地源热泵系统在中国国际建筑艺术实践展项目中的应用

项目概况

中国国际建筑艺术实践展项目(佛手湖项目)位于南京老山风景区内，紧邻珍珠泉旅游度假区，面临佛手湖千亩碧波，背靠老山连绵山峦，是南京市的景秀地段。该项目占地328多亩，建筑物分布于佛手湖中部半岛，用地大致呈东南－西北走向。项目共24栋建筑，含四栋公共建筑（A、B、C、D栋展览中心、接待中心、会议中心、休闲中心）及20栋小别墅（1#~20#）。别墅依山形而建，错落有致，总计建筑面积41,300m2。

该项目云集来自13个国家24名国际著名建筑师的设计作品，作为永久性的国际建筑展园区，每栋建筑由不同的设计师设计。项目以实践的方式探索环保节能住宅设计建造的有效途径，使用并积极推广环保节能建筑材料，借鉴国际先进理念和技术，为中国绿色环保建筑的发展提供经验和示范。这种强大的建筑参展阵容在国内尚属首次，在亚洲范围内也是罕有。该项目建成后将成为世界建筑文化展示的焦点和交流基地,受到了国际和国内建筑界的广泛关注。

项目特点

本项目各幢建筑依山形而建，每栋建筑的高程相差较大，分布范围广。如果全部采用集中式系统，别墅区的综合管线将增加，且冷热能源在输送过程中会有很大程度的衰减；该地区没有热力管线或燃气管网。在考虑能源形式方面，常规的能源形式，不但增加用地面积，而且破坏景观格局。综合考虑各种因素,为了满足业主对别墅类建筑高品质、高档次定位要求，中央空调采用节能环保的地源热泵系统提供空调、地板采暖、余热回收生活热水。但项目地处山岭，底层条件复杂，地表浅层主要以岩石为主，对于地源热泵系统的规划设计、施工建设来说也是一大挑战。该项目引进地源热泵技术，将低品位的低位能转化为可为人类直接利用的高品位能源。系统的配置与设计应达到性能与价格的优化目标，确保本工程成为技术先进、可靠实用、经济合理的项目。

系统介绍

地源热泵是一种先进、高效节能、无污染、可再生、可持续发展的能源利用形式。同时解决制冷、采暖、生活热水三位一体的新型空调系统。它利用浅层地表一年四季温度相对稳定的特性，通过热泵机组——这一能量提升机，完成土壤与建筑物内部热交换。冬季环境温度低于地下岩土体温度，它从地下土壤中吸热，代替锅炉向建筑物供暖；夏季环境温度高于地下岩土体温度，它可以向地下土壤中排热，代替风冷换热器或冷却塔向大气散热。机组无论制冷或制热的过程中，通过在制冷系统压缩机排气端加入热回收套管，实现余热回收功能，全年完全免费制取生活热水。地表5m以下土壤的温度已经相当稳定，基本不会随着季节变化，并且略等于该地区的年空气平均温度。我国冬冷夏热地区土壤平均温度在15～20℃左右，通常夏季冷凝器的出水温度在35～40℃之间，与土壤换热温差可达到20～25℃，有利于提高制冷系数。

地源热泵系统的能量来源于地下能源。它不向外界排放任何废气、废水、废渣、是一种理想的“绿色空调”。被认为是目前可使用的对环境最友好和最有效的供热、供冷系统。该系统无论严寒地区或热带地区均可应用。可广泛应用在办公楼、宾馆、学校、宿舍、医院、饭店、商场、别墅、住宅等领域。

空调系统方案

别墅性质住宅对空调、采暖、生活热水均有较高的要求。根据建筑的类型属性以及业主要求，本项目空调系统设计了水水式地源热泵+生活热水+新风系统集于一体的高档中央空调配置系统,部分单体还采用了变风量(VAV)末端,另外地板采暖在部分单体中也有体现。

生活热水设计

地源热泵机组在夏季制冷时，一般通过土壤换热器向地表散热。本系统杂配置上，夏季可以实现由空调系统配置的热泵机组制冷的同时，提供生活热水系统的热量，热泵机组此时部分向地下土壤排热，另一部分热量用来加热生活热水，实现完全免费制取生活卫生热水。机组在这样一种工况下，虽然损失了热泵机组的供冷效率，但是获得了更为丰厚的生活热水，综合能效比还是大大提高了。

由于余热回收的这部分热量占设备制热容量的15％左右。通常辅以的蓄热水箱(带电加热辅助调峰)，在热泵机组提供给生活热水系统的热量不足够的情况下，可启动电热热调峰。另外，蓄热水箱容积设计时，考虑高峰时段的用水量，蓄存水量可满足全天随时按需供水，系统运行费用进一步降低。

岩石的换热

建筑物全年动态负荷、岩土体温度的变化、地埋管及传热介质特性等因素都会影响地埋管换热器的换热效果。因此，考虑地埋管换热器设计计算的特殊性及复杂性，甲方前期通过勘探孔测试、实验分析来测定岩土体的综合换热能力，在项目规划施工现场进行了土壤热特性测试，从而作为中央空调系统合理设计的依据。

试验的对象是两口不同管型（De32单U/D e25双U）的测试井，井深均为80m，实验中根据排热、取热两种不同运行模式，选择了不同工况进行试验研究。最后得出了地下垂直地埋管的传热性能参数：

