地源水環熱泵工程實踐

王建奎 潘軍 邱建華 陸麟 李井會

浙江省建筑科學設計研究院有限公司

為解決集中式地源熱泵使用不便的缺陷，借鑒多聯機的成功經驗和水環熱泵的系統形式，行業中出現了一種地源水環熱泵空調系統，利用地源作為水環熱泵的冷熱源替代部分常規冷熱源是該系統的主要特點。該系統不僅能使用淺層地熱的可再生能源，保持了系統較高的能效比，而且能方便地由末端用戶決定使用時間，如控制得當，無論使用者數量多少，均能保持較高的效率，具有調節靈活、方便，便于管理和收費等優點，是一種值得推廣的地源熱泵應用形式。

1 地源水環熱泵設計要點

1.1 系統形式的選擇

地源水環熱泵空調系統是一種由數量眾多、形式各異的水源熱泵機組，通過一套兩管制共用水環路并聯連接起來，以共用水環路中流動的循環水為介質，以集中式地源換熱器為冷（熱）源的空調系統[1]。圖1為地源水環熱泵基本形式。

圖1 地源水環熱泵基本形式

當空調房間需要供暖時，設在該空調房間的水源熱泵機組按供熱模式運行，機組從兩管制共用水環路中吸取熱量，向房間送熱風。當空調房間需要供冷時，則按制冷模式運行，機組向兩管制共用水環路排放熱量，向房間送冷風。當整個系統中有一部分房間需要供冷而另一部分房間需要供暖時，則按制冷模式運行的水源熱泵將向共用水環路排放熱量，而按供熱模式運行的水源熱泵機組，從共用水環路中吸取熱量，從而達到有效利用房間內余熱的目的。

地源水環熱泵的特點之一是以淺層地熱能替代常規能源，因此設計時需根據項目情況計算冷熱負荷，基礎負荷運行時使用地源熱泵，尖峰負荷時使用常規冷熱源和地源熱泵聯合運行，構成復合冷熱源系統，以最大限度地發揮地源熱泵的節能減排優勢。地源熱泵換熱器容量可按冬季工況或夏季工況設計，當項目所在地淺層地熱能資源有限，不能完全滿足冬季工況或夏季工況需求時，也可按最優性價比容量設計，其余的負荷由常規能源滿足。

共用水環路根據建筑特點和水環熱泵機組的布置形式可使用一級泵系統和二級泵系統（圖2）。其中一級泵系統適用于末端水力平衡較好的系統，二級泵系統適用于各末端水阻力相差較大的系統，此時由一級泵克服主管路的水阻力，各二級泵克服各支管路的水阻力。

圖2 二級泵系統基本形式

1.2 水環路流量控制

水力平衡是地源水環熱泵系統需要解決的最關鍵問題。風機盤管水系統的水力失調會導致空調末端的冷熱不均勻，不僅影響空調效果，水環熱泵水系統的水力失調，將導致熱泵機組不能正常運行，進而不能向空調用戶供冷或供熱。

水力平衡分靜態水力平衡和動態水力平衡[2]。靜態水系統平衡調試是在滿負荷工作狀態下，采用比例法和補償法等水力平衡調試方法，參照實際測定的運行流量，調整系統中平衡閥門的開度，并不斷整定，最終使得末端區域實際流量與設計流量取得一致的過程，是解決靜態水力失調的一種工程方法。靜態水力平衡調試是水環路流量控制的基礎，也是大部分工程不被重視，導致系統不能正常運行的主要原因之一，是施工過程中不可或缺的重要環節。動態水力失調是在系統運行過程中產生的，在部分符合工作狀態下，由于控制需要，某些末端設備閥門開度發生改變，從而引起互擾，影響到其他末端設備流量偏離設計值的現象。以下著重討論部分負荷工況下共用水環路流量的調節方案。

1）壓差變流量控制

部分負荷時，停止運行的部分水源熱泵將末端水路電動二通閥關斷，會使系統壓差升高，此時通過調整供/回水干管之間的壓差平衡閥，維持恒定的供/回水干管壓差，在水平衡調試良好的前提下，即可滿足水環熱泵的需要流量。這是目前工程設計中應用最多的一種方案，也具有較好的安全性，但該方法不能用于循環泵的控制，通常壓差平衡閥具有較大的旁通流量，不利于節省泵耗。

2）溫差變流量控制

地源側換熱器供/回水溫差宜穩定在5℃左右，過小的溫差帶來較大的泵耗，過大的溫差使換熱效果變差，此時可通過變流量控制改變循環泵的流量，保持地源測換熱器供/回水溫差穩定。溫差變流量控制沒有考慮系統管網特性，可能會造成供水壓力不足。因而壓差變流量控制與溫差變流量控制需聯合使用，控制需先保證系統的安全性，即保證水源熱泵機組的壓差優先，其次使共用水環路的循環泵耗降為最小。

1.3 水環路水溫控制

環路水溫對水源熱泵機組的效率和容量都有相當大的影響。地源水環熱泵中使用的熱泵機組形式按冷（熱）源類型可分為水環式水源熱泵機組，地下水式水源熱泵機組和地下環路式水源熱泵機組。各類型水源熱泵機組正常工作的冷（熱）源溫度范圍如表1[3]：

表1 水源熱泵機組水源側水溫

對地下環路式系統，設備安全允許的環路水溫制冷工況應在10～40℃，制熱工況應在-5～25℃，考慮到制冷工況水溫超過33℃時能效與冷卻塔系統相當，制熱工況水溫低于7℃時需添加防凍劑，因此出于節能和安全的考慮，建議共用環路設計水溫控制在10～33℃之間。

