湖南某項目復合式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)方案對比

邱昱榕

湖南省建筑設計院有限公司，湖南長沙 410082

在我國，歷年冷熱負荷統(tǒng)計均表明：大型辦公建筑等公用建筑中夏季供冷負荷大多都大于冬季供熱負荷[1]，尤其在南方夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)，冷熱負荷的差距導致了土壤冬季吸熱量遠遠小于夏季排熱量，久而久之影響環(huán)境溫度，降低了地下埋管的換熱能力，導致熱泵系統(tǒng)的循環(huán)效率下降，影響系統(tǒng)綜合能效及使用壽命[2]。為消除地下?lián)Q熱不平衡現(xiàn)象，一個切實可行的方法就是在地源熱泵系統(tǒng)基礎上增加輔助換熱設備及措施，構(gòu)成復合系統(tǒng)。

1 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)輔助換熱系統(tǒng)主要形式

綜合多年人們對地源熱泵系統(tǒng)的研究及實踐，其輔助換熱系統(tǒng)形式主要有以下幾種[3]：

（1）設置冷卻塔等輔助冷卻系統(tǒng)；

（2）設置生活熱水系統(tǒng)等相關(guān)供熱系統(tǒng)；

（3）太陽能地源熱泵聯(lián)合供冷供熱系統(tǒng)。

其中，前兩類系統(tǒng)主要應用于夏季負荷大于冬季負荷的情況。第一類系統(tǒng)是按冬季負荷或夏季部分負荷設計地下埋管換熱器，當夏季高峰負荷下地下?lián)Q熱器換熱量不夠時，通過設定好的控制形式適時的開啟輔助冷卻系統(tǒng)，以達到設計要求（圖1）。

圖1 冷卻塔和地埋管換熱系統(tǒng)的組合方式

第二類系統(tǒng)的原理是空調(diào)系統(tǒng)承擔更多的供熱負荷，把空調(diào)熱負荷以外的熱需求系統(tǒng)納入到冷熱源系統(tǒng)當中，從而縮小夏季排熱量和冬季吸熱量的差距，實現(xiàn)冷熱平衡。

最后一種系統(tǒng)主要應用于寒冷及嚴寒地區(qū)等冬季換熱量大于夏季換熱量的地區(qū)，它的原理是在地源熱泵的基礎上增加太陽能供冷或供熱系統(tǒng)，控制太陽能輔助設備的供冷或供熱比例，從而使熱泵運行處于冷熱平衡狀態(tài)[4]（圖2）。

圖2 太陽能—地源熱泵聯(lián)合供熱供冷系統(tǒng)原理圖

2 復合式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)實際應用方案

本文選用湖南省益陽市某辦公樓作為實際案例，進行復合式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)方案設計及可行性對比。該項目屬于典型的夏熱冬冷地區(qū)，該地區(qū)太陽能資源不足以支撐太陽能輔助功能系統(tǒng)。考慮到項目實際情況，本文主要對冷卻塔輔助冷卻系統(tǒng)及生活熱水系統(tǒng)方案在此項目的應用進行多方面的對比分析。

該項目建筑類型為辦公建筑，面積約10000m2，空調(diào)面積約為7400m2，建筑維護結(jié)構(gòu)均選用節(jié)能材料，冷指標取為100w/ m2。按最不利工況計算，夏季冷負荷為740kW，冬季熱負荷約400kW。根據(jù)項目情況，設置如下3個方案。

2.1 生活熱水系統(tǒng)

冷熱源采用單臺制冷量400kW，制熱量437kW的水源熱泵螺桿式機組（地下環(huán)路式）兩臺，同時承擔辦公樓的冷熱負荷及部分周邊居住建筑的生活熱水的熱負荷。地下埋管系統(tǒng)的長度按照夏季制冷最不利工況進行設計。

2.2 水冷機組加冷卻塔配地源熱泵系統(tǒng)

空調(diào)冷熱源選用制冷量400kW，制熱量437kW的水源熱泵螺桿機組（地下環(huán)路式）一臺，制冷量為430kW的水冷螺桿冷水機組一臺，冷卻塔采用規(guī)格為100t的低噪開式冷卻塔，匹配冷水機組運行。夏季時由冷水機組和熱泵機組共同承擔空調(diào)冷負荷，冬季由熱泵機組單獨承擔系統(tǒng)熱負荷（圖3）。地下埋管系統(tǒng)的參數(shù)按夏季單臺水源熱泵螺桿機組滿負荷運行下的換熱量進行設計計算。

