1、項目概況

本項目是某集團總部辦公樓，位于江西省南昌市， 處于夏熱冬冷氣候區(qū)。項目總建筑面積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，項目設(shè)計引入德國被動房設(shè)計理念，優(yōu)化 外圍護結(jié)構(gòu)密閉性體系，增加房間密閉性，隔絕室外污 濁空氣通過外圍護結(jié)構(gòu)滲透到室內(nèi)來。

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小時為室內(nèi)人員舒 適健康提供保障。并且設(shè)計以被動優(yōu)先、主動優(yōu)化為原則，被動設(shè)計從外圍護結(jié)構(gòu)入手，對項目進行了整體優(yōu)化設(shè)計，以投資回收期為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化了維護圍護結(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)計參數(shù)。主動優(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)由天棚毛細管系統(tǒng)+ 置換式新風(fēng)組成，實現(xiàn)恒溫恒濕恒氧的高舒適室內(nèi)辦公 環(huán)境，并建立遠程能源管理平臺，對項目后期運行實時 監(jiān)測控制，使空調(diào)系統(tǒng)達到最佳運行狀態(tài)。

2、巖土綜合熱物性測試

在地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用中，最重要的設(shè)計環(huán)節(jié)是地埋 管換熱器的設(shè)計，它是熱泵系統(tǒng)的冷熱源的來源。科學(xué) 設(shè)計計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，通過理論 計算巖土熱物性比較困難，通常是通過現(xiàn)場試驗測試獲 得巖土熱物性，以供地埋管設(shè)計計算。

本項目的巖土熱響應(yīng)測試方法采用恒熱流測試方法，《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 率的方式進行熱響應(yīng)試驗），即對巖土施加一定熱量的 方式，記錄地埋管換熱介質(zhì)進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)。

本項目鉆探兩個測試孔兩口實施測試，均采用雙U 型埋管。根據(jù)測試數(shù)據(jù)進行分析計算得出，本項目巖土 綜合導(dǎo)熱系數(shù)為2.59W/m.℃。

3、地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計方案

本項目采用了地源熱泵+毛細管天棚輻射采暖制冷系統(tǒng)，空調(diào)計算冷負荷391kW，熱負荷183kW。項目為 集團總部辦公樓，要求系統(tǒng)運行可靠性高，主機采用2 臺制冷量334kW，制熱量349kW的熱泵機組，可基本實 現(xiàn)1用1備工況。

3.1 地埋管設(shè)計

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)計計算 需要92個豎井鉆孔，鉆孔間距5mx5m，考慮到安全性增 加9個鉆孔孔施工，共計施工101個地埋管。由于項目所 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，可充分利用水的對流增強換熱效果。

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）每組地埋管獨立引出至集 分水器。

考慮到基礎(chǔ)施工時地表不平整，施工場地遍布泥 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)計采用獨立引出方式可以對每路地埋管進行排氣和疏通，而干管引出方式則無法實現(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，阻塞是由氣阻和泥沙造 成，由于阻塞管路阻力相對大，即使加大系統(tǒng)流量和壓 力也會經(jīng)暢通的環(huán)路旁通，無法沖開阻塞環(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 水、集水器排空，可以將阻塞的環(huán)路打通。在疏通調(diào)試過程中會觀察到氣塞和泥水不斷從排放口涌出，直至放 出清水為止。因此推測采用集中干管引出的方式會有 30～50%的地埋管無法正常工作，造成熱泵埋管系統(tǒng)整 體效率低下。

由于本項目夏季制冷負荷大、時間長，遠遠高于冬 季采暖，土壤計算熱平衡很難做達到全年土壤熱平衡。 但項目所在地地下水豐富，地下水滲流對地埋管傳熱有 正面的影響，具備可促進熱量遷移效果，存在能夠自動 消化積存熱量達到緩解熱不平衡問題的可能性。由于地 下水滲流模型復(fù)雜，熱遷移效果無法準(zhǔn)確計算，為安全 起見系統(tǒng)預(yù)留了冷卻塔輔助接口，同時對土壤溫度、地 埋管供回水溫度進行全年實時監(jiān)測，以積累熱遷移驗證數(shù)據(jù)。

3.2 毛細管天棚輻射采暖制冷系統(tǒng)

