高效闭环地源热泵系统设计和实施

高效闭环地源热泵系统设计和实施建筑概况科技大厦地处北京上地信息开发区中关村软件园。

是国家软件开发基地的企业之一。

该地区没有城市热力供一应，邻近的大部分建筑使用天然气锅炉供暖，供暖成本较高。

软件园的开发和管理者对清洁环境有特别的追求，期望能为无烟产业-软件产业-创造一个真正的绿色社区。

因此，可再生能源的使用在这里一直得到鼓励。

科技大厦为一回字型建筑，包括地上三层，地下一层，总面积为 28,670 平方米。

大厦同时具备办公室和公寓房间。

公寓部分乃是考虑软件企业的特点而为开发和管理人员预备的。

分离的 15 套公寓安排在建筑的西北角。

这种安排，使得我们能在同一幢建筑里示范地源热泵是如何满足公寓居所和商用空间的能源需求的。

建筑在东面，西面和中庭大面积采用落地玻璃，给室内带来充分的自然光线，但另一方面加重了建筑的能源负荷。

该建筑的冷负荷为2600KW，热负荷为2800KW。

实际设计和机组选型按热负荷进行。

科技大厦的主体结构已于2004年11月完成，在当年开始试运行供暖。

大厦其中一层已作为美国第三大软件公司，PeopleSoft 公司，在中国的办公大楼。

另有多家知名IT企业入住，截至2006年初，入住率已经超过90%。

根据北京市节能中心在中国建筑科学研究院支持下，在2006年4月针对科技大厦地源热泵空调采暖系统出具了系统节能检测报告。

经过2个采暖季和一个供冷季的检测表明，系统全年运行节能效果良好，相对常规系统节能达到40%。

埋地换热器设计和施工科技大厦全部的供暖和冷气均由封闭式的地源热泵系统来提供。

和开式水源热泵相比，这种系统不再使用地下水，而是在地下通过垂直安置的一系列 U-型管道阵列，通过管内流体的封闭循环来将地下的能源带出（入）至所用空间。

在夏季，空调系统所排出的废热被输送至地下，而在冬季，土壤中的能量被不断地提取出来。

我们使用的不再是化石燃料所“创造”的能量，而是在季节间作能量的“转移”。

科技大厦共使用了 695 组 U-型垂直埋管，平均深度69米。

同时使用了5000米的水平埋管。

根据可用的埋管空间情况，综合采用了垂直单U换热器、垂直双U换热器、水平单管换热器、水平多管换热器等多种形式。

埋管材料采用国际地源热泵协会认定的 HDPE 3408。

闭式地下换热系统的垂直方式这种材料具有良好的抗腐蚀，抗老化的性能。

极限拉伸长度可达 1：5。

同时具有较好的导热性能，其导热系数接近土壤，是普通 PVC 材料的 4-5 倍。

采用这种经过实际工程检验的材料，并在地下部分避免任何的金属和其它材料的部件，不使用阀门和其它的任何联结方式，而只采用热熔接的方法连接地下管网。

上述措施使得地下系统的寿命 能够保持在 50 年以上，预期寿命可达 100 年。

这意味着地下系统 可以和建筑同寿命，并和 3-4 代地上设备相匹配。

地下埋管的主管也使用直径为5”的进口原料生产的HDPE3408管道。

地下环路通过主管引至机房，和主机连接。

采用闭式埋管系统的目的在于：1． 系统对地下水不再依赖。

地上的空调和供暖系统将不再受地下水位，水量，季节和气候的影响。

2． 不受水井回灌能力的约束，也不存在水井出力衰减的问题。

避免了水井将来可能的再生和维护问题。

3． 由于系统中运行的是封闭的纯净水，设备不受水质和泥沙的影响。

系统的寿命延长，维护减少，故障降低，可靠性 显著提高。

在美国大量工程20年以上的实际运行证明这是一个一劳永逸的免 维护系统。

4． 由于没有水位提升，循环泵的功率降低。

对于科技大 厦，两台热泵机组的额定功率为 840KW ，而循环泵功率仅为 74KW ，为主机的 8.8%。

在看到上述闭式系统有点的同时，我们知道，闭式系统要求的地下面积大，施工量大，较开式投资有所增加（约 10-20%）。

在天庭中，共安置有 72 组 U-型埋管，为公寓房 间提供空调，暖气和生活热水。

图为在地下埋管 施工完成后，按既定设计完成的地面绿化。

埋管 变成一个完全隐式的系统。

科技大厦地地下埋管利用了在建筑周边（北面，东面，南面）的道路和中庭院的空地。

施工完成后再行敷设上下水，雨排，通讯，电力等管线，最后作地面的道路和绿化。

地下埋管不会对后面的工作带来影响，也不影响地上面积的使用。

设备在科技大厦中，除了对主体办公空间采用大型螺杆热泵机组以外，在公寓部分采用了20KW 以下的小型水-水热泵机组。

所有公寓的小机组仍然和地下埋管系统连接，由埋管系统提供机组所必需的冷（热）源。