圖3 冷水機組加地源熱泵復合式系統(tǒng)

2.3 冷卻塔與地埋管復合換熱系統(tǒng)

選冷熱源采用單臺制冷量400kW，制熱量437kW的水源熱泵螺桿式機組（地下環(huán)路式）兩臺，共同承擔大樓的空調(diào)冷熱負荷，冷卻塔與地埋管并聯(lián)設置，冷卻塔可采用開式冷卻塔加板式換熱器與地埋管間接連接，或閉式冷卻塔直接連接的形式。本方案采用規(guī)格為200t的閉式冷卻塔直接并聯(lián)地埋管系統(tǒng)，共同負責夏季排熱。地埋管參數(shù)按冬季最不利工況設計。

考慮當?shù)貧庀髤?shù)及建筑使用特點，本項目夏季設計供冷季節(jié)計算時間為120d，冬季供熱季節(jié)計算時間為60d，除制備生活熱水，空調(diào)系統(tǒng)日使用時間為12h。

3 方案可行性分析

3.1 生活熱水系統(tǒng)

本方案通過承擔生活熱水系統(tǒng)負荷，增加熱負荷的方式實現(xiàn)冷熱平衡，按照空調(diào)最大負荷工況，夏季最不利工況設計地埋管長度。此方案考慮到機組同時進行空調(diào)供冷及供生活熱水的效率較低，因此設計系統(tǒng)提供生活熱水的時段為過渡季節(jié)，及單臺機組足以滿足供冷供熱負荷的冬夏季部分負荷工況，由不提供空調(diào)負荷的空閑機組承擔生活熱水的熱負荷。

該方案下夏季埋管換熱量計算為：

式中：Q冷—空調(diào)系統(tǒng)夏季地埋管總換熱量（kJ）；

q冷—夏季地埋管換熱單位時間換熱量874kW；

C季—空調(diào)供冷季平均系數(shù)，取0.6；

C日—空調(diào)供冷日平均系數(shù)，取1.0；

T—空調(diào)系統(tǒng)供冷年運行時間（h）；

將數(shù)據(jù)代入公式（1）可得全年夏季地埋管換熱量為2.72×109kJ。

冬季埋管換熱量計算為：

式中：Q熱—空調(diào)系統(tǒng)夏季地埋管總換熱量（kJ）；

q熱—夏季地埋管換熱單位時間換熱量400kW；

C季—空調(diào)供熱季平均系數(shù)，取0.6；

C日—空調(diào)供熱日平均系數(shù)，取1.1；

T—空調(diào)系統(tǒng)供熱的年運行時間（h）；

將數(shù)據(jù)代入公式（2）可得全年夏季地埋管換熱量為6.8×108kJ。

計算可得空調(diào)冬夏季換熱量的差值為2×109kJ。則單臺熱泵機組生活熱水工況下的開啟時間為：

其中，q熱水為機組在生產(chǎn)生活熱水的工況下，地埋管的單位時間換熱量400kW。

計算得出單臺機組制備生活熱水的開啟時間約為1388h，假定機組生活熱水工況下為24h運行，則機組運行天數(shù)約需要57d，小于空調(diào)過渡季節(jié)天數(shù)，因此在生活熱水需求量足夠大的情況下，此方案可以實現(xiàn)地埋管冬夏季換熱平衡。

本方案通過增加系統(tǒng)熱負荷的方式實現(xiàn)冷熱平衡，除空調(diào)系統(tǒng)外，還承擔了部分生活熱水負荷，充分地利用了地下?lián)Q熱形式，能量利用較為高效，在很多大型地源熱泵項目中得到了普遍應用。但針對本項目而言，冬夏季冷熱負荷相差太大，夏季換入地下的一半熱量都要通過機組生活熱水工況下取出。但生活熱水的一次換熱溫度要求較高，制備的熱水仍需要一個再加熱的過程。本系統(tǒng)地埋管長度是按冬季工況計算的2倍，而在地源熱泵系統(tǒng)中地埋管的成本占空調(diào)系統(tǒng)的初投資的一半以上。因此本方案為實現(xiàn)冷熱平衡，造成系統(tǒng)初投資過大，且生活熱水作為輔助工況，相對而言能效并不太高，較其他方案而言多出的成本并不亞于單獨設置一套高效的熱水生產(chǎn)系統(tǒng)的成本。因此該方案針對本項目并不適用。

