地源熱泵水蓄能復合空調系統運行分析

蘇 莘 博，張 林 華，2，3*

（1.山東建筑大學 熱能工程學院，山東 濟南250101；2.山東建筑大學可再生能源建筑利用技術省部共建教育部重點實驗室，山東 濟南 250101；3.山東建筑大學山東省建筑節能技術重點實驗室，山東 濟南 250101）

地源熱泵水蓄能復合空調系統運行分析

蘇 莘 博1，張 林 華1，2，3*

（1.山東建筑大學 熱能工程學院，山東 濟南250101；2.山東建筑大學可再生能源建筑利用技術省部共建教育部重點實驗室，山東 濟南 250101；3.山東建筑大學山東省建筑節能技術重點實驗室，山東 濟南 250101）

復合空調系統是實現建筑節能的有效途徑。文章針對濟南市某辦公樓工程實例，介紹了該建筑的地源熱泵水蓄能復合空調系統，通過分析實際的監測數據，研究該系統的運行效果以及能耗。結果表明：采用地埋管直供及蓄能技術的復合系統運行效果良好，夏季能夠使室內溫度保持在24～26℃；在建筑面積、層高、辦公人數類似、圍護結構材料相同的條件下與同類建筑相比采用該系統后的用電量及電費都明顯降低，2013年度空調系統單位面積用電量為16.82 kWh／（m2·a），單位面積電費為6元／（m2·a）。復合空調系統對實現綠色建筑有著一定的借鑒意義。

水蓄能；地源熱泵；節能；低品位能源

0 引言

目前，我國建筑能耗的比例已占到全社會總能耗的27.5%，與同氣候地區發達國家相比單位建筑面積采暖能耗要高出2～3倍，建筑節能已經勢在必行［1］。隨著能源和環境問題變得日益突出，Zoelly提出的 “地熱源熱泵”［2］，自上世紀 80年代后期在世界范圍內開始發展，尤其是近些年來在全世界以每年20%以上的速度增長［3］。盡管如今對地源熱泵的研究已經比較成熟，但因其在實際應用中仍面臨著取、蓄能難以平衡，不能有效利用電力峰谷差價等 問題［4］。

近年來，國內外投入了大量的人力物力來研究地源熱泵蓄能技術。Wakayama等基于實際運行數據對樁基短期蓄能的地源熱泵系統進行了研究，結果表明：采用白天供冷與夜間供生活熱水結合的運行模式，會使地源熱泵系統運行效率更高［5］。齊月松針對一個工程案例介紹了地源熱泵組與水蓄冷（蓄熱）復合系統，該系統能夠滿足冬季供暖和部分夏季供冷，夏季剩余的冷負荷由冷水機組結合冷卻塔的系統形式承擔，將該系統與不采用水蓄能的系統相比較，發現初投資降低了1878萬元，年運行費用可節省30萬元，并指出了地源熱泵系統與水蓄能系統的應用前景［6］。錢堃分析了在沒有峰谷電價的地區，采用地源熱泵蓄能系統的經濟性，結果表明：與常規地源熱泵系統相比采用水蓄能系統節省了初投資的7%［7］。趙海國通過對寧夏高速公路管理中心辦公大樓地源熱泵結合水蓄能技術的應用進行分析，認為水蓄能具有削峰填谷和節省運行費用的優點，并與采用冰蓄冷的系統進行了比較，分析了水蓄能系統的優越性和不足之處［8］。這些研究雖然分析了地源熱泵系統與水箱蓄能系統結合后的運行效果，但并沒有根據工程的實際情況，分析利用末端設備蓄能以及夏季采用室外地埋管直接供冷的可能。對于常年平均氣溫在15℃左右的山東地區來說，夏季地埋管深層區域的溫度仍可維持在10℃左右［9］，在這種情況下，夏季制冷的初期，可以直接使用溫度較低的土壤作為冷源，通過循環泵將土壤埋管內的冷水直接供入室內得樓板埋管，以此進行供冷［10］。文章結合濟南市某辦公樓的實際工程，提出了利用峰谷電差制冷（制熱）、樓板蓄能以及冷負荷較低時采用土壤蓄能體直供冷水的運行方案，并分析了方案的實際效果及全年運行能耗，可為同類建筑的地源熱泵蓄能空調系統設計提供參考。

