1、項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目是某集團(tuán)總部辦公樓，位于江西省南昌市， 處于夏熱冬冷氣候區(qū)。項(xiàng)目總建筑面積7971m2 ，其中地 上建筑面積6868m2 ，地下建筑面積1103m2 。為了節(jié)能和 降低外部環(huán)境對(duì)建筑室內(nèi)環(huán)境的影響，保證居住空間室 內(nèi)空氣質(zhì)量，項(xiàng)目設(shè)計(jì)引入德國(guó)被動(dòng)房設(shè)計(jì)理念，優(yōu)化 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)密閉性體系，增加房間密閉性，隔絕室外污 濁空氣通過(guò)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲透到室內(nèi)來(lái)。

為解決室內(nèi)新風(fēng) 需求，采用了置換式全新風(fēng)系統(tǒng)，24小時(shí)為室內(nèi)人員舒 適健康提供保障。并且設(shè)計(jì)以被動(dòng)優(yōu)先、主動(dòng)優(yōu)化為原則，被動(dòng)設(shè)計(jì)從外圍護(hù)結(jié)構(gòu)入手，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行了整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，以投資回收期為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化了維護(hù)圍護(hù)結(jié) 構(gòu)、體形系數(shù)、外窗形式、窗地面積比等建筑本體各方面設(shè)計(jì)參數(shù)。主動(dòng)優(yōu)化方面以地源熱泵系統(tǒng)作為辦公樓 制冷供熱能源，建筑室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)由天棚毛細(xì)管系統(tǒng)+ 置換式新風(fēng)組成，實(shí)現(xiàn)恒溫恒濕恒氧的高舒適室內(nèi)辦公 環(huán)境，并建立遠(yuǎn)程能源管理平臺(tái)，對(duì)項(xiàng)目后期運(yùn)行實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè)控制，使空調(diào)系統(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。

2、巖土綜合熱物性測(cè)試

在地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用中，最重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是地埋 管換熱器的設(shè)計(jì)，它是熱泵系統(tǒng)的冷熱源的來(lái)源?？茖W(xué) 設(shè)計(jì)計(jì)算地埋管換熱器的依據(jù)是地下巖土的熱物性參數(shù)。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及地下水的影響，通過(guò)理論 計(jì)算巖土熱物性比較困難，通常是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試獲 得巖土熱物性，以供地埋管設(shè)計(jì)計(jì)算。

本項(xiàng)目的巖土熱響應(yīng)測(cè)試方法采用恒熱流測(cè)試方法，《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》GB50366-2005（2009年版）附錄C.3中要求采用向巖土施加一定熱功 率的方式進(jìn)行熱響應(yīng)試驗(yàn)），即對(duì)巖土施加一定熱量的 方式，記錄地埋管換熱介質(zhì)進(jìn)出口溫度及流量等數(shù)據(jù)， 再利用反算法推導(dǎo)出巖土熱物性參數(shù)。

本項(xiàng)目鉆探兩個(gè)測(cè)試孔兩口實(shí)施測(cè)試，均采用雙U 型埋管。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算得出，本項(xiàng)目巖土 綜合導(dǎo)熱系數(shù)為2.59W/m.℃。

3、地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目采用了地源熱泵+毛細(xì)管天棚輻射采暖制冷系統(tǒng)，空調(diào)計(jì)算冷負(fù)荷391kW，熱負(fù)荷183kW。項(xiàng)目為 集團(tuán)總部辦公樓，要求系統(tǒng)運(yùn)行可靠性高，主機(jī)采用2 臺(tái)制冷量334kW，制熱量349kW的熱泵機(jī)組，可基本實(shí) 現(xiàn)1用1備工況。

3.1 地埋管設(shè)計(jì)

地埋管采用雙U25型PE管，鉆孔直徑150mm，鉆孔 深度75m，每孔敷設(shè)4根PE管豎直埋管。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算 需要92個(gè)豎井鉆孔，鉆孔間距5mx5m，考慮到安全性增 加9個(gè)鉆孔孔施工，共計(jì)施工101個(gè)地埋管。由于項(xiàng)目所 在地地下水水位很淺只有5m，本工程的地埋管又是在車 庫(kù)底板下方,低于地下水水位，地埋管全部被水浸泡。 因此鉆孔回填材料采用了透水性的粗砂，可充分利用水的對(duì)流增強(qiáng)換熱效果。

