世博园内某办公大楼地源热泵三联供系统工程

工程概述

该指挥办公楼地处上海世博园内黄浦区半凇园路，楼高四层，大楼总建筑面积3136平方米，室内空调面积约为2384平方米。该建筑设计总冷负荷450KW，热负荷为330KW，同时使用系数0.7，热水日需求量约8T。要求对该办公室夏季供冷，冬季供热，全年供生活热水。

2007年6月至2008年5月，完成整个办公楼地源热泵中央空调工程施工，2008年10月正式投入使用，办公室空调及热水系统运行正常，得到了多方好评。

室内设计参数及依据

方案设计

在空调冷热源确定的过程中,提出了多个方案 ,经论证后选用地源热泵三联供节能系统。以下是对三个方案进行的技术、经济分析与比较。

方案一：常规螺杆式冷水机组加燃气热水锅炉系统。即选用2台单机制冷量163KW的螺杆式冷水机组作为空调冷源, 选用1台供热量280KW的燃气锅炉作为冬季空调热源 ,同时供应生活热水。

方案二：常规风冷热泵机组加热泵热水机组。即选用2台单机制冷量160KW风冷冷热水机组作为空调冷热源。选用一台制热量为42KW风冷热泵热水机组供应生活热水。

方案三：地源热泵三联供空调系统。即选用2台制冷量165kW，热回收量50.8KW的地源热泵热泵机组作为空调冷热源。在制冷及供暖季节，由热回收供应生活热水。选用一台制热量为42KW地源热泵热水机组在过渡季节供应生活热水及在空调负荷较低时作补充热源。地埋管换热器使用年限50年。

综上所述，方案三与方案一、方案二相比，方案三具有如下特点：

(1)热水成本低：以每年3000吨热水加热为例(约8吨/天)，采用地源热泵三联供系统的运行用，相当于燃气锅炉加热费用的33%，相当于空气源热泵热水机的25%;

(2)采暖、制冷运行费用低，地源热泵三联供系统年运行费用比常规冷水机组运行费用节约10万元，比空气源热泵热水机节约16万元;

(3)环保效果显著：地源热泵三联供系统夏季可以充分利用室内空气废热制取热水，利用土壤的低位热能制冷，冬季也利用土壤的低位热能制热水和采暖，节省大量能源，符合可持续发展的要求。

由此可知，采用三联供冷热水地源热泵机组的方案为最佳。

项目创新特点

地源热泵中央空调系统设计应用的难点，主要在于地埋管换热器传热模型的研究及强化传热的措施,以减小钻孔总深度，节省地下埋管费用。地下换热量与土壤特性与埋地换热器耦合作用的热特性而决定,随着负荷的变化，系统换热量也是动态变化的。因此，把凭经验所得的单位深度换热量直接用于工程设计的做法是不合理的。为进一步保证地源热泵系统安全、稳定运行，避免地埋管系统换热不足，在设计中我们采用三维换热模型进行计算。

地质结构

为了取得合理的设计参数，避免走入采用经验数据的误区，我们对工程地质进行了取样分析，以进一步确定地埋管换热器实际换热效果和保证系统的节能最大化。其综合地质情况如下表：

条件假设

由于 U 型竖直埋管地下换热器的几何形状和土壤传热的复杂多样性 ,建立能精确模拟所有实际情况的模型并求解 ,以现有计算条件来说几乎不可能 ,所以要做必要的简化,特做以下假设:

(1)忽略 U 型管周围土壤沿深度方向的传热 ,只考虑在水平方热传递;

(2)土壤均匀,而且在整个传热过程中土壤的热物性稳定;

(3)忽略 U 型管管壁与回填土、回填土与土壤之间的接触热阻;

(4)忽略地表温度波动对土壤温度的影响 ,认为土壤温度均匀一致;

(5)管内同一截面的流体温度和速度相同;

(6)不考虑 U 型管底部弯管的影响 。

控制方程

由于地埋管地下换热器流体为保证较好的换热效果，流体一般都处于湍流状态，因此采用三维模拟时，选用 双方程模型来求解管中水的流动和传热，并将能量方程与回填土和土壤中的传热过程耦合。

模拟实例

在每周五天工作，每天工作时间均为8小时的运行条件下，采用数值模拟方法计算土壤温度的升高与降低情况。数值模拟采用上述条件假设，流体运动与换热的数学模型包含质量、动量、 能量守恒以及湍流量的守恒，还采用了流体研究中应用最为广泛的标准双方程加标准壁面函数的方法。PE 管顶部及底部设置为绝热边界，土壤均温度17℃，模拟计算得知共需要换热井深6120米。

下图为基本单元地埋管布置图，初步设计72个钻孔，共6组。采用垂直钻孔方式，间距保证在4米以上，单孔有效深度85米。采用数值模拟方法，考察夏季5个月、过渡季节3个月，冬季4个月的双U型埋管的土壤温度场。

模拟结果及分析

由于系统在运行过程中总的排冷、散热量不同，会导致地温发生相应的年、季变化。当埋管系统的排冷总量大于散 热总量时，地源侧出口水温会逐年下降，反之则会逐年上升。下图为系统水温校核曲线，由图中可以看出，系统运行时地下为逐渐温升过程，20年后，地埋管系统出口水温升约为2.5℃，温升幅度在允许范围之内，系统生命周期内的运行效果良好;从图中可以看出，在供冷季土壤温度上升较快，在供暖期及过渡季节的恢复期，土壤温度出现下降。经过一个周期土壤温度略有升高。

实际运行成本

整个系统在2008年10月开始投入运行，截至到2009年4月，共运行采暖4个月，过渡季节供热水2个月。系统总体运行状况良好，具体情况如下：

备注：1、10月份为过渡季节，中央空调关闭，只提供生活热水;

2、1月末2月初为中国春节，设备停用10天。

系统运行期间，设备日最高耗电量为560KW，六个月总耗电量36000KW。与常规冷水机组加燃气锅炉系统相比，节约运行费用4.5万元;与常规风冷热泵机组加热泵热水机组系统相比，节约运行费用7万元。实际总运行费用与方案设计的运行费用基本相符，达到了预期节能目标。工程结果与模拟结果基本吻合 ,这也进一步证明了该方法在地源热泵系统设计中的准确性。

总结

1、采用地源热泵三联供热泵系统 ,比常规电制冷机组+燃气锅炉系统每年可节省40 %～50 %的运行费用,节约40%左右的一次能源 ,同时大大降低了城市大气污染。

2、地源热泵三联供热泵系统，在上海已取得了工程应用与科学研究的初步成功。在环境和地质许可的条件下，可以优先考虑使用该系统。

3、由于地埋管地源热泵系统对项目当地水文地质、使用条件等方面有鲜明的地域性要求,在设计时,有必要对地埋管换热情况进行分析比较,以论证系统实施的可行性并采取相应的优化措施。