毛細管天棚輻射采暖制冷系統(tǒng)是完全不同于傳統(tǒng)空 調(diào)的對流熱傳遞方式。輻射采暖制冷，是指它通過降低 （提升）天棚表面的溫度，形成冷（熱）輻射面，依靠 輻射面與人體、家具及圍護結(jié)構(gòu)其余表面的輻射熱交換 進行供熱（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 現(xiàn)輻射面與人體、家具及圍護結(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，輻 射采暖制冷系統(tǒng)負責(zé)承擔(dān)室內(nèi)顯熱負荷，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)。這種獨立 控制策略，使得空調(diào)系統(tǒng)對熱、濕、新風(fēng)的處理過程 分別實現(xiàn)，對建筑物室內(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)過冬 季供熱，在春末夏初時節(jié)，地源側(cè)出水溫度在16-17℃ 左右，為免費制冷提供了基礎(chǔ)，如圖6中粗線示意的流 程。地源供回水溫度為17/19℃，通過免費冷循環(huán)泵進 入板換一次側(cè)與天棚側(cè)供回水換熱，天棚毛細管水溫為 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)末端則無法利用這種“高溫”冷源，只能開啟冷機運行壓縮機供冷。所以地源熱泵與 毛細管天棚輻射系統(tǒng)的結(jié)合可以減少主機開啟時間，進一步節(jié)省能源消耗。在此工況下，系統(tǒng)COP可以達到 8.3。

4、能耗計算分析與監(jiān)測

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（考慮到營銷舒適，顧客 接待廳和員工高舒適，2、3和11月也進行了供熱），最 高峰值為4萬kWh/月，出現(xiàn)在1月的“三九”天。辦公樓全年有24小時新風(fēng)供應(yīng)，因此有固定的0.7萬kWh/月新風(fēng)機組能耗。

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)占比大是因為末端采用了天棚輻射系統(tǒng)更節(jié)能，沒 有空調(diào)機組和風(fēng)機盤管的耗電。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)負荷越大毛細管輻射系統(tǒng)越節(jié)能。

4.2 熱泵系統(tǒng)運行能效分析

熱泵機組全年平均COP=8，屬于較高的運行工況。分析原因在于機組大部分時間處于非標(biāo)準(zhǔn) 工況運行，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 高溫運行，提高了機組制冷COP。

熱泵系統(tǒng)COP=3.8，比預(yù)期要低還存在提高的空 間。這是因為系統(tǒng)第一年運行，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有時只有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)計可達到4.5左右。4月底為免費制冷模式，所以 系統(tǒng)COP較高，而機組沒有運行所以沒有COP數(shù)據(jù)。

4.3 室內(nèi)環(huán)境與節(jié)能分析

辦公樓按照甲級寫字樓溫濕度環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)運行，以 滿足員工正裝工作的舒適要求。辦公樓夏季運行室內(nèi)溫 度在23～24℃，相對濕度65%左右，天棚輻射制冷溫度 22.5℃。新風(fēng)機組將室外空氣處理到15℃，通過風(fēng)管送到 各個房間，在送風(fēng)口到達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)計值基本一致。在4月中～5月初的地源出水 溫度在17℃，可以實現(xiàn)設(shè)計中的“免費制冷”工況，至 5月中旬熱泵開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，未達到熱平衡狀態(tài)。由于系統(tǒng)是 第一年運行未達到最佳狀態(tài)，制冷能耗 還能降低，有可能實現(xiàn)熱平衡。如果土 壤溫度繼續(xù)升高則需要啟動冷卻塔進行平衡。

6、結(jié)語

由于采供暖溫度低、制冷溫度高，毛細管輻射采暖 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。 在春夏過渡季，可利用土壤冬季蓄冷通過天棚系統(tǒng)“免 費制冷”，系統(tǒng)ＣＯＰ＝8.3，遠高于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)。 系統(tǒng)ＣＯＰ與循環(huán)水泵運行狀態(tài)高度關(guān)聯(lián)，提高水泵輸 送系數(shù)可進一步提高熱泵系統(tǒng)節(jié)能效率。地源熱泵系統(tǒng) 運行時，土壤溫度變化有時滯，滯后于建筑負荷變化3 個月時間左右。毛細管輻射空調(diào)系統(tǒng)由于末端無風(fēng)機 沒有電機耗能，能耗低而且舒適度高。