上海自然博物馆土壤源热泵系统设计

　　上海自然博物馆是以提高公众科学素养为使命，融教育与展示、收藏与研究、合作与交流于一体的，“中国第一、世界一流的现代化综合性自然博物馆。在上海自然博物馆建设中集成了各种生态节能技术，空调采用土壤源热泵系统。本文阐述了系统设计思路，对设计难点特别是土壤热平衡问题进行重点分析，认为土壤源热泵系统在自然博物馆这类建筑中应用是可行的，土壤源热平衡问题可通过合理的设计和规范运行管理等措施来解决。
　　1、工程概况
　　上海自然博物馆项目位于上海市静安区，北京西路石门二路处，地基面积12000m2，总建筑面积45300m2，其中地上建筑面积12700m2，地下建筑面积32600m2。建筑总高度18m，地上3层，地下两层。建筑功能主要为展厅，另有藏品室、办公室等辅助用房。为实现节能减排，展厅和藏品库采用土壤源热泵系统，夏季冷负荷5000kW,冬季热负荷3000kW。
　　2、系统设计
　　2.1冷热源
　　展厅和藏品库等大空间的空调冷热源由土壤源热泵承担，主机选用3台制冷量为1673kW、制热量为1789kW螺杆式地源热泵机组。冷却方式采用以地埋管土壤换热器为主，埋管数量按冬季负荷设计，夏季负荷不足部分采用常规冷却塔补充。
　　2.2土壤换热器设计
　　地下埋管土壤换热器是地源热泵系统的关键组成部分，是土壤源热泵系统设计的核心内容，其选择的形式是否合理，设计是否正确，关系到地源热泵系统能否满足要求和正常使用。
　　上海市属于太湖流域的冲积平原，浅层土以黏土、亚黏土及粉砂为主的软土，属于第四纪沉积层，土壤潮湿，地下水位高，含水量充足，土壤源热泵系统换热效果好，是土壤源热泵系统较适合的土壤类型，采用单U型埋管综合性能高于双U型埋管。单U型埋管夏季单位井深放热60W/m，冬季35W/m。
　　因为地质条件较好，钻井难度不大，埋管深度按100m进行设计（地铁下埋管深度90m）。钻井数量按冬季工况设计为：557口100m，深的井；224口90m深的井。为保证土壤散热能力，埋管间距尽量大，根据场地实际情况，按4.5m×4.5m埋管设计，可满足空调要求。
　　2.3末端设计
　　各展厅均采用全空气变风量系统，旋流风口或喷口送风，集中回风。根据室内温度自动调节送风量，采用具有排风热交换热回收功能的空调器，最大限度地节省能源，并实现过渡季节全新风运行。办公室、会议室等小空间采用直接蒸发式变频多联机热泵系统。
　　3、设计难点及措施
　　土壤源热泵是利用浅层土壤中温差能为热泵系统热源和热汇的可再生能源建筑利用方式，在系统供冷供热期间，土壤源换热器向周围土壤持续排热或取热，在一年内由于冬夏季冷热负荷大小与运行时间不同，换热器向地下排放热量与取热量并不相等，随着年份的增加，土壤出现冷热堆积，土壤温度呈明显升高（降低），造成机组性能衰减甚至停机，这即通常称谓的土壤源热泵热平衡问题[1]。在上海市，夏季冷负荷明显大于冬季热负荷，制冷时间比采暖时间长，所以系统向地下放热量大于取热量，土壤换热器四周的土壤温度逐年升高，夏季换热器内水的运行温度逐渐上升，从而引起机组制冷性能衰减。
　　工程上常见的解决土壤热平衡的措施有：冷却塔调节、提供生活热水、土壤源优化分组、增大埋管间距、设置监控测试系统等[2]，本项目没有生活热水需求，其他可以采用的措施有：
　　1.冷却塔调节
　　冷却塔作为辅助冷却方式，与地埋管系统同时承担夏季主机冷却功能，即冷却塔承担夏季系统多余的排热，以实现与冬季系统取热量的平衡。冷却塔具体运行策略见下文。
　　2.设置监测系统
　　设置监测点的目的是根据监测数据及时调整运行方式，使机组能够高效运行。常见的监测方法有：地温监测井测地温，土壤换热器的能量计量以及监测回水温度。本项目采用监测井测地温与监测回水温度。
　　3.增大埋管间距与分散布置
　　可以通过分散埋管方式减小土壤热不平衡，尽量避免或减少内区埋管，本项目埋管较多，而建筑占地面积小，很难做到分散布置，根据实际情况，可尽量增大埋管间距，最终确定埋管间距取4.5m。
　　4.土壤换热器优化分组
　　为了增加系统部分负荷的可调节性，降低运行能耗，同时提高土壤温度恢复能力，本项目将土壤换热器系统设计为6个区域，每两个区域对应1台主机；在部分负荷下，轮换运行不同的土壤换热器区域，降低土壤温升的风险。
　　5.运行策略
　　本项目选择的3台相同容量的主机，可根据回水温度与地温来决定机组开启台数。负荷较小时只使用土壤换热器，土壤换热器满足不了负荷需求时开启冷却塔，若年累计地温升高超过2℃，则优先开启冷却塔。
　　4、节能减排效果预测
　　根据本项目设计，对其投资及运行效益预测见表1、表2。
　　表1土壤源热泵系统的投资对比分析

注：比较以冷水机组+燃气锅炉为基数

　　

5、结论
　　1.自然博物馆项目所在地的地质条件较好，地下土壤温度适宜，可用于埋管的占地面积充足，土壤源热泵系统在本项目的应用较为适宜。
　　2.上海市属于夏热冬冷地区，本项目中土壤源热泵系统向地下放热量与取热量之比达到3∶1，热不平衡率较大。建议采用地埋管土壤换热器与冷却塔组合的混合系统，地下埋管按冬季工况设计，夏季尖峰负荷采用冷却塔补充。在运行过程中通过控制冷却塔的开启时间来平衡系统向地下排热量与取热量。
　　3.自然博物馆属于大空间建筑，负荷较大，采用土壤源热泵系统，埋管数量相对较多，但因为本项目地质条件为黏土、亚黏土及粉砂为主的软土，钻井容易，可通过增加埋管深度来解决对埋管长度的要求，同时埋管间距尽量加大，以保证土壤散热能力。
　　4.设计土壤源换热器，可从钻井间距、系统形式、埋管分组等合理设计来解决土壤热平衡问题，在后期运行管理中，通过监测地温和换热器回水温度来控制冷却塔开启，平衡系统取放热量。另外自然博物馆空调是间歇运行，土壤温度在夜间得到恢复，这在一定程度上缓解土壤热失衡。
　　5.本项目因地制宜，采用土壤源热泵系统供冷供热，充分利用了可再生能源。设计中可通过对土壤换热器优化设计，保证系统长期高效运行，实现节能。

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