對于不帶中間換熱器的一次泵系統，共用水環路始終與地源換熱器保持換熱，因此大部分時間水溫總能滿足水源熱泵機組需要。當系統在尖峰負荷運行，水溫超出設定范圍時，系統應啟動輔助冷源或輔助熱源，以保持共用水環路水溫滿足設計要求。

對于帶中間換熱器的二次泵系統，先開啟二次泵，當共用水環路水溫超出設定范圍時，開啟一次泵，與地源換熱器進行熱交換，水溫恢復后再關閉一次泵。同樣當系統在尖峰負荷運行，地源換熱器不能滿足需要時，需投入輔助冷熱源。由于大部分時間系統處于部分負荷運行，一次泵間歇開啟，也可節省大部分循環泵耗。

1.4 室內機噪聲控制

由于每臺水環熱泵機組均自帶壓縮機、風機等機械運動部件，通常又直接安裝于室內，噪聲問題也是該系統不能得以大面積推廣使用的主要障礙之一。

水源熱泵機組（Q<5 kW）噪聲一般要求控制在67 dB(A)以下，隨著熱泵技術的發展，大部分廠家生產的水源熱泵機組（Q<5 kW），噪聲可控制在60 dB(A)以下，通過合理的工程降噪設計措施，一般可滿足室內50～55 dB(A)噪聲要求。需要提醒的是，設計師必須針對室內噪聲要求和水環熱泵系統應用形式進行噪聲振動專項設計。

一般來講工程上可以采取以下降噪隔振措施：

1）水源熱泵機組安裝時設專門的減振彈簧。

2）水源熱泵機組安裝的吊頂內或機房內加裝吸聲材料。

3）加裝消聲風管或消聲彎頭，以避免壓縮機噪聲直接傳至室內。

2 工程案例

2.1 設計概要

示范工程為浙江杭州某辦公與展覽類公共建筑，建筑面積2.2萬m2，由七棟獨立的2～3層建筑組成。工程采用集散式地源熱泵空調系統，地下埋管換熱器采用垂直埋管方式，由于冬夏季總的冷、熱負荷全年不平衡，本工程采用復合式冷熱源系統，即帶輔助散熱設備（冷卻塔）。室內空調采用分散式水源熱泵機組，每個空調末端單獨電量計費，便于運行管理，也給節能運行提供了條件。冷卻塔和循環水泵電費單獨計量，費用公攤。圖3為示范工程地源熱泵原理圖。

圖3 示范工程地源熱泵原理圖

1）空調冷、熱負荷：經計算，夏季尖峰負荷1550 kW，冬季尖峰負荷960 kW，地埋管承擔基礎負荷960 kW。

2）空調系統冷、熱源：采用地源熱泵，夏季地埋管冷卻側進出水溫度為35/30℃，冬季為5/10℃。夏季輔以冷卻塔，冷卻塔冷卻水進出水溫度為37/32℃。冬夏季采用手動轉換。

3）地下耦合管：根據土壤熱物性測試結果，打井深度為60 m，井數為267個，井徑130～150 mm，單U管布置，管徑D32，有效管長32000 m（圖4）。

圖4 示范工程地源熱泵系統埋管位置示意圖

4）空氣處理方式：辦公室、展廳等采用分離式冷（熱）風型地源熱泵，室外機布置在走道，室內機布置在室內，有效避免壓縮機噪聲傳入室內。

5）空調水系統：地源側空調循環泵采用變頻運行，采集供回水溫度信號進行控制。冷卻塔空調循環泵為定頻運行，采集供回水溫度信號進行啟停控制。地源側換熱器和室內水環路之間采用了板式換熱器隔開。

2.2 運行效果測試

1）室內溫度：2017年夏季，筆者對該系統的使用效果進行了測試，其中室內溫度測試選取正在使用的B棟辦公展覽建筑，測試選取4個典型辦公區域，測試位置為距地1.5 m處，測試時室外平均溫度35.5℃，室內溫度測試結果見表2：

表2 室內溫度測試

表3 系統能效比測試

2）系統能效比：測試時 A、B、F、G 棟正常使用，其它建筑未投入使用。經統計，投入使用建筑安裝制冷量4.1～8.4 kW冷熱風型水環熱泵共169臺，測試時投入使用水環熱泵機組平均開啟率為58.6%，總制冷量約835 kW（按銘牌值推算），總功率約204 kW，地源熱泵換熱站內地源測開啟15 kW循環水泵2臺，工頻運行，用戶側開啟35 kW循環水泵2臺，變頻運行，測試結果見表3。

由表3可得：測試時，平均系統能效比為3.09。

3）室內噪聲：測試時選取未裝修無人辦公的E棟辦公建筑，吊頂標高為3.2 m，吊頂內安裝冷熱風型水環熱泵，吊頂形式為格柵型，筆者對其中4臺水環熱泵進行了噪聲測試，測試時壓縮機開啟，測試位置為室內機正下方距地1.5 m處，測試結果見表4：

表4 機組噪聲測試

3 結語

地源水環熱泵系統解決了集中式地源熱泵系統末端使用不靈活的問題，同時因利用可再生能源，具有優良的節能效果，但系統存在對水平衡、機組噪聲要求較高等問題，需要設計者、施工者、使用者更精細化的對待，本文通過工程實踐，提出了若干應對措施，取得了較好的使用效果。希望更多的同行重視該系統，積極應用該系統，更多地發揮地源熱泵的節能減排效果。