世博轴及地下综合体工程(简称世博轴)位于上海黄浦江边,南北长约1000m,东西宽80~110m,地下地上各二层,建筑膜顶标高约12.5m~33.5m,基地面积约132200m2,总建筑面积约251100m2,是2010年上海世博会主要的入园通道,集交通集散、商业旅游等功能。

本工程的空调冷热源采用了地埋管地源热泵系统加江水源热泵(部分为利用江水冷却的单冷型冷水机组)系统。

热泵是输入电能使压缩机做功,实现热量从低温环境向高温环境转移的机组,按热源对象可分为空气源热泵、地埋管地源热泵和地表水源热泵等形式。热泵技术是一门成熟的节能技术,在国内外均得到了广泛的应用与普遍认可,在我国的《2000-2015年新能源和可再生能源产业发展规划要点》、《中华人民共和国节约能源法》、《可再生能源法》等多部法规中都明确提出要推广使用热泵技术。

江水源热泵和地埋管地源热泵系统是利用江水和土壤作为热泵系统的热源或热汇。由于江水和地埋管水温度夏季时均低于冷却塔出水温度,热泵机组的制冷效率可大大提高,并省去了冷却塔补充水;冬季时用热泵供热,能源效率也比传统的锅炉供热有很大提高。

地埋管地源热泵系统

系统原理

地埋管地源热泵系统是利用热泵机组在土壤中提取或蓄存热量,制取空调冷热水,又称土壤耦合热泵系统。

地表浅层土壤温度呈三层分布,地表冻土层附近土壤温度受大气影响,温度全年波动大;冻土层以下有一恒温层,温度全年基本不变;恒温层下到地壳深处有一定的正温度梯度,土壤温度随深度缓慢上升。

上海地区冻土层较浅,5m以上土壤温度受室外气侯影响而波动;5m以下到35m处土壤温度基本恒定,接近全年平均气温(15.7℃);35m以下土壤温度以5℃/100m的温度梯度上升,地下100m土壤温度约为19℃。

埋管换热器

地下埋管可分为水平埋管与垂直埋管两大类。水平埋管方式适用于软土地区,其优点是造价较低,但传热工况会受到外界气候的影响,且占地面积大,通常不太适合人均占地面积较少的国情。垂直埋管是在若干垂直钻孔中设置地下埋管。由于垂直埋管具有占地少、工作性能稳定等优点,因此已成为该类工程中的主导形式。

垂直埋管中较为多见的是钻孔埋管,在钻孔中埋管换热器有单U、双U、螺旋型等型式。由于钻孔埋管的深度一般较深,故应注意与地下空间开发规划的矛盾。灌注桩埋管是结合建筑的结构桩基,将埋管换热器放置于灌注桩内的一种埋管形式,技术先进、投资相对较省,但施工工艺较复杂。灌注桩内的埋管换热器型式,同样可分为单U、双U、3U、螺旋型等。

埋管方式及埋管换热器选型

根据本工程基地面积大及结构桩位布置的特点,埋管方式采用灌注桩埋管。

灌注桩埋管换热器型式的确定除考虑埋管在灌注桩中埋管条件外,还须取得不同型式的埋管换热器在现场土壤特性条件下的取热特性、放热特性、不同埋管深度时单位深度的土壤换热量以及土壤导热系数等各种数据,以便进行对比分析。

目前,要获得埋管与土壤间的换热特性主要有三种途径:利用简化模型数值计算、利用经验估计和做土壤热特性测试。由于地下土壤情况多变,往往由多个地层组成,仅按照简化模型计算往往误差过大,经验估计值在方案分析阶段有一定的参考价值,但不能作为地埋管地源热泵系统的设计依据。此外,由于我国的地埋管地源热泵系统起步较晚,大多数地区缺少相关技术资料,特别是浅层土壤热特性又因地埋管换热器现场的地质结构不同有很大差异,尤其灌注桩埋管换热器在我国、在上海地区尚缺乏工程经验,因此,有必要进行埋管换热器的实地试验研究,准确获得工程基地土壤的取、放热特性,为地埋管地源热泵系统的设计和运行提供可靠保证。

埋深25m的灌注桩埋管换热器,进水温度约为35#,测得土壤初始温度为18.2℃。

在同样的传热温差条件下,双U串联型(W型)的每延米散热量与传热系数较优(此时管内流速约0.6m/s),当其在流量减半、水流速约0.3m/s的工况下,进出水温差能达到5#左右,而其它型式换热器均不能达到该温差值。

本工程地埋管侧水系统的设计温差取5#,以减小水泵流量,节约能耗。埋管换热器型式选用双U串联型(W型),可满足系统设计要求。

土壤热平衡分析及计算换热量选取

埋管区域的土壤犹如一个巨大的蓄能体,地埋管地源热泵系统在夏季时将热量排放其中,在冬季时从中取出热量,热量的转移将引起土壤温度的变化,从而影响土壤换热器的换热量。现场的热响应试验只是短时间内的运行测定,测得的换热性能将不同于长期运行时的实际值。

土壤温度上升,夏季时换热量减小,冬季时换热量增大。因此,有必要对整个埋管区域长时间运行进行计算机数值模拟研究,根据埋管区域的土壤热物性及地下水的流速、流向等参数,得出地下土壤温度随时间变化的关系、土壤热积聚情况和土壤达到热稳定状态所需时间等,然后由分析结果计算出供冷季和供热季地埋管地源热泵系统的供冷、供热能力。这样,才能对地埋管地源热泵可供利用的总能量有了一个清晰的认识,并据此合理地选取埋管换热器的冬夏季计算换热量,同时为确定本工程的另一个冷热源系统--江水源热泵系统的规模提供了可靠的依据。

