天津某绿色建筑冷热源设计

摘要 该建筑主要功能为办公,拟达到国家三星级绿色建筑标准。为实现绿色节能目标，经技术经济比较选用土壤源热泵及水蓄冷作为全楼冷热源。由于地界线紧贴建筑红线，埋管区域设置于两层地下车库以下，采取桩间埋管的形式。蓄冷水池与消防水池合用。本文介绍了设计的特点、难点及解决措施。

关键词 三星级绿色建筑 土壤源热泵 桩间埋管 水蓄冷

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

1 工程概况

1.1 建筑概况

该建筑为办公建筑,地上9层，地下2层，建筑高度45.89米，地上建筑面积25300平米。该项目地块是一建设项目的子地块，与其相距约118米,拟建设另一酒店建筑，二者之间为公共绿地,地下空间相通为地下汽车库及设备用房，其中地下二层为人防区域。地下室范围紧贴用地红线。建筑内首层、二层大部分区域为开敞接待办公区，三层中心近650平米挑空至顶层，为咖啡休闲区，屋面覆盖光伏玻璃。三层及以上各层均围绕中庭设置小开间办公室。

1.2 绿色建筑评价标准介绍

绿色建筑是在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约能源（节能、节地、节水、节材）、保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑[1]。

2006年3月7日，我国颁布了《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2006，标准将评价对象分为住宅建筑和公共建筑两类。评价指标体系由节地与室外环境、节能与能源利用、节水与水资源利用、节材与材料资源利用、室内环境质量和运营管理六类指标组成。其中每类指标包括控制项、一般项及优选项。控制项为必须满足的项目，按照满足一般项及优选项的项目数，将绿色建筑划分为三个等级，三星级最高。

2010年7月，天津市《天津市绿色建筑评价技术细则》，根据一般项及优选项的满足程度采用评分制划分绿色建筑等级，最终得分为基本分与加分分值的加和。其中基本分=∑指标一般项得分×权值+优选项得分×0.20，加分项包括创新点、推广价值和综合效益三项，每项10分，且各等级有最低得分要求。

评价标准中对暖通空调专业的要求主要集中在节能与能源利用部分，且在技术细则中，节能与能源利用项的权重值为25%，为六项指标中最高。土壤源热泵系统的运用满足优选项中对可再生能源利用的规定。采用水蓄冷系统满足一般项中对蓄能技术的规定。该项目土壤源热泵系统的埋管方式具有一定创新点和推广价值。因此，选用土壤源热泵系统和水蓄冷的冷热源形式对该建筑评定为三星级绿色建筑，最大限度的实现节能环保起重要作用。

2 土壤源热泵系统设计

2.1 埋管形式的确定

目前地源换热器主要有水平和竖直两种埋管形式，其中开敞空地下竖直埋管的形式最为可靠，国内大部分工程也均采用这种形式。

本项目由于地下室范围紧贴用地红线，显然没有场地埋管的条件。采用底板下埋管有水平埋管和竖直埋管两种形式可供选择。用地红线内面积为15594.1平米，难以满足水平埋管对换热面积的需求，故考虑采用底板下竖直埋管的方式。通过与结构专业讨论，为尽量减少对桩的扰动，将每口换热井设置于四根桩围成的四边形中间部位。由于建筑主体下基桩密集，不利于打井，将打井区域设置于主体投影范围以外的地下室底板下，该区域面积为8314平米。将每6到8口井作为一组，用水平管道以同程的方式连接至集管室。由于地下二层为人防区，不容许任意穿管，而楼梯间属非人防区，故将集管室设置于楼梯间下部。埋管形式如下所示：

图1 埋管形式示意图

2.2全年冷热负荷平衡校验

为确保土壤源热泵系统在设计使用年限内正常运行，应进行全年冷热负荷的动态平衡校验。即夏季向地源侧的放热量是否与冬季从地源侧的取热量相当。如两者不平衡，应作以下处理：如放热大于吸热，则补充冷却塔（闭式）把多余的热散到室外空气中；如吸热大于放热，则补充锅炉等其他热源。设计温度下室内逐时冷负荷及逐时热负荷如下：

图2 逐时冷负荷及逐时热负荷

其中，冬夏季使用时间均为8：00至20：00。冬季其余时间考虑值班采暖。夏季最大冷负荷出现在16：00，为2288kW。冬季为稳态传热，最大热负荷为1869kW。

全年设计空调运行时间为5月15日到10月15日，去掉节假日运行天数约为110天；设计供暖运行时间为11月1日到3月31日，去掉节假日运行天数约为110天。各月冷负荷及热负荷如下：

