上海世博轴江水源与地源热泵联合系统设计（转载）

现代设计集团华东建筑设计研究院有限公司 叶大法 吴玲红 梁韬

　　世博轴位于黄浦江边，南北长约1000m，东西宽80~110m，地下地上各二层，建筑膜顶高度约22m，基地面积约130000m2，总建筑面积约248000m2，是世博会的入园主要通道，集交通集散、商业旅游等功能。其空调冷热源采用了地源热泵系统加江水源热泵系统。

　　热泵是输入电能使压缩机做功，实现热量从低温环境向高温环境转移的机组，是一门成熟的先进技术，在国内外均已得到了广泛的应用与普遍认可，在我国的《2000-2015年新能源和可再生能源产业发展规划要点》、《中华人民共和国节约能源法》、《可再生能源法》等多部法规中都明确提出要推广使用热泵技术。

　　本文将对江水源热泵和地源热泵系统在本工程中的选择设计进行介绍和分析。

　　1.空调冷热源系统选择

　　本工程毗邻江边，是一超大型的公共主体建筑，景观与节能生态要求很高。经分析论证，空调冷热源采用了地源热泵系统加江水源热泵系统，即利用江水和土壤作为热泵系统的热源或热汇。由于江水和地埋管水温度夏季时均低于冷却塔出水温度，热泵机组的制冷效率可大大提高，并省去了冷却塔补充水；冬季时用热泵供热，能源效率也比传统的锅炉供热有很大提高，充分体现了节能、环保、缓解热岛效应的总体设想，并且不存在冷却塔产生漂水、噪声等问题，同时顺应建筑景观要求。

　　2.地源热泵系统

　　2.1系统原理

　　地源热泵系统是利用热泵机组在土壤中提取或蓄存热量，制取冷热水为空调服务的系统，又称土壤源热泵。其原理图如图1所示。

　　地表浅层土壤温度呈三层分布，地表冻土层附近土壤温度受室外大气影响，温度全年波动大；冻土层以下有一恒温层，温度全年基本不变；恒温层下到地壳深处有一定的正温度梯度，土壤温度随深度缓慢上升。

　　上海地区冻土层较浅，5米以上土壤温度受室外气象影响而波动；5m以下到35米处土壤温度基本恒定，接近全年平均气温（15.7℃）；35m以下土壤温度以5℃/100米的温度梯度上升，地下100米土壤温度约为19℃。

　　2.2埋管换热器

　　地下埋管可分为水平埋管与垂直埋管两大类。水平埋管方式适用于软土地区，其优点是造价较低，但传热工况会受到外界气候的影响，且占地面积大，通常不太适合人均占地面积较少的国情。垂直埋管是在若干垂直钻孔中设置地下埋管。由于垂直埋管具有占地少、工作性能稳定等优点，因此已成为工程中的主导形式。

　　垂直埋管中较为多见的是钻孔埋管，根据埋管换热器在钻孔中不同的布置形式，可分为单U、双U、螺旋型等。由于钻孔埋管的深度一般较深，故应注意与地下空间开发规划的矛盾。灌注桩埋管是结合建筑的结构桩基，将埋管换热器放置于灌注桩内的一种埋管形式，技术先进、投资相对较省，但施工配合工艺较复杂，同样根据埋管换热器在钻孔中不同的布置形式，可分为单U、双U、3U、螺旋型等。

　　根据本工程基地面积大及结构桩位布置的特点，埋管方式采用灌注桩埋管。

　　根据在工程基地进行的热特性测试结果，本工程埋管换热器型式选用双U串联型（W型），以获得较优的换热性能，并达到地源侧水系统的设计温差5℃要求，减小水泵流量，节约能耗。

　　2.3土壤热平衡分析及计算换热量选取

　　埋管区域土壤好比一个巨大的蓄能体，地源热泵系统在夏季时将热量排放其中，在冬季时从中取出热量，热量的转移将引起土壤温度的变化，从而影响土壤换热器的换热量。现场的热响应试验只是短时间内的运行测定，测得的换热性能将差别于实际长期运行时的值。因此，有必要对整个埋管区域的长时间运行进行计算机数值模拟研究，根据埋管区域的土壤热物性及地下水的流速、流向等参数，得出地下土壤温度随时间变化的关系、土壤热积聚情况和土壤达到热稳定状态所需时间等，然后由分析结果计算出供冷季和供热季地源热泵系统的供冷、供热能力。这样，对地源热泵可供利用的总能量有了一个清晰的认识，才能合理地选取埋管换热器的冬夏季计算换热量，同时为确定本工程的另一个冷热源系统——江水源热泵系统的规模提供了可靠的依据。

　　计算机数值模拟范围取10组×10组典型灌注桩埋管（约800个），系统供冷运行期为5~9月，供热运行期为12~2月，每天运行时间9:00~21:00。由于上海地区夏季空调冷负荷远大于冬季热负荷，但考虑到本项目另有江水源热泵系统同时运行，并可进行负荷调节，故以夏冬季系统向土壤排热量与取热量不平衡率为10%和3%分别进行模拟分析。

　　表1为同济大学空调研究所为本工程进行计算机数值模拟的一些数据。可以看出，季节负荷不平衡率越大（夏季排热量大于冬季取热量），土壤温升越大，有利于冬季运行，不利于夏季运行。若冬夏季负荷较平衡，有利于系统长期稳定运行。