计算机数值模拟范围取10组x10组典型灌注桩埋管(约800个桩),系统供冷运行期为5~9月,供热运行期为12~2月,每天运行时间9:00~21:00。由于上海地区夏季空调冷负荷远大于冬季热负荷,但考虑到本项目另有江水源热泵系统同时运行,并可进行负荷调节,故以夏、冬季系统向土壤排热量与取热量不平衡率为10%和3%分别进行模拟分析。

地温场监测系统

确保土壤温度变化在正常范围内,使土壤换热器在使用年限内始终高效、安全运行是地埋管地源热泵系统设计的关键之一。因此,本工程埋设了热电阻对埋管区域土壤温度进行实时监测,根据土壤温度变化,可以及时调整地埋管地源热泵系统和江水源热泵系统的运行负荷,制定合理的运行策略,确保土壤温度合理变化。同时也可以此验证模拟结果,为地埋管地源热泵系统的设计和运行管理积累一定的技术资料和经验数据。

江水源热泵系统

系统原理

水源热泵系统是向地表水或地下水等自然水体中排放或从它们中提取热量用于空调供冷或供热的系统。夏季时它将建筑物中的热量转移到水源中,由于水源温度比用冷却塔所得的冷却水温度低,所以效率较高;冬季时它从水源中提取热量,效率也比风冷热泵机组高。

水源侧水系统类别与选择

江水水质系统选择

由于目前国内尚无相关江水源热泵系统的水质要求,参考同类工程,并咨询热泵机组生产厂家,确定了本工程要求的水质指标。

本工程采用的是大型电动热泵机组,机组换热器材质采用铜镍合金,对比表中数据,江水的水质参数能基本满足热泵机组的水质要求。此外,从节能与清洗角度考虑,直接式系统比间接式系统有较大的优势,所以本工程的江水源热泵系统采用直接式系统。

江水水质处理

经分析,取水口的水质在大部分时段内能满足系统要求,但悬浮物和浊度指标较难保证,因此,采取了以下措施:在进水管路上设除污格网井;在江水泵的出水管上设置自动反冲洗过滤器;在热泵机组和单冷型冷水机组的江水侧换热器上设置胶球或清洗刷清洁系统,对换热管进行定期清洗。另外,系统还设置全自动控制在线检测加药装置,在系统停运时,对机房内江水侧水路系统进行闭式循环处理,污水由下水道排出。

取退水口

本工程取用江水总量为6000m3/h,其中预留了一定用于世博会后改造发展的江水量。夏季设计工况为:江水进水温度为30℃、退水温度为35℃,温升5℃。取水口位于退水口上游约290m处。

根据温排放模拟报告,系统的温排水对黄浦江温升影响很小。在取水口,表层平均温升在大潮、中潮和小潮期间分别为0.112℃、0.131℃和0.104℃,表层温升达到0.2℃的面积小于0.02km2。如上分析,在离退水口大于80m的位置处,江水温度受系统退水影响的上升值小于0.2℃。因此,本工程的取水口位于退水口上游290m处,可以认为取水口受退水口温排放影响微小。

根据取水江段的横断面,离江堤距离越远,江水越深,取水头部可以设置的位置越低。在防止河床泥沙等垃圾吸入的前提下,尽可能增加取水的深度,有利于减少气温及表层水温对取水层水温的影响。但取水口离江堤的设置距离可能会对取水江段主航道产生一定影响,根据相关分析,本工程系统取水头部位于堤外距江边约40m处,取水沉箱顶面标高-2.50m(吴淞零点),采用沉箱顶面设格栅进水,约在江面低潮位2.8m以下;取水管从防洪堤下部穿越进入堤内拦污格网井,江水经过滤掉较大的悬浮杂质后,进入本工程地下室的取水泵房内,然后经水泵提升送至水源热泵机组;退水口突出驳岸线规划约5m,设在江面低潮位下。

地埋管地源热泵加江水源热泵的联合冷热源系统

机房设置

本工程共设3个地埋管地源热泵系统,沿南北方向均布3个地埋管地源热泵机房,以使地埋管换热器就近接至机房。北区、中区机房各设3台热泵机组、南区机房设4台热泵机组。

江水源热泵机房设在建筑物近江的最北端,以减小江水输送距离。根据冬夏季负荷情况及地埋管地源热泵所能提供的热量,合理配置热泵机组,供冷量不足部分由另配置的能效比更高的单冷型离心式冷水机组承担,共设置了3台离心式冷水机组和5台螺杆式热泵机组。

本工程地埋管地源热泵系统采用的是灌注桩埋管换热器,地埋管地源热泵系统的供冷供热能力取决于可供埋管的结构桩基数量。根据计算,在夏季供冷工况下,地埋管地源热泵系统所能提供的冷量约为夏季计算冷负荷的30%,其余70%的冷量则由江水源热泵和冷水机组系统承担。

江水源空调水系统设计为二级泵变流量系统,分北区、中区、南区三套二级泵变流量水系统,根据用户侧供回水总管压差,变频调节二级泵转速;三组地埋管地源热泵系统设计为一级泵定流量水系统,供回水管就近接入北区、中区、南区的总供回水管,使地埋管地源、江水源空调用户侧水系统合二为一。