表1 各月冷负荷

表2 各月热负荷

图3 全年逐月冷负荷及热负荷

将各月冷负荷及热负荷叠加，得出全年冷负荷为1.65x106Kwh ，全年热负荷为2.40 x106Kwh。

夏季向地源侧的总释热量包括机组的释热，水泵的释热及输送过程中的得热；冬季从地源侧的吸热量包括机组的吸热，输送过程的失热，折减水泵的放热量。即：

最大释热量=∑[冷负荷x(1+1/EER)]+ ∑输送过程得热量+∑水泵释放热量 （1）

最大吸热量=∑[热负荷x(1-1/COP)]+ ∑输送过程失热量-∑水泵释放热量 （2）

其中水泵释热量通过计算由于水温升形成的负荷附加率α(%)得出：

（3）

式中H--水泵扬程，m；η—水泵效率，取0.8；—回水温度，℃；—供水温度，℃。

a）机组释热量为：1.65x106(1+1/5.5)=1.95 x106Kwh。

b）输送过程得热量取机组释热量的1%，为19500Kwh。

c）水泵造成的负荷附加率为0.0184，水泵释热量为35880 Kwh。

将以上三项叠加，得出全年向地源侧总释热量为2.0 x106Kwh。

d）机组吸热量为：2.40x106 (1-1/4.6)=1.90 x106Kwh。

e）输送过程得热量取机组吸热热量的1%，为19000Kwh。

f）水泵造成的负荷附加率为0.0263，水泵释热量为34979 Kwh。

将以上三项叠加，得出全年由地源侧总吸热量为1.9 x106Kwh。

夏季释热量为冬季吸热量的1.05倍，可视为平衡状态。

2.3 打井数量确定

打井数量由最大释热量及最大吸热量确定。将最大冷负荷及最大热负荷分别代入式（1）式（2）中，得最大释热量为2785kW，最大吸热量为1448kW 。换热井采用120米深双U形换热器。根据热响应实验数据，夏季进水30℃，出水25℃条件下，单井换热量为5.7 kW；冬季进水6℃，出水9.5℃条件下，单井换热量为3.4kW。考虑打井废井率，附加5%，则按夏季打井需540口，按冬季打井需470口。

由于场地限制，只能打井468口，基本满足冬季需求。采用调高夏季供水温度，提高单井换热量的措施，使夏季循环水温提高至33/28℃，这时单井换热量约为6.5 kW，可满足要求。

3 水蓄冷系统设计

常用的水蓄冷形式有：双槽式、多槽式及单槽式。本项目采用单槽式系统，利用水在不同温度下的密度差来实现自然分层隔离。由于没有多余面积可供设置单独蓄冷水池，蓄冷水池与消防水池合用，设置于地下二层与冷热源中心邻近的位置。水池长20.55米，宽11.4米，水位高度2.65米。

3.1蓄冷量计算

考虑水池内保温及布水器等占用水池空间，取0.95的利用系数，即：。水的蓄冷量:其中蓄冷温差取6℃，则。考虑水池的冷损和必然存在的斜温层在蓄冷和取冷过程中的影响，取0.85的蓄冷效率，则最大可利用冷量为：。设计条件下单日耗冷量为25384kwh，故蓄冷水池供冷率约为13%。选用两台制冷量为1196 kW的螺杆式冷水机组，夜间需运行的蓄冷时间为：。1.5小时即可蓄冷完毕。

3.2布水器设计

为保证蓄冷和取冷过程中水的流动不会破坏水温的自然分层状态，布水器的选择计算是关键。建议连接各出水口的支管内的水流速度不超过0.3～0.6m/s，两出水口之间的距离应小于2。为下布水器出水口与水池底的距离，也是上布水器出口与水池液面的距离。一般不希望超过蓄水深度的5%，小型水池通常取。一般要求在布水器出口就能保持层流状态，建议对小型水池可选,必要时可取在450~850之间[2]。其中：

（4）

式中 ——水的运动粘滞系数，m2/s；G——通过布水器的设计流量，m3/s； L——布水器的有效长度，m。

1）计算布水器有效长度

首先确定布水器设计流量。水池侧进出水温度为11/5℃，则。若布水器有效支管布置如下图所示，则布水管支管长度为。

图4 布水器支管布置图

水温5～7℃时，。将数据代入式（4），得。可保持蓄冷水池内层流状态。

2）校核连接布水器支管的流速

该工程选用支管直径为，则流通断面积为：。同时并联支路有根。则总流通面积为。故可求出布水器有效支管内平均流速为，符合流速要求。

4 设计难点及解决措施

4.1 建筑物沉降对埋管的影响

由于采用桩间埋管的形式，在打桩完成，地下室底板施工前即需将地源换热器敷设完毕。随着建筑物主体的施工，会出现竖直沉降。在竣工后的使用期间，也会出现正常范围内的沉降。沉降会对埋管产生剪切拉压作用，若不采取措施，有可能导致埋管断裂，导致该井所在的支路（6到8口井为一支路）都将失效。这是该项目设计团队一直关心和讨论的问题。通过暖通及结构专业的多次讨论，采取了下列措施：