地埋管水平引出管有兩種方式：a）干管連接約20 組地埋管引出至集分水器;b）每組地埋管獨(dú)立引出至集 分水器。

考慮到基礎(chǔ)施工時(shí)地表不平整，施工場(chǎng)地遍布泥 水，在垂直地埋管施工完成后還有多道土建工序才可以 連接水平管。在這期間極易造成管內(nèi)泄漏泥沙淤積泥沙 或漏水形成集氣。設(shè)計(jì)采用獨(dú)立引出方式可以對(duì)每路地埋管進(jìn)行排氣和疏通，而干管引出方式則無(wú)法實(shí)現(xiàn)。由 圖3中熱成像圖片可以看出，在竣工調(diào)試前約有50%的 環(huán)路處于阻塞狀態(tài)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，阻塞是由氣阻和泥沙造 成，由于阻塞管路阻力相對(duì)大，即使加大系統(tǒng)流量和壓 力也會(huì)經(jīng)暢通的環(huán)路旁通，無(wú)法沖開(kāi)阻塞環(huán)路。采用關(guān) 閉剩余環(huán)路只留一路的方式，在分水器使用高壓水泵補(bǔ) 水、集水器排空，可以將阻塞的環(huán)路打通。在疏通調(diào)試過(guò)程中會(huì)觀察到氣塞和泥水不斷從排放口涌出，直至放 出清水為止。因此推測(cè)采用集中干管引出的方式會(huì)有 30～50%的地埋管無(wú)法正常工作，造成熱泵埋管系統(tǒng)整 體效率低下。

由于本項(xiàng)目夏季制冷負(fù)荷大、時(shí)間長(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于冬 季采暖，土壤計(jì)算熱平衡很難做達(dá)到全年土壤熱平衡。 但項(xiàng)目所在地地下水豐富，地下水滲流對(duì)地埋管傳熱有 正面的影響，具備可促進(jìn)熱量遷移效果，存在能夠自動(dòng) 消化積存熱量達(dá)到緩解熱不平衡問(wèn)題的可能性。由于地 下水滲流模型復(fù)雜，熱遷移效果無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算，為安全 起見(jiàn)系統(tǒng)預(yù)留了冷卻塔輔助接口，同時(shí)對(duì)土壤溫度、地 埋管供回水溫度進(jìn)行全年實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以積累熱遷移驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

3.2 毛細(xì)管天棚輻射采暖制冷系統(tǒng)

毛細(xì)管天棚輻射采暖制冷系統(tǒng)是完全不同于傳統(tǒng)空 調(diào)的對(duì)流熱傳遞方式。輻射采暖制冷，是指它通過(guò)降低 （提升）天棚表面的溫度，形成冷（熱）輻射面，依靠 輻射面與人體、家具及圍護(hù)結(jié)構(gòu)其余表面的輻射熱交換 進(jìn)行供熱（冷）的技術(shù)方法。在輻射采暖制冷系統(tǒng)中， 熱量以直線輻射的形式由高溫表面?zhèn)鬟f到冷表面上，實(shí) 現(xiàn)輻射面與人體、家具及圍護(hù)結(jié)構(gòu)等表面的輻射熱交 換。天棚輻射一般以水作為熱（冷）媒傳遞能量，其比 熱大、占空間小、效率高。輻射冷卻系統(tǒng)工作在“干工 況”，即表面溫度控制在室內(nèi)露點(diǎn)溫度以上。這樣，室 內(nèi)的熱環(huán)境控制和濕環(huán)境、空氣品質(zhì)的控制被分開(kāi)，輻 射采暖制冷系統(tǒng)負(fù)責(zé)承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷，承擔(dān)將室內(nèi)溫 度維持在舒適范圍內(nèi)的任務(wù)。通風(fēng)系統(tǒng)則負(fù)責(zé)承擔(dān)人員 所需新鮮空氣的輸送、室內(nèi)濕環(huán)境調(diào)節(jié)、以及污染物 的稀釋和排放以及室內(nèi)濕環(huán)境調(diào)節(jié)等任務(wù)。這種獨(dú)立 控制策略，使得空調(diào)系統(tǒng)對(duì)熱、濕、新風(fēng)的處理過(guò)程 分別實(shí)現(xiàn)，對(duì)建筑物室內(nèi)環(huán)境控制的節(jié)能控制具有重 要意義。

3.3 免費(fèi)制冷模式 

由于天棚輻射制冷的需要溫度較高，尤其是經(jīng)過(guò)冬 季供熱，在春末夏初時(shí)節(jié)，地源側(cè)出水溫度在16-17℃ 左右，為免費(fèi)制冷提供了基礎(chǔ)，如圖6中粗線示意的流 程。地源供回水溫度為17/19℃，通過(guò)免費(fèi)冷循環(huán)泵進(jìn) 入板換一次側(cè)與天棚側(cè)供回水換熱，天棚毛細(xì)管水溫為 19/22℃，完全滿足南昌4月底和5月初的室內(nèi)輻射制冷 需求[3]。如果是傳統(tǒng)空調(diào)末端則無(wú)法利用這種“高溫”冷源，只能開(kāi)啟冷機(jī)運(yùn)行壓縮機(jī)供冷。所以地源熱泵與 毛細(xì)管天棚輻射系統(tǒng)的結(jié)合可以減少主機(jī)開(kāi)啟時(shí)間，進(jìn)一步節(jié)省能源消耗。在此工況下，系統(tǒng)COP可以達(dá)到 8.3。

4、能耗計(jì)算分析與監(jiān)測(cè)