1 工程概況

本工程是位于山東省濟南市的一棟辦公樓，地下一層地上五層，樓高20.7 m。地下一層為空調設備用房和配電間等，地上五層為辦公用房。總建筑面積 5450 m2，地上面積 4583 m2，總空調面積3815 m2；夏季供冷、冬季供暖，空調系統的日運行時間區間為7：00～18：00；外墻采用25 mm厚聚氨酯保溫板，外窗的玻璃采用 Low-E中空玻璃，建筑的體形系數為0.21。在樓的北側及南側埋管，設計時室內采用了溫濕度獨立控制，有效的提高了空調系統的能源利用效率，避免了常規空調系統熱濕耦合處理帶來的問題［11］，室內采用地板輻射供冷（供熱）與置換通風相結合的系統，通過現場測試表明：室內熱濕環境良好，地板沒有出現結露現象，而且垂直溫度梯度也比單純輻射供冷時低［12］，夏季冷負荷較低時利用樓板蓄能體與地下巖土通過循環水系統直接耦合，并配備熱泵機組用于在冬季供暖以及在夏季對新風除濕及在負荷較高時輔助供冷。

經模擬計算，建筑物最大熱負荷為35.5 W／m2，建筑物最大冷負荷為63.6 W／m2；全年累計耗熱量為82.2 MWh，全年累計耗冷量為135.4 MWh。通常，熱泵消耗1 kW的電，可以得到4～5 kW的熱量或冷量［13］，從模擬結果來看，夏季對冷量的需求要大于冬季對熱量的需求，如果只采用地源熱泵系統，則夏季向地下排放的熱量大于冬季從地下吸取的熱量，長時間運行會造成地下溫度的不平衡進而影響地源熱泵的運行效果［14，26］，所以在夏季冷負荷高峰時采用冷卻塔進行輔助供冷，其全年累計冷卻負荷為54 MWh，通過實際運行發現采用冷卻塔輔助供冷能夠使室內溫濕度滿足人員需求，并使地埋管的取熱、放熱達到平衡。辦公樓的空調處理設備和冷熱源都是由復合系統構成的，建筑的負荷由輻射地板及全空氣機組承擔，其中，建筑的最大熱負荷全部由輻射地板供應，最大冷負荷由輻射地板承擔26.3 W／m2，全空氣機組承擔37.3 W／m2；輻射地板承擔全年的耗熱量，并且承擔55 MWh的耗冷量，其余的80.4 MWh由全空氣機組承擔。

2 復合系統運行方式

2.1 夏季運行方式

由于夏季室外溫度隨時間的變化，使得在供冷季的前期和后期冷負荷較小，采用蓄冷優先的控制策略，能充分利用谷段電力，減少運行費用，由蓄冷量滿足盡可能多的冷負荷，不足部分有冷水機組直接供冷［15］。通過實際運行發現，采用室外地源井直供給樓板埋管冷水的方法，讓樓板埋管系統承擔全天的空調負荷，可以滿足人員工作時間的需求。而且由于不開制冷機組，主要由循環水泵耗電，所以節省了用電量；在供冷的中后期，冷負荷和濕負荷都比較大，于是需要開啟熱泵機組，為系統提供冷凍水，新風系統除提供新風外，還需要承擔室內濕負荷和部分顯熱負荷。在熱泵啟用時，結合了“谷電”制冷和夜間樓板蓄冷（在 23：00—7：00使用）兩種方案，與傳統的在白天上班時間制冷的空調運行方式比較，使其減少了用電量。

2.2 冬季運行方式

冬季供暖采用與常規地源熱泵運行方式不同的方法，以地源熱泵制熱，并結合了蓄能系統，室內主要由樓板埋管系統提供熱量，利用新風系統控制室內空氣濕度和空氣品質，仍舊以熱泵機組作為新風系統的加熱熱源，機組冬季制熱功率為 108.9kW。實際運行顯示熱泵機組只需提供較低的水溫（28～32℃）［28］，就能保證室內供暖效果達到 18～20℃，提高了熱泵的 COP［16］，節能效果明顯。在熱泵啟用時，利用“谷電”制熱及樓板蓄熱（在23：00—7：00使用）在夜間將熱量蓄存在樓板及蓄能水箱中，從而使人員在第二天早上進入室內時就能有一個比較舒適溫度。在熱負荷的高峰期，根據監測結果，如果發現蓄存的熱量不能夠滿足上班時間的熱負荷，則開啟地源熱泵機組進行補熱。通過以上方法減少了白天上班時間熱泵的開啟時間，與常規的熱泵運行方式比較，使其節省了用電量及電費。

