热泵冷热平衡问题，避免设置冷却塔。

3）采用冷凝热回收并采用地表水（湖水）侧承担夏季20%的冷负荷，系统运行10 年后，土壤温度升高到22.4 ℃，升高了4.3 ℃。夏季地源侧出水温度升高了2.9 ℃，运行第10 年时，地源侧出水温度在30.1～32.3 ℃之间，热泵机组COP 只下降了9.2%。通过水源热泵系统分担夏季冷负荷与冷凝热回收热等热平衡措施，可以有效降低土壤温升，10 年内的土壤温度升幅控制在5 ℃以内，满足设计要求。

4）同时后期系统运行管理及调试是发挥地源热泵系统节能性的关键环节，项目设计之初功能往往与后期实际使用方的功能、用能模式不匹配。因此需要根据后期实际使用功能，进行进精准调试，使系统运行模式与使用功能相匹配，充分发挥地源热泵系统的节能优势。