地源熱泵系統與太陽能系統的綜合應用效果分析

王春蕾

摘 要：該文以北方寒冷地區工程為例，通過總結設計施工經驗，分析運行數據，旨在闡明公共建筑項目中，地源熱泵系統配合輔助系統，可獲得更加理想的節能效果。據此，提出配置太陽能系統的復合式地源熱泵系統，實現空調、采暖、熱水需求，有效提高系統的項目適用性及合理性。

關鍵詞：地源熱泵 太陽能 復合式 高效節能

中圖分類號：TU995 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）09（a）-0072-03

隨著國家大力推動及相關節能環保政策出臺，尋找替代 “高消耗、高投入、高污染”傳統落后用能的新型節能方案，已成為共識。

此項目作為首個國家級救援基地項目，定位于：“運行經濟可靠，設計低碳環保，體現技術先進”的建設目標，前期考證多種能源系統形式，以空氣為熱源，冬季低溫環境機組會出現頻繁融霜與運行不利。使用鍋爐采暖不符合環保要求。同時建設地周邊無可用地表水及處理污水，且城區內打井審批困難。在綜合分析可行性后，提出采用地源熱泵+太陽能的系統形式。

利用地源熱泵技術冬季吸收土壤及巖層蘊含的熱量，營造溫暖的室內環境。夏季將室內熱量排入土壤中，實現室內溫度的降低。太陽能熱水系統，在晴好天氣時，可滿足全部熱水需求。當其無法運行，熱水機組自土壤取熱提溫后供生活熱水。太陽能系統運行中可實現污染零排放。

通過以上系統建設，可滿足救援基地項目夏季空調、冬季采暖及全年生活熱水需求，經運行測算是一種較為經濟的系統形式。

1 項目概況

項目建設地河北省唐山市，占地面積122 948.15 m2，建筑面積59 872 m2。地埋管可用地面積為32 142 m2，包括體育場跑道、草坪、路面等區域。現有培訓樓、辦公樓、訓練館等為平頂建筑，可布置太陽能集熱模塊，且周圍建筑無遮擋，存采光及場地條件好。項目為新建，建筑功能涉及辦公樓、培訓樓、地下演練場、體育館及宿舍樓等。末端設備為風機盤管，有空調、采暖、日常生活熱水等需求。

2 系統方案介紹

2.1 負荷計算

夏季空調室內計算參數為溫度24 ℃～26 ℃，濕度40%～50%。冬季采暖計算參數為溫度18 ℃～23 ℃，濕度30%～40%。計算得冷負荷為5 988.4 kW，熱負荷為4 365 kW。

生活熱水主要滿足培訓樓接待及廚房使用，根據《建筑給水排水設計規范》GB 50015-2003（2009年版），按照不同功能選擇用水定額，且培訓樓與廚房用水時段獨立無疊加。計算得培訓樓小時熱水量qrh=9760 L，廚房qrh= 1771.9 L，所需日熱水量為Qd=102.47 t，最大小時熱負荷為1 340.7 kW。

2.2 系統形式

選用系統型式：離心式熱泵機組+螺桿熱水機組+太陽能集熱板+儲熱水箱。

夏季離心式機組為空調供冷，冬季離心式機組為采暖供熱，當負荷低于單機容量30%，從經濟性考慮啟動螺桿式熱泵機組采暖。

生活熱水全年優先采用太陽能系統滿足，夏季離心機組熱回收作為補充，當受環境影響太陽能無法運行時，啟動熱泵機組供應熱水。

（1）空調（采暖）機組，2臺離心式熱泵機組，單臺制熱量3 106 kW，制冷量2 992.12 kW，用于夏季供冷冬季供暖，夏季可部分熱回收生產生活熱水。

（2）熱水機組，2臺螺桿式熱泵機組單臺制熱量為927 kW，可制熱水，冬季也可作為供熱調峰機組使用。

（3）地埋管換熱器，地埋管換器以巖土熱物性試驗數據為設計依據，勘測結果如下。（見表1）

說明：表1中的參數是根據冬季工況推算獲得，所選機組夏季標準工況為冷卻水，出水溫度35 ℃，測試過程按照國家規定執行。

由地勘實驗可知，地質層超過100 m為大塊鵝卵石，從工期及成本分析，打井深度定為100 m。綜合冬夏熱量平衡，計算得成孔數量為1 090口。采用垂直埋管方式。為采用三角形排布，井間距4 m。