3 實時數據監測及分析

在室內安裝實時的監測設備，不僅能夠監測室內的溫濕度、風速、風量等，而且也能夠將空調系統的能耗實時的采集出來，如能夠記錄熱泵機組、水泵、風機等空調設備逐時的耗電量。為了驗證采用該系統之后的空調效果，2014年夏季對室內溫度、空調系統水流量及溫度進行了監測分析。由于2014年冬季電耗的數據還不全，而且 2013年及2014年樓內的設備以及人員都沒有大的變化，所以下文采用了2013年夏季及冬季的電耗數據來分析系統運行時的能耗。在每層的室內不同區域安裝的溫度測點，能夠每隔 15 min采集記錄一次室內溫度，采集了2014年7月28日00：00—23：45這一時間段內一層至五層室內溫度隨時間變化的數據，溫度變化規律如圖1所示。

由室內溫度實際采集的數據圖1（a）～（e）可以看出一至五層上班時間的室內溫度都在 24～26℃之間，能夠滿足人員在夏季辦公的需求，室內溫度在早晨6：00—7：00時達到最低溫度 22～23℃，能夠使人員在早晨上班時進入一個比較涼爽的辦公環境。根據7月28日實際測量，室外溫度在12：40達到最高值38.2℃，此時辦公樓室內溫度為 26℃左右，制冷效果明顯。由圖1（f）可以看出熱泵主要在夜間啟動，冷凍水的供回水溫差為5℃，將冷量儲存在蓄能水箱以便在白天供冷。夜間由于樓板的輻射供冷作用，能夠將室內的墻壁、桌椅、辦公設備等的溫度降低，將冷量儲存在了室內，當第二天人員進入室內開始工作時，儲存的冷量能夠慢慢釋放出來，抵消一部分人員及設備等散發出的熱量，從而可以推遲啟動制冷機組的時間，降低了空調系統的電耗。

由圖2可以看出，該辦公樓的空調系統在2014年 7月 28日全天的水流量，北地源井流量為6.7 m3／h左右，南地源井流量為 13.7 m3／h左右，南北地源井全天流量很穩定；空調機組的表冷器主要負責為新風除濕降溫以及為室內提供新鮮的空氣，該設備在 8：00—18：00時間段運行，8：00—15：15其流量穩定在6.6 m3／h附近，但由于室外日曬和室內冷負荷減小的原因，進入表冷器的水流量從15：30—18：00降低到了6 m3／h；在夜間23：00—次日7：00這段時間，熱泵機組制取的冷凍水輸入蓄能水箱，流量為 12 m3／h左右。南北地源井分集水器的溫度，如圖3所示，當天供入樓板埋管的溫度為18～19℃，回地源井的水溫為20～21℃，全天運行數據顯示南北地源井分集水器供回水溫度的波動很小，說明系統能夠穩定的承擔室內的冷負荷，使室內溫度保持在合理的波動范圍，提高了室內的舒適度。

圖1 室內及熱泵供水溫度圖

4 空調系統運行能耗

4.1 夏季能耗

根據記錄的數據，可得到2013年夏季5月 8日至9月 11日空調系統的運行電耗，并計算了整個夏季該空調系統各設備的用電量，各設備中熱泵機組及樓板埋管系統閉式泵所占耗電比例最大，其中南地源熱泵用電量為6421.19 kWh，北地源熱泵用電量為9471.43 kWh，樓板埋管系統閉式泵用電量為5006.52 kWh。在實際運行中，充分利用了濟南市現行的階梯電價政策，根據不同用電時段的電價差別來進行制冷和制熱，由于谷電電價為0.327元／kWh遠遠低于其他時段的電價，而且該系統充分利用了谷電制冷，所以很大程度上節省了電費，圖4中所示夏季總用電量為25733.35 kWh，總電費為13058.96元，用電時段主要集中在谷電和平電時段，其中谷電用電量為18879.39 kWh占夏季總用電量的73.37%，電費為6173.56元。由以上數據可算得夏季空調單位面積用 電 量為 5.72 kWh／m2，單 位 面積 電 費 為2.9元／m2。

