上海“浦江智谷”办公楼地源热泵空调系统设计

能源是能量的源泉，是社会发展的动力。20世纪以来，由于世界经济的发展和不断追求更高水准的生活，能源消耗的增长速度远远超过了人口增长的速度。在我国建筑中提高能源利用效率，其潜力十分巨大。建筑节能是缓解我国能源紧缺矛盾、改善人民生活工作条件、减轻环境污染、促进经济持续发展的一项最直接、最廉价的根本措施，也是经济体制改革的一个必要的组成部分。建筑及其HVAC系统设计和运行过程中应该以舒适为目标，而不是单单考虑室内温度，以便在保证舒适的前提下提高设备动态性能及减少高峰负荷。这样做才能获得更高的能源使用效率。本文主要介绍地源热泵和楼板辐射供冷结合使用的技术。

工程概况

“浦江智谷”办公楼位于上海闵行区国家级开发区漕河泾开发区浦江科技园区内，投资建设为专用于智慧型产业办公和研发的商务园区，占地约1100亩，规划为东、中、西三部分。首期开发的303亩地块规划总建筑面积约24万平方米，由地块中部的6栋办公楼和东、西两部的8栋研发楼群组成。其中1号楼建筑面积12,000m2，由两栋椭圆型塔楼组成，一层裙房将其连接。两栋塔楼分别为五层和六层，内部空间无梁无柱。

“浦江智谷”1号楼建设为后工业园的混合社区，以“节能、健康、舒适”的理念作为建筑设计标准，以“生态反哺”的理念作为环境建设标准。室内空调系统采用地源热泵与顶棚辐射相结合，并且100％新风系统。该项目被建设部评为节能建筑和生态建筑。“浦江智谷”荣获德国联邦政府颁发的海外第一个建筑节能证书。

地源热泵系统的组成、工作原理与特点

地源热泵系统主要由地源热泵机组、土壤型换热器、膨胀水箱、循环水泵、室内风管、水管等组成。地源热泵机组有水—水和水—空气两种型式。地源热泵机组与空气源热泵不同的就是主机无需放在室外。地源热泵机组可吊装于卫生间吊顶内、储藏室、地下室或室内其他隐蔽处。土壤型换热器是一个由高密度塑料管组成的闭式环路。循环介质为水或加有防冻液的水溶液。系统夏季运行时，通过地下换热管中介质的循环流动，将地源热泵机组冷凝器放出的热量散发给土壤。冬季运行时埋在地下换热管中的介质从土壤中吸收热量并将它传递给地源热泵机组的蒸发器。由于在地表两米以下的土壤基本上不受大气环境温度的影响，而常年保持恒定温度，在冬季土壤温度高于大气环境温度。夏季又远低于夏季大气环境温度。因此地源热泵克服空气源热泵的技术障碍。空调效果不受大气环境温度影响，运行稳定可靠，并且效率大大提高，更重要的是不会对周围环境产生热与噪声等污染。是国家政策极其鼓励使用的一种空调形式。

地下埋管型换热器有以下几种埋管形式：立埋管系统，横埋管系统，螺旋埋管系统及水池浸埋管系统等。 上海地区采用地源热泵系统的可行性分析

上海地区属于“夏热冬冷”地区，近几年最热月平均气温已达30.2℃，最冷月平均气温为4.2℃。最冷月与最热月平均相对湿度分别为75％、83％。高于35℃的酷热天气长达半个月至一个月，日平均温度低于5℃的天数长达两个月以上。因此每年传给土壤的冷热量基本相同，能充分发挥土壤蓄能的作用，适合于地源热泵系统。

地源热泵的地下换热器所处的位置是在地壳中的浅层地表土壤中。土壤的类型、热特性、热传导性、密度、湿度等对地源热泵系统的性能影响较大。根据地质钻探可知上海地区浅层土是以粘土、亚粘土及粉砂为主的软土，属于第四世纪沉积层，且土壤潮湿，地下水位高，是埋管系统较适合的土壤类型。由于该办公楼前面有一片绿地，可提供该办公楼地源热泵系统布管的土壤面积。因此该项目用地源热泵空调系统是非常适合的。