2.3 太陽能系統

唐山地區太陽能全年輻射總量可達5 768 MJ/（m2·a），日照2 600～2 900 h。據現場條件，建筑頂部可布置太陽能集熱器約1 200 m2，理論運行天數為223 d（扣除雨雪陰天），計算日產熱水量為116 t，滿足日熱水用量。選用192組SLL-1500/50聯集管式太陽集熱器模塊，并配置專業PLC智能控制裝置。地源熱泵系統和太陽能系統的原理如圖1、圖2所示。

2.4 問題及解決措施

項目難點主要存在于系統設計和施工管理兩方面，負荷功能多變、控制距離遠、工期緊張成為突出矛盾，為此提出相應措施如下。

2.4.1 系統形式靈活，實現多功能備用

核心機組及輸配水泵均為同型，變頻運行一一對應。離心式機組與太陽能系統均可產生熱水，熱水機組供暖調峰，并備用。

2.4.2 PLC控制實現遠程切換，保證太陽能優先運行

PLC控制系統由太陽能系統和機房群控兩部分組成。

太陽能系統控制包括：（1）設備手動/自動切換功能；（2）定溫出水功能；（3）溫差循環功能；（4）自動上水功能；（5）漏電保護、防干燒、故障報警等。

機房控制包括換季閥門切換、設備聯動、系統間運行切換。通過檢測太陽能循環水泵在設定時段的運行情況，確定熱泵機組是否啟動。

2.4.3 離心機組熱回收合理運行

離心式機組采用三級變頻高效壓縮機，較高負荷運行時，可實現部分熱回收，有效回收冷凝器熱量，補充生活熱水，大大減少太陽能運行時間。

2.4.4 優化設備運行，提高經濟性

空調采暖工況：高負荷時優先采用離心式熱泵機組，低負荷時優先啟動螺桿機組，保證機組始終在較高負荷率運行。

熱水工況：優先運行太陽能系統，當不具備集熱條件時，啟動螺桿機組提供熱水，夏季離心式機組熱回收作為補充。

2.4.5 機房合理選址，地埋管換熱器分區布置

機房定在體育場看臺地下一層，貼臨配電中心，位于負荷中心。地埋管換熱器分為6個區，各區埋孔數量基本一致。由室外分集水器連接并設置獨立井室。水平連接管路采用同程布置。

2.4.6 實行一天雙會制度

由項目負責人組織召開，時間為7：00和22：00。早會安排當天工作內容，討論待解決問題。晚會聽取匯報，確定當天工程完成進度，為第二天工作安排提供參考。

2.4.7 人員配置嚴格遵循標準

項目組人員構成完備，制度嚴明。建立從上至下管理流程，保證問題及時反饋，不得越權處理，與考核、項目進度獎勵掛鉤。

2.4.8 采用先進設備技術縮短工期

地埋側打孔制定三班制24 h連續作業，選擇專業鑲齒鉆頭破碎成孔設備結合管徑De32單U埋管形式，降低施工難度及潛在壓癟隱患，并減少占地面積。

3 經濟性分析

按照電費0.7元/kWh計算運行費用。（見表2）

4 結語

地源熱泵系統是發展較為完善的節能系統，期間不斷吸收新的技術，以適應更加復雜的工況環境要求，通常冷熱負荷相對平均的地區適宜采用，對系統建設限制因素較少。在寒冷北方地區，系統建設時要充分考慮土壤熱平衡、凍結等問題，從保證換熱器換熱效果、系統穩定性角度出發，采取太陽能系統作為輔助系統，可有效提高系統運行能效，降低運行費用。

參考文獻

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[2] 余鑫，王如竹，翟曉強.豎直埋管地源熱泵系統研究進展[J].暖通空調，2010，40（2）：1-9.

[3] 建筑給水排水設計規范（GB 50015-2003）[S].2009.