1）地埋管采用高质量且延性较好的材料。严格按照《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005的要求进行四次水压试验。

2）水平埋管在管道上下均铺设250mm厚的黄沙层作为保护，如下图所示：

图5 水平埋管详图

3）水平管道穿入井室的部位是最容易受剪切的部位，考虑在管道与地下室底板间铺设易变形材料加以缓冲，如挤塑板等。且穿入井室部位采用遇水膨胀的止水套环。

4）接入井室内分集水器的竖直管道最易受拉伸。该处接入前加装乙字弯，以预留形变量。

4.2 桩间埋管对结构的影响

施工过程中打井及敷设水平管，运行过程中塌井漏水等都可能对结构产生影响。通过与结构专业同事的合作，预见了以下隐患并提出可行的解决措施：

1）井壁坍塌对结构产生影响。

出现井壁坍塌的主要原因是回填不实。回填不实不仅埋下井壁坍塌的隐患也极大的削减地埋管的换热量。造成回填不实的原因主要有回填材料过轻，无法沉入井底；打井孔径过小，回填料灌入路径不畅。为解决这个问题，提出了两种回填材料方案：一采用自身重量较大的土石屑回填；二采用膨润土、水泥、砂、原浆和水组成的混合物进行回填，其中膨润土、水泥、砂的含量宜取5-10%、5-10%和15-25%。同时建议施工单位扩大打井直径。这样虽使工作量有所提高，但有利于结构安全和后期高效正常运行。

2）管道泄漏对结构产生影响

由于地埋管为有压运行，结构专业担忧一旦出现泄漏，会呈喷射状，对周围结构产生冲刷。通过对已建成工程的走访调查及理论分析，发现即使管道完全断裂，也仅出现滴漏现象，水流会缓缓渗入周围土壤。这是由于本身管道埋深较深，周围土壤对管道四周都有较大压力，水压与该压力抵消后剩余部分不至于造成水流喷射。因此，管道泄漏不会对结构安全产生影响。同时应做好运营管理，及时发现地埋管分集水器处压力表的波动，一旦泄漏立即关闭损坏支路。

3）成井过程中导致的粉土层粉砂层流失对结构的影响

结构专业分析后认为成井过程中⑥3粉土层和⑧2粉砂层易流失，为避免地下室沉降，工程桩适当加长。

4.4 水蓄冷工况切换

加入水蓄冷系统后，会出现四种运行工况：冷机供冷；冷机蓄冷；水槽供冷；联合供冷。在蓄冷水池侧设置两台蓄冷水泵及两台供冷水泵，通过板式换热器实现从冷机冷冻水侧取冷，向用户侧供冷。选用双工况冷机在蓄冷工况提供4℃冷冻水。机房内共设置11个电动蝶阀，实现四种工况的切换。

表3 水蓄冷阀门切换表

4.5 全楼供冷供热的安全保障

为防止地源侧换热效率逐年下降，极端天气等对供冷供暖效果的影响，该项目在屋面预留两台冷却塔的安装位置。在地下一层司机休息室区域预留燃气锅炉机房，并考虑泄爆排烟问题。一旦供冷供热效果不佳可以及时安装冷却塔或应急热源以满足要求。

5 结语

近年国家密集颁布了一系列针对绿色建筑的规范标准。今年1月1日，国务院办公厅了《国务院办公厅关于转发发展改革委住房城乡建设部绿色建筑行动方案的通知》通知规定城镇新建建筑严格落实强制性节能标准，“十二五”期间，完成新建绿色建筑10亿平方米；到2015年末，20%的城镇新建建筑达到绿色建筑标准要求[3]。本项目建设成为三星级绿色建筑，为国家实现节能减排目标，我市建设成为生态宜居城市做出贡献。

大部分地源热泵系统均采用开阔场地下竖直埋管的方式。底板下埋管的形式在大型项目中的应用很少。在寸土寸金的城市，这种节地又节能的技术必将成为未来发展的趋势。蓄能技术利用峰谷电价的差额，为业主节省运行费用，同时利于平衡城市电网峰谷负荷差。地源热泵系统与蓄冷技术的结合还存在一些亟待解决的问题。由于当蓄冷量大时，机组长时间向地源侧放热或吸热，由于蓄积作用，地源侧热量得不到及时散发或补充，使得地源热泵机组效率逐年下降。蓄冷量过小，起到的节费平衡电网的作用又微乎其微。因此还需理论及实际工程的不断摸索。

参考文献

[1] 中国建筑科学研究院. GB/T 50378-2006 绿色建筑评价标准[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2006

[2] 赵庆珠.蓄冷技术与系统设计[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2012

[3] 发展改革委 ，住房城乡建设部. 绿色建筑行动方案[Z].2013