相对于大型中央系统，这种分散式的小机组的突出优势在于：1．避免了大多数公寓，酒店的中央系统所存在的“大马拉小车”的问题。

对于科技大厦，办公空间和公寓空间存在明显的使用时间错位。

如果不采用分散小系统，则在公寓晚间使用时，为了保证这 10%的负荷，必须开启大主机。

系统效率降低，机组寿命缩短。

2．独立的小系统更有利于分区控制，分户计量，而不需任何的计量装置。

3．各建筑的地下埋管就近解决，就近入户，避免了中央系统庞大的地下管线施工，更没有地下管线的路由以及保温问题。

4．室内安装变得及其简便，管线保温要求降低，管道冷凝问题可以完全避免。

5．所有的小系统独立运行，独立维护，避免了可能的大面积故障，检修所带来的对用户的影响。

采用小系统的设备投资远远高于大机组，但末端和安装的投资降低。

相比之下，总体的初期投资没有明显增加。

对于小机组，需要特别注意的是机组的噪声。

设计和施工指导埋地换热系统的模拟、设计，以及对工程施工的技术指导由密苏里-哥伦比亚大学能源和环境学院徐云生博士完成。

徐博士原为清华大学工程热物理专业副教授，至今在密苏里大学从事地源热泵地研究，在中国地区具有超过近10年的工程经验。

徐博士同时负责国际地源热泵协会(IGSHPA)的中国地区委地下埋管施工和水平主管联结员会的工作。

2003 年开始承担美国农业部相变蓄能研究工作，2004 年开始承担能源部 IUEP 国际能源效率研究示范项目，2005年组建美国环境与能源办公室，2006年被聘为北京市政府节能顾问。

业主所在集团的建筑设计院为该项目提供了地上系统的设计。

监测为总结工程的技术参数和系统的经济指标，系统已经安装全年的实时监测系统。

地下循环的流量，温度，以及能量供应，地上系统的运行温度，机组的运行时间，功率消耗等重要参数均被记录。

这部分数据将有利于未来的中国地源热泵工程师的工程设计，企业的市场推广和有关政府部门的决策。

监测设备和人工费用由美国能源部和北京市建委提供。

不久前由北京市节能中心出具的检测报告显示，系统节能效果显著。

目前，北京市节能中心仍然在在中国建筑科学研究院支持下对系统进行长期检测，经过两个采暖季和两个供冷季的运行，地下换热系统未出现冷热积聚、地温异常的情况，效率没有发生衰减。

项目完成之后，设计施工方和国际地源热泵协会（IGSHPA）向美国能源部国际能效项目部（IUEP）提供了完整的系统设计、施工和运行情况报告。

示范作用北京科技大厦地源热泵供热空调项目自投入运行以来，已经接待了包括国家发改委、中央电视台、美国商务部等单位数十批人士的参观。

在本项目中，设计者采用了国际领先先进的设计方法、理念和特殊的技术手段，充分考虑了土壤的“蓄热”和“导热”特性，主要使用了大楼消防车道所在位置为埋管区域，在大量采用双U换热器的情况下，695口垂直孔，平均孔间距仅2.5米，大大节约了埋管面积。

实施完成后，系统运行效果非常成功。

同时，在埋地换热系统形式上，本项目综合采用了垂直单U换热器、垂直双U换热器、水平单管换热器、水平多管换热器等多种形式，几乎涵盖了所有可能采用的系统形式。

灵活多样、就近埋设的系统形式，可以在充分利用建筑物周边空间的同时，节约工程造价。

而在系统形式上，本项目在办公空间采用了螺杆式冷水机组集中供热空调，而在有24小时使用要求的员工公寓部分采用了一机三用的小型涡旋式地源热泵机组分别供热空调，同时提供生活热水。

因地制宜的系统形式为业主运行管理提供了便利。

二氧化碳减排2004年，本项目在设计阶段，设计者就已经进行了非常细致的CO2减排分析计算，为该项目进行国际CO2减排额交易作准备。

相对于使用传统的化石能源，本项目主要使用可再生的地下能源，在系统的50年生命周期内可直接减少CO2排放467，000吨。

按照美国芝加哥气候交易所（CCX）CO2交易目前的价格，这些CO2减排额价值在250万美元以上，远远高于系统的投资总额。

在为业主节约运行费用的同时，如果能帮助业主进行CO2减排额的交易，将会大大增加业主对于地源热泵系统应用的热情和兴趣。

建筑美学科技大厦位于中关村软件园的东南角，位置非常醒目。

作为软件园标志性国际化建筑之一，业主对建筑美学效果提出了很高的要求。

建筑的平面布局成中国传统的九宫格形式，周边八个部分紧密相连围绕着1000平米中心内庭院，内庭园采用了赏心悦目的日式枯山水园林风格。

采用地源热泵供热空调系统，不需在楼顶放置冷却塔，在建筑侧面设置烟囱、燃气调压室和泄爆口，更不需要室外挂机，最大程度的保护了建筑的美学效果。