结构辐射供冷的特点

辐射供冷的优点

舒适、健康

辐射供冷在夏季降低围护结构的表面温度，加强人体辐射散热份额，同时，辐射供冷没有吹冷风的感觉，提高了舒适性。辐射供冷没有较大的空气扰动，不会扬起灰尘，只需按室内需求提供新风即可，大大地提高了人体的舒适和健康性。

节能

辐射供冷系统可比常规空调系统节能30％左右。由于辐射供冷需要的冷媒温度比常规空调高，这样主机的效率就会提高，进一步提高了节能性。

转移峰值负荷

夏季空调负荷集中，对电网要求较高，经常出现电网过负荷运行的情况。辐射供冷利用了结构楼板可以蓄能的特点，夜间预冷建筑并蓄冷于楼板，峰值负荷时机械制冷辅以楼板释放冷量，低值负荷时楼板预冷蓄冷，满足空调夏季热平衡。这样可以利用夜间低谷电力制冷，起到了转移峰值耗电的作用，尤其是在实行峰谷电价的地区，可节省运行费用。

节省建筑空间

传统的空调方式，特别是全空气系统，风管截面积大，占用建筑空间大，有时还与建筑的梁或其它专业管线相碰，难于布置。辐射供冷可以说没有末端设备，不占用建筑空间，同时还可以减少建筑层高。

辐射供冷的缺点

（1） 由于管道中循环的是冷水，所以楼板板面温度比室内温度低，当表面温度低于空气露点温度时，会产生结露，影响室内卫生条件。

（2） 在潮湿地区，室外空气大量进入室内会增大结露的可能性，故要求门窗尽可能的密闭，不能采用自然通风的方式。

（3） 室内只有新风提供，风速较小，当温度达不到要求时，会增加室内闷热感。

（4） 室内温度调节能力差，只能控制在某一个温度范围内。

设计参数及负荷 室外设计参数（二级）

大气压力：冬季100.53KPa；夏季102.51KPa

室外干球温度：

冬季供暖：twn＝-2℃；冬季通风：twf＝3℃；

冬季空调：twk＝3℃；

夏季空调：twg＝34.0℃；夏季通风：twf＝32℃；

夏季室外计算湿球温度：tws＝28.2℃；

冬季室外计算相对湿度：ψ＝75%；

冬季最多风向及其平均风速：NW 3.1m/s；

夏季最多风向及其平均风速：SE 3.2m/s；

上海最大冻土深度：8cm。

室内空调方式采用欧洲成熟的“结构辐射供冷和供暖系统+置换新风”系统，这种采暖和制冷的系统构造是：房间的地板内都埋有水管，其直径为16mm～20mm，间距在150mm～300mm之间。水管中的水在寒冬保持26℃～28℃左右，在盛夏保持15℃～20℃，“结构辐射供冷和供暖系统”承担室内大部分显热负荷，“置换新风”承担室内全部潜热负荷和小部分显热负荷。结构辐射供冷与供暖系统首选预冷建筑楼板，峰值负荷是时象室内供冷或供暖，同时配合新风，确保室内环境处于舒适范围。 新风系统采用置换新风的形式，通过送入的新风可以成功有效替换污浊的空气，所有的房间新风都从房间下部送出，新风通过地板送风，并且以非常低的速度和约低室内温度的温度（18℃～20℃）充满整个房间。所谓低速就是不产生气流，新风从房间地部慢慢地充满整个房间。室内的人员、电脑等办公设备热负荷加热新风，产生上升气流，这种方式产生的暖气流带着新鲜空气供人呼吸，并且带走了室内的污浊空气，达到房间顶部，从排风口排出。排风在排入大气之前经过转轮式全热交换器与新风进行热交换，回收排出污浊空气的能量。

为了避免夏季楼板的结露，新风的送风温度控制在16℃，以保证能除去室内的湿气，并使其露点温度低于天花板的表面温度。

该项目的其他节能技术介绍

外遮阳系统

“浦江智谷”项目外遮阳系统采用了欧洲著名品牌的日光增强型产品。这种卷帘有良好的抗风压和免尘性，重量为3.5～4Kg/m2。表面材料为多层粉末聚脂烤漆铝合金，光滑而不易附着灰尘。这种卷帘的上部卷片可不关闭，通过外部阳光折射到室内屋顶，然后反射到室内空间，起到自然采光的作用，可取代人工照明，且该产品全部放下，叶片处于水平状态或者略有角度时，遮阳系数可达到0.2～0.25。因此可以达到很好的节能作用。