圖2 空調系統水流量圖

圖3 南北地源井分集水器溫度圖

4.2 冬季能耗

對2013年9月15日至2014年3月15日冬季空調系統的運行能耗進行了統計分析，計算發現空調系統主要設備為熱泵機組及樓板埋管系統閉式泵，其中南熱泵機組耗電為 20487.41 kWh，北熱泵機組耗電為18900.62 kWh，樓板埋管系統閉式泵用電量為 4086.48 kWh。冬季空調系統總用電量為50036.4 kWh，總電費為 20832.25元。冬季充分利用谷電制熱，整個冬季的分時電量及相應的電費可從圖5中看出，其中谷電用電量為 42475.92 kWh，占總電量的84.89%，谷電電費為13889.63元。經計算冬季空調單位面積用電量為 11.1 kWh／m2，單位面積電費為3.1元／m2。

圖4 夏季分時電量及電費圖

圖5 冬季分時電量及電費圖

4.3 與同類建筑的比較分析

將本建筑與其周邊的一棟面積、樓高及外形相似，圍護結構的材料相同，室內人員數量相差不大的辦公樓作比較，作為比較的辦公樓位于本建筑西側，建筑面積4300 m2，夏季供冷采用VRV空調系統，冬季供暖熱源采用市政蒸汽。

表 1 與其他辦公樓比較／（kWh·m-2）

由表1可知，本樓空調系統運行一年的單位面積耗電量要比附近的辦公樓節省50%左右，這是由于附近的這棟辦公樓采用了以VRV機組及市政蒸汽為冷熱源的空調方法，夏季運行時VRV機組及水泵都需要耗電，本樓在夏季冷負荷較小時采用地埋管直接供冷，只開啟樓板埋管系統閉式泵，同時VRV屬于屬于風冷行機組，其 COP在 3左右，低于地源熱泵機組的COP，而本樓則是采用復合空調系統，冬夏季都采取了比較合理的控制策略，充分的利用了地下淺層地能這種低品位的能源，并且在谷電時為建筑蓄冷（蓄熱）既滿足了供冷、供熱的需求，又使得系統的運行費用及能耗明顯降低。

5 結論

通過研究可知：

（1）本建筑所采用的地源熱泵水蓄能復合系統與其他系統相比耗電量低且運行費用也較低，夏季直接利用地埋管群在冬季蓄的冷，從而節省了夏季空調電力的消耗。同時充分利用谷期電力，將部分峰期的用電需求轉移到谷期，對緩解高峰時段電網壓力，提高低品位能源利用率和保護環境都將有巨大的社會經濟意義。

（2）通過實際監測使用該方案可以滿足辦公人員的空調需求，夏季辦公時間室內溫度在24～26℃，濕度在60%左右，空調系統單位面積用電量為16.82 kWh／（m2·a），單位面積電費為6元／（m2·a），遠低于同類建筑。對辦公類建筑空調系統的設計及運行提出了新的思路和方法，采用該復合系統可以作為辦公類建筑空調系統實現節能減排一個很好的借鑒。

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（學科責編：李雪蕾）

Analysis of combined ground-source heat pump and water energy storage systems operation

Su Shenbo1，Zhang Linhua1，2，3*
（1.School of Thermal Energy Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Renewable Energy Utilization Technology in Building of National Education Ministry，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；3.Shandong Provincial Key Laboratory of Building Energy-Saving Technology，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

Composite air conditioning system is the effective way to realize the energy-saving of buildings.Taking an office building in Jinan City as an example，the paper introduces the combined ground-source heat pump system in the building，analyzes the monitoring data，and studies the operation effect of the system and the energy consumption.The results show that the operation effect of the composite system is good by using ground sink direct cooling system and energy storage technology.In summer the indoor temperature can be kept at a temperature of 24-26℃.Compared with a similar building in the similar area，floor height，number of office staff and same building envelope materials，the electricity consumption and electricity are significantly reduced.In 2013，the electricity consumption of air conditioning system is 16.82 kWh per unit area and the charge of electricity is 6 yuan per unit area.This composite air conditioning system has a certain significance reference for the realization of green building.

water energy storage；ground-source heat pump；energy conservation；low grade energy

TU83

A

1673-7644（2015）03-0249-06

2014-12-08

山東省科技發展計劃項目（2012GGX10416）

蘇莘博（1990-），男，在讀碩士，主要從事空調蓄能方面的研究.E-mail：sushenbo＠163.com

*：張林華（1965-），男，教授，博士，主要從事建筑節能及可再生能源利用技術研究.E-mail：zhth0015＠sdjzu.edu.cn