4.1 全年系統(tǒng)能耗分析

夏季制冷季為5～10月，最高峰值為6.9萬(wàn)kWh/月，出現(xiàn)在8月高溫高濕的“桑拿”天氣；冬季制冷季為1月和12月（考慮到營(yíng)銷舒適，顧客 接待廳和員工高舒適，2、3和11月也進(jìn)行了供熱），最 高峰值為4萬(wàn)kWh/月，出現(xiàn)在1月的“三九”天。辦公樓全年有24小時(shí)新風(fēng)供應(yīng)，因此有固定的0.7萬(wàn)kWh/月新風(fēng)機(jī)組能耗。

熱泵系統(tǒng)在空調(diào)系統(tǒng)中耗能占比73%，比傳統(tǒng)空調(diào) 系統(tǒng)占比大是因?yàn)槟┒瞬捎昧颂炫镙椛湎到y(tǒng)更節(jié)能，沒(méi) 有空調(diào)機(jī)組和風(fēng)機(jī)盤管的耗電。夏季末端系統(tǒng)在空調(diào)系 統(tǒng)中能耗占比20%，冬季末端系統(tǒng)在空調(diào)系統(tǒng)中能耗占比32%，表明空調(diào)負(fù)荷越大毛細(xì)管輻射系統(tǒng)越節(jié)能。

4.2 熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能效分析

熱泵機(jī)組全年平均COP=8，屬于較高的運(yùn)行工況。分析原因在于機(jī)組大部分時(shí)間處于非標(biāo)準(zhǔn) 工況運(yùn)行，效率較高。尤其是冬季天棚輻射供熱溫度僅需26～28℃，系統(tǒng)運(yùn)行溫度為35/30℃或更低，大大提高了COP甚至接近了10。夏季在非高峰季節(jié)制冷供水也 高溫運(yùn)行，提高了機(jī)組制冷COP。

熱泵系統(tǒng)COP=3.8，比預(yù)期要低還存在提高的空 間。這是因?yàn)橄到y(tǒng)第一年運(yùn)行，各循環(huán)泵變頻工況未調(diào) 試完成，末端溫差在部分工況時(shí)有時(shí)只有2～3℃，在 3、10、11、12月比較明顯，待系統(tǒng)變頻工況調(diào)試完 成預(yù)計(jì)可達(dá)到4.5左右。4月底為免費(fèi)制冷模式，所以 系統(tǒng)COP較高，而機(jī)組沒(méi)有運(yùn)行所以沒(méi)有COP數(shù)據(jù)。

4.3 室內(nèi)環(huán)境與節(jié)能分析

辦公樓按照甲級(jí)寫字樓溫濕度環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行，以 滿足員工正裝工作的舒適要求。辦公樓夏季運(yùn)行室內(nèi)溫 度在23～24℃，相對(duì)濕度65%左右，天棚輻射制冷溫度 22.5℃。新風(fēng)機(jī)組將室外空氣處理到15℃，通過(guò)風(fēng)管送到 各個(gè)房間，在送風(fēng)口到達(dá)18℃左右以地板送風(fēng)的方式送 入辦公室。由于送風(fēng)溫度低于室內(nèi)空氣溫度，在地面附 近形成“新風(fēng)湖”，實(shí)現(xiàn)了置換式低溫度約 7℃，基本保持在10℃；夏季最高溫度為40℃，基本在 35℃，與設(shè)計(jì)值基本一致。在4月中～5月初的地源出水 溫度在17℃，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的“免費(fèi)制冷”工況，至 5月中旬熱泵開(kāi)啟制冷模式后迅速上升到24℃。土壤溫 度最低16.5℃，出現(xiàn)在4月15日；最高溫度23.5℃，出 現(xiàn)在10月20日。與地源出水溫度峰值相比平緩許多，并有3月時(shí)間的滯后。土壤溫度與年初比 較有2.5℃的升高，表明放熱量大于取熱量，未達(dá)到熱平衡狀態(tài)。由于系統(tǒng)是 第一年運(yùn)行未達(dá)到最佳狀態(tài)，制冷能耗 還能降低，有可能實(shí)現(xiàn)熱平衡。如果土 壤溫度繼續(xù)升高則需要啟動(dòng)冷卻塔進(jìn)行平衡。

6、結(jié)語(yǔ)

由于采供暖溫度低、制冷溫度高，毛細(xì)管輻射采暖 制冷系統(tǒng)與地源熱泵結(jié)合與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比更節(jié)能。 在春夏過(guò)渡季，可利用土壤冬季蓄冷通過(guò)天棚系統(tǒng)“免 費(fèi)制冷”，系統(tǒng)ＣＯＰ＝8.3，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)。 系統(tǒng)ＣＯＰ與循環(huán)水泵運(yùn)行狀態(tài)高度關(guān)聯(lián)，提高水泵輸 送系數(shù)可進(jìn)一步提高熱泵系統(tǒng)節(jié)能效率。地源熱泵系統(tǒng) 運(yùn)行時(shí)，土壤溫度變化有時(shí)滯，滯后于建筑負(fù)荷變化3 個(gè)月時(shí)間左右。毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)由于末端無(wú)風(fēng)機(jī) 沒(méi)有電機(jī)耗能，能耗低而且舒適度高。