墙体保温系统

“浦江智谷”项目外墙均采用外保温技术，保温材料为6cm厚的高密度（EPS板），其导热系数不高于0.032w/m2•k，外墙的综合导热系数不大于0.4w/m2•k。

固定窗和开启窗的面积约占外墙面积的30％左右，固定窗和开启窗均采用6＋16A＋6的中空Low－e玻璃，其传热系数不大于1.5w/m2•k。采用墙体外墙保温不占用空间，提高了建筑得房率，保证室内环境的舒适不易被破坏。

地源热泵中央空调地下埋管式换热器系统设计

地下埋管式换热器是地源热泵系统设计的重点。根据上海地区的土壤特性、气候特点、地质结构等特点，结合该项目的具体情况和我们以往的实际工程经验，该项目采用竖埋的方式比较可行。具体设计步骤如下：

建筑物冷负荷及其换热量

该办公楼的冷冻负荷为435KW，采暖负荷为320KW。

冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。根据如下公式计算土壤性换热器的换热量

因为夏季向土壤中排放的热量大于冬季从土壤中吸取的热量。所以以夏季向土壤排放的热量进行计算。 竖井埋管管长

确定埋管区域的土壤特性见表1。该区域主要以粘土和粉质粘土为主，湿度以饱和为主，地下水位比较高。

管材的选取

一般来讲，一旦将换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。根据地源热泵施工规范要求选择了SDR11高聚乙烯PE管。额定承压能力为1.6MPa。

确定管径

在实际工程中确定管径必须满足两个要求：（1）管道要大到足够保持最小输送功率；（2）管道要小到足够使管道内保持紊流（流体的雷诺数Re达到3,000以上）以保证流体与管道内壁之间的传热。显然，上述两个要求相互矛盾，需要综合考虑。一般并联环路用小管径，集管用大管径，地下热交换器埋管常用管径有25mm、32mm、40mm、50mm，管内流速控制在1.22m/s以下,对更大管径的管道，管内流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段压力损失控制在4mH2O/100m当量长度以下。该项目竖埋管采用PE管为d32x3.0mm，横管为d50x4.6mm，进机房管道为d110x11.0mm 地源热泵系统的优越性

低维护--地源热泵系统的运动部件要比常规系统少，因而减少了维护，并且更加可靠。由于系统安装在室，不暴露在风雨中，也可免遭损坏，延长了寿命。

安全--地源热泵系统在运行中没有燃烧，因此不可能产生二氧化碳、一氧化碳之类的废气集结在家中或商业建筑内。也不存在丙烷气体，因而也不会有发生爆炸的危险。

运行费低--地源热泵系统的效率比燃烧矿物燃料、燃油、天然气和丙烷的设备都高。它只用一点电，运行费用较低。

舒适--由于地源热泵系统的供冷、供热更为平稳，降低了停、开机的频率和空气过热和过冷的峰值。这种系统更容易适应供冷、供热负荷的分区。

可靠--如果安装适当，系统将可使用25年以上。住宅地源热泵系统一般仅有一台电动风机、一台小型循环水泵、一台压缩机，如有需要可增设一台生活热水器的循环水泵。设备简单，运行可靠。

易于改建--建筑物中现有的供热、供冷风管通常可直接连接到地源热泵系统上。环路系统可安装在诸如房屋前、后园地中。

改善环境--比较典型的，是将地源热泵系统安装在车库或其他室内场所，使设备不暴露在恶劣的气候中，并使其运行安静，甚至使用户感觉不出设备正在运行。通常，是将地源热泵连接到传统的风管系统向各房间供冷或供热。地源热泵系统所需的制冷剂量要比普通的供热、供冷系统少。由于地源热泵机组安装在室内，在室外见不到风管、有噪声的空调机以及宠大的丙烷罐。