　　2.4地温场监测系统

　　如上所述，确保土壤温度变化在正常范围内，使土壤换热器在使用年限内始终高效、安全运行是地源热泵系统设计的关键之一。因此，本工程埋设了热电阻对埋管区域土壤温度进行实时监测，根据土壤温度变化，可以及时调整地源热泵系统和江水源热泵系统的运行负荷，制定合理的运行策略，确保土壤温度的合理变化。同时也可以此验证模拟结果，为地源热泵系统的设计和运行管理积累一定的技术资料和经验数据。

　　3.江水源热泵系统

　　3.1系统原理

　　水源热泵系统是向地表水或地下水等自然水体中排放或从它们中提取热量用于空调供冷或供热系统，夏季时它将建筑物中的热量转移到水源中，由于水源温度比用冷却塔所得的冷却水温度低，所以效率较高；冬季时它从水源中提取热量，效率也比风冷热泵机组高。

　　本工程的江水夏季最高水温为28~30℃，比正常冷却塔出水低2~4℃；冬季时，江水温度约为6~8℃。

　　系统原理图与水侧有关参数见图1。

　　3.2水源侧水系统选择

　　3.2.1江水水质分析及系统选择

　　表2为本工程江水水质的主要参数，摘自本工程《水资源论证报告书》。

　　由于目前国内尚无相关江水源热泵系统的水质要求，参考同类工程，并咨询热泵机组生产厂家，确定了本工程要求的水质指标。

　　本工程采用的是大型电动热泵机组，机组换热器材质采用铜镍合金，对比表中数据，江水的水质参数能基本满足热泵机组的水质要求。从节能角度考虑，本工程的江水源热泵系统采用直接式系统。

　　3.2.2江水水质处理

　　经分析，取水口的水质在大部分时段内能满足系统要求，但悬浮物和浊度指标较难保证，因此，采取了以下措施：在进水管路上设除污格网井；在江水泵的出水管上设置自动反冲洗过滤器；在热泵机组和单冷型冷水机组的江水侧换热器上设置胶球清洁系统，对换热管进行定期清洗。另外，系统还设置全自动控制在线检测加药装置，在系统停运时，对机房内江水侧水路系统进行闭式循环处理，污水由下水道排出。

　　3.3取退水口

　　本工程取用江水总量为6000m3/h，其中预留了一定用于后续发展的江水量。夏季设计工况为：江水进水温度为30℃、退水温度为35℃，温升5℃。取水口位于退水口上游约200m处。

　　根据温排放模拟报告，系统的温排水对黄浦江温升影响很小。在取水口，表层平均温升在大潮、中潮和小潮期间分别为0.112、0.131和0.104℃，表层温升达到0.2℃的面积小于0.02k㎡。如上分析，在离退水口大于80m的位置处，江水温度受系统退水影响的上升值小于0.2℃。因此，本工程的取水口位于退水口上游200m处，可以认为取水口受退水口温排放影响微小。

　　4.地源热泵系统及江水源热泵系统联合冷热源系统

　　4.1机房设置

　　本工程共设3个地源热泵系统，沿南北方向均布3个地源热泵机房，以使地埋管换热器就近接至机房，每个机房内设3台热泵机组。

　　江水源热泵机房设在建筑物近江的最北端，以减小江水输送距离。根据冬夏季负荷情况及地源热泵所能提供的热量，合理配置热泵机组，供冷量不足部分由另配置的能效比更高的单冷型离心式冷水机组承担。

　　本工程地源热泵系统采用的是灌注桩埋管换热器，地源热泵系统的供冷供热能力取决于可供埋管的结构桩基数量。根据计算，在夏季供冷工况下，地源热泵系统所能提供的冷量约为夏季计算冷负荷的38%，其余62%的冷量则由江水源热泵系统承担。

　　4.2地源热泵系统及江水热泵系统联合运行

　　如上所述，上海地区冬季空调热负荷小于夏季空调冷负荷，单用地源热泵可能存在着土壤冬夏季热平衡问题。因此本工程冷热源系统采用江水源热泵系统和地源热泵系统相结合的方式，可在初夏早秋江水温度较低时和夏季部分负荷时多用江水源机组，冬季江水温度低时供热尽可能多用地源热泵，形成优势互补，不仅解决了地埋管在南方地区可能发生的土壤热积聚，又提高了冬季供热效率，从而更好地确保了系统的安全、稳定。系统运行策略是冬季按地源热泵供热能力优先使其运行。系统设计中还采用土壤侧传热量计量仪表，按全年土壤放热量确定全年吸热量，力求土壤冬夏季的热平衡。

　　同时，冬季江水温度在6~8℃，极端最低水温可能在6℃以下，江水源热泵机组最低出水温度需控制在3℃以上，机组效率会大大降低，供热受限制，而土壤温度全年波动较小且数值相对稳定，而此时地源热泵系统对江水源热泵又是很好的补充。

　　5.结语

　　地源热泵和江水源热泵在本项目中的应用，不仅使空调冷热源系统的设计和建筑景观得到了很好的融合，而且充分体现了绿色、节能、环保的理念，避免了冷却塔可能产生的漂水、卫生、噪声等问题，为减小城市热效应起到了一定的作用，同时也是打造节能建筑、绿色建筑不可缺少的组成部分。

　　但是，从工程造价角度分析，地源热泵的埋管工程和江水源热泵的取水工程方面都会增加投资。灌注桩埋管工程的施工须与结构桩基施工同时进行，取水工程有一定的水工施工工作量，也增加了施工组织的难度。另外，江水经升温或降温后再排入江中，对自然界生态究竟有无影响，还需经实践的检验。