在排热模式下，1#井具有的换热能力为60～70W/m井深，2＃井的换热能力为70～80W/m井深，具体的数值与测试工况（供水温度、流量、温差等因素）有关；

在取热模式下，1#井具有的换热能力为40～50W/m井深，2＃井的换热能力为55～72W/m井深，具体的数值同样与不同工况下供水温度、流量、温差等因素有关。

项目实施要素

钻孔、下管

空气潜孔锤钻孔

由于该项目所在地位于山岭丘陵地带，部分地块基岩已经表露。采用常规的钻孔方式，钻机设备无法按工期完成，因此确定采用气动潜孔锤冲击钻进的方法，钻孔速度约为每周10口井。针对基岩为主的山区底层，底层含水率低，设计采用了细沙回填，一方面能保证回填料能较密实的填充孔洞，防止形成空气腔，另一方面充分保障闭式竖直地埋管环路中流体与周围岩土体的导热。

地埋管材料技术参数

地源热泵系统充分利用可以循环使用的地热，成为现代建筑节能的重要技术之一，该技术的关键之一就是深埋地下的热交换管路系统。该换热器采用高密度聚乙烯HDPE100，承压能力1.6MPa。PE管路系统采用压力管道专用的混配料作为原材料，碳黑分散均匀，没有质量隐患。该管材可根据用户需要在车间内完成预组装，尽量减少施工现场的安装工作，最大限度减少现场施工对管路系统造成的损伤。U型接头的连接采用专用热熔机具，严格按照焊接规程来进行对接、承插式热熔焊接。

高密度聚乙烯HDPE100具有良好的耐磨性、抗塑性断裂、抗低温脆裂，耐化学腐蚀性好；内表面光滑，不结垢，水力特性好；导热系数小，表面凝露少，静液压强度高，具有优异的耐内压水平，柔韧性好，便于搬运和安装；可熔接，连接可靠快捷等优点。

土壤换热器系统是地源热泵系统的核心。而且它具有不可维修性，这就使得工程上必须要有周密严谨的工艺控制，来保证工程质量的万物一失。

水平埋管连接

在保证施工质量的情况下，室外地埋管换热系统使用寿命在50年左右。竖直地埋管通过与水平供回水干管连接，再接入集分水检查井或汇入机房。循环液体杂封闭的地下管路中流动，无水流体交叉，亦不会对地下环境造成污染。闭式地下热交换器示意图如下：

为确保各个竖直地埋管中流量分配均匀，实现有效、高效换热，同时增加室外换热器系统的安全性，需要设置合理数量的集分水检查井。A、B、C、D栋展览中心、接待中心、会议中心、休闲中心）规模较大，分别设计84、416、176、256口管径De25、双U、80m深的井，设置一、二级集分水井，最后由二级集分水器引一对总管接入机房设备；20栋小别墅（1#~20#）根据总排热负荷设计孔数为10～30个不等，只需设计一级集分水井，为避免单井接入机房各环路阻力不平衡的弊端，将3~9口井连接成一个环路后再接入集分水检查井。室外设计保证每个集分水检查区域的总地埋管环路数在3个以上，大大降低了系统的风险性。

管道敷设与回填

水平管道根据各幢建筑物施工进展情况，严格按照施工组织设计分段进行。在具体实施中解决好管道穿越重要道路时的敷设与回填。比如C#楼考虑到水平埋管穿越主干道，可能有重型机械的碾压，所以采用钢筋混凝土管套。套管内径比穿越管外径厚100mm，套管伸出路基1.5m。在套管制作过程中，确保清洁无毛刺，且管道穿过时加护套保护，以保证其表面完好。

管道敷设后，对管道系统加固、定位，进而及时进行回填。管道热熔连接部位等待管道水压试验合格后再进行回填。回填主要是垫实管底、压实两侧，然后回填至管顶50cm处。回填过程中，注意排尽沟内积水，取出回填土可能含有的碎石、砖块、垃圾物等杂物。

水平集管坡度设置与排气

按照规范，地埋管换热器水平干管坡度宜为0.002。在一般工程施工中，水平干管敷设时严格按照暖通设计施工规范保证平直度和坡度，保证排气畅通。水平干管与垂直U型管连接时要保证坡度并坡向U型立管。地源热泵系统工程中，常见的做法是一般在集、分水器的位置安装排气阀。

在水力系统方面，并联系统流速适当便于同程水力平衡和排气。本工程中采用并联系统，为防止管内细微颗粒沉积，在水系统中加装过滤装置。若管内出现细微颗粒沉积，利用管路反冲装置按水管路中原水流向方向的反方向冲洗，室外各并联环路的分别冲洗。本项目在C#施工中，机房所在位置的地理标高远小于室外地埋管侧源水最高水位的标高，这就意味着，在室外环路集管并联接入一级集分水井之前，在水环路的 最高点需设置排气阀。

工程意义

目前中国国际建筑艺术实践展项目地源热泵系统正处在施工阶段。地源热泵是利用可再生能源的系统，目前世界各地推行节能环保的概念，挖掘利用可再生能源，地源热泵在国外已发展半个多世纪，在国内在近年才真正推广并发展起来。

节约能源，是当今世界上各国家面临的共同课题。随着我国经济的快速发展，能源供需矛盾日益尖锐，同时，浪费严重、环境恶化、利用效率低等问题也日与愈突出。目前在我国的住宅设计中，环保节能概念仍然不够深入，远远不能满足发展资源节约、环保节能住宅健康方向的要求。地源热泵系统工程，依托“佛手湖国际建筑艺术实践展”的资源和影响，利用十几个国家参展建筑师的辐射，积极推广环保节能建筑理念，借鉴国际先进技术，为中国绿色环保建筑环境的发展提供经验和示范。同时，这一次地源热泵系统在特殊结构建筑中大规模的应用，也标志着地源热泵系统在别墅群结合体的应用已日趋成熟，规模化；而这一项伟大工程也推动南京实施空间发展战略的“一城三区”决策，正在从规划蓝图变为美好的现实。