3.2 水冷機組加冷卻塔配地源熱泵系統(tǒng)

該方案下冬季的地埋管換熱量計算同方案一，為6.8×108kJ。根據(jù)冬季地埋管換熱量反算冷熱平衡工況下夏季熱泵機組的開啟時間。由公式（2）計算可得水源熱泵螺桿機組夏季工況的開啟小時數(shù)為720h，辦公樓每天運行時間按12h計，則熱泵機組在夏季需運行60d才能達到冷熱平衡，若運行時間超出很多，則該方案無法實現(xiàn)冬夏季冷熱平衡。

綜合上述結(jié)果，此方案實現(xiàn)冷熱平衡的前提是在夏季高峰負荷下，兩臺機組同時開啟的時間不大于60d，否則夏季打入地下的熱量可能會大于冬季取出的熱量。益陽地區(qū)屬于夏熱冬冷區(qū)域，夏季溫度較高，夏季高峰負荷的天數(shù)是有可能大于60d的，由此可見該方案并不能完全的保證冬夏季冷熱平衡。

該方案較上一種方案相比，地埋管用量減少很多，初投資較低。但由于本項目冬夏季負荷相差過大，采用冷水機加冷卻塔復合系統(tǒng)雖然能夠減小夏季地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱量，但并不能完全保證冬夏季冷熱平衡，若考慮余量加大冷水機組比重，則一定程度上喪失了地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢，且造成能源浪費。

3.3 冷卻塔與地埋管復合換熱系統(tǒng)

該方案兩臺主機共同承擔冬夏季冷熱負荷，在冬季供熱工況下單臺機組供熱量滿足冬季熱負荷需求，兩臺機組可交替運行，使得機器充分保養(yǎng)。在夏季制冷工況下則可以根據(jù)室外環(huán)境及室內(nèi)負荷，分別控制地埋管及冷卻塔換熱。

由前兩個方案的分析可以得出，本方案在冬季換熱量確定的情況下，若要滿足冬夏季地埋管換熱量平衡，需要單臺機組夏季工況下利用地埋管換熱60d。而本方案的冷卻塔規(guī)格匹配兩臺機組同時換熱，因此只需要夏季供熱工況的天數(shù)大于60d，即可滿足冷熱平衡的要求，夏季多出的換熱量均可通過冷卻塔換熱。

本方案與前兩個方案相比，初投資比方案一減少很多，與方案二相差不大。但與方案二相比，可以相對更精確的保證系統(tǒng)的冷熱平衡，本方案可以通過能量計檢測每年地埋管換熱器排入及取出的熱量，通過熱量差反饋控制冷卻塔開啟時間，保證土壤溫度恒定，使系統(tǒng)具有更好的能效和更長的使用壽命。

綜上所述，綜合考慮各種系統(tǒng)方案的經(jīng)濟性、能效性、可調(diào)性等可行性，在該項目中應用方案三最為合理，并在實際運行中得到印證。

4 結(jié)語

本項目綜合現(xiàn)場條件、氣候特點及負荷特性等，采用復合式地源熱泵系統(tǒng)的空調(diào)形式，并設計對比了多套復合式地源熱泵系統(tǒng)方案，采用了最優(yōu)的方案，并較好的滿足了使用要求。項目采用了復合式地源熱泵（冷卻塔+地埋管換熱器）系統(tǒng)，該系統(tǒng)中冷卻塔不僅在峰值負荷下減小了地埋管換熱壓力，也很好的調(diào)節(jié)了冬夏季地埋管對土壤換熱平衡，從而提升了系統(tǒng)的能效及使用壽命，并且該系統(tǒng)可以減少地埋管換熱器的數(shù)量，減小初投資消耗，值得推廣應用。