地源熱泵系統在校園建筑中的應用分析

龐治霞

【摘要】本文以濰坊市某體育學校為例，利用校園建筑空調負荷存在明顯的錯峰、間歇使用的特點設計采用地源熱泵的機房及地埋管換熱器系統，用于對室內中央空調系統供冷、供暖。后對地源熱泵中央空調系統的運行狀況進行跟蹤，從工程適用性、工程造價、運行費用、主要運行問題幾個方面入手進行分析論證，并提出可行性措施。從設計和運行兩方面論證了校園建筑的特點適合采用地源熱泵系統制冷、供暖。

【關鍵詞】地源熱泵;校園建筑;負荷錯峰;運行管理

利用淺層地熱能的地埋管地源熱泵系統具有綠色環保、污染小、節能、并且可以供冷供暖兼制衛生熱水“一機三用”的特點，有“綠色空調技術”的美譽[1]。校園內由于學校課程和作息時間的安排，教學類建筑和宿舍樓同時使用率較低，空調負荷存在明顯的錯峰、間歇使用的現象，這種負荷特點適合地源熱泵系統的運用。本文運用工程實例分析了地源熱泵系統設計和運行管理并提出可行性措施。

1 、工程概況及建筑冷熱負荷

濰坊市某體育學校，位于濰坊濱海開發區，學校用地面積442225㎡，建筑總面積167192㎡。校園內建有21棟樓，包括綜合辦公樓，教學樓4棟，圖書館，食堂，學生公寓5棟，訓練競技場館7棟，能源中心，康復中心及教職工公寓。教職工寓采用低溫熱水輻射供暖，其余建筑采用風機盤管+新風系統。總建筑冷負荷14830kW，熱負荷14044kW。

學校各個建筑的使用時間嚴重錯峰：教學類建筑如教學樓與訓練競技場館在白天上課訓練用，學生公寓午休和晚間使用，食堂僅為間歇性早中晚就餐時間使用，綜合樓白天使用，教職工公寓全天使用。建筑分時段使用決定了建筑的負荷特點——逐時疊加負荷的最大值比各個建筑負荷相加的最大值小的多[2]。

按照逐時疊加負荷的最大值選配地源熱泵機組，增大了熱泵機組的裝機容量;負荷錯峰的建筑共用一套地埋管系統，從根本上降低地埋管的數量且有助于地下回灌的熱量與提取的熱量保持相對平衡，對維持地下巖土長期溫度平衡有利。故而從地源熱泵機房和地埋管系統兩方面都可減少工程造價與運行費用。學校建筑規模大，從系統后期易操作好維護管理考慮，分為三個獨立的地源熱泵空調系統置于各區。各系統負擔建筑及逐時疊加后冷熱負荷如下表1：

2、地源熱泵機房設計

機組采用高壓螺桿式地源熱泵機組，機房一采用兩臺SM（LM）-500DG;機房二、三各采用三臺SM（LM）-500DG，單機制冷量/制熱量：1629kW/1560kW，夏季空調供回水7℃/12℃，冬季空調供回水45℃/40℃;地源側夏季冷源水25℃/30℃，冬季熱源水8℃/3℃。熱泵機組與空調水循環泵、地源水循環泵一一對應設置，循環泵冬夏共用。空調側采用循環泵壓差旁通控制變流量系統。地源熱泵系統原理圖如圖1示。

3、地埋管換熱系統設計

本項目系統開機運行份額較小，根據巖土熱物性實驗，每米孔深按釋熱量ql= 52w/m，取熱量qr=42w/m確定地埋管數量。

作為一所體育學校，具有占地11萬平方米的運動場，可將地埋管換熱器群布置在運動場，并分為三個區域。區域一位于競校網球場，鉆孔數量672孔，承擔系統一冷熱負荷;區域二位于籃球訓練場與足球訓練場，鉆孔數量804孔，承擔系統二冷熱負荷;區域三位于橄欖球訓練場，鉆孔數量762孔，承擔系統三冷熱負荷及系統二部分冷負荷;總計鉆孔數量2238孔。地埋管水平主干管與室外各分集水器相連后接往機房。由于各集分水器所負擔地埋管數量基本一致，主管道進入機房路數和熱泵機組數量一致，每路地埋管所負擔可滿足一臺熱泵機組對冷熱源的要求。

4、主要運行問題分析及解決辦法

4.1主要運行問題分析

工程專門配置一套能源管理監測系統，可以運用計算機對系統中各部分設備以及軟件進行智能化控制和實時測控。對2018年7月份及2019年1月份各時間點空調供回水采集數據進行匯總分析發現，空調水及地源水大流量小溫差的現象一直存在。測試結果反映出整個空調水系統，實際供回水溫差比設計的5℃溫差低得多。對空調進出水溫分析也發現，夏季供水溫度比設計值高，而冬季回水溫度比設計值低。熱泵機組地埋管冬季最低進水溫度6℃，夏季進水溫度最高31℃，且運行過程中供回水溫差小于3℃。在冷熱源溫度范圍合理的情況下產生這樣的結果說明空調末端使用負荷小且空調水流量偏大。

（1）負荷配置大，學校現有在校師生1300余人。遠未達到5800余人的設計規模，而空調系統按照滿負荷配置，現在并未達到滿負荷運行。

（2）運行設備配置不合理：設計要求是按照設備一對一原則來運行空調系統。由于很多空調房間未開，不進行空調。機房熱泵機組及循環水泵只運行一半，即可滿足負荷要求。

而實際運行過程中出現了一臺熱泵機組對應多臺循環泵的情況——機組按照使用要求開啟，而循環泵全部開啟，違背了安全運行的原則又浪費了能源，不經濟。且熱泵機組進、出口閥門處于開啟狀態，部分循環水旁通到未開啟機組不僅沒能被制冷，反而增加了另外一臺循環泵的能耗，運行配置不合理。

從檢測數據分析， 循環水泵能耗占得比例非常大，占系統總用電量的40%～50%。與合理運行相比， 兩年來多耗費電160萬kWh。

4.2問題解決辦法

對運行設備進行合理配置，嚴格要求按照設備一對一原則來運行空調系統;空調末端滿足使用要求的狀況下，夏季提高空調供水溫度、冬季降低空調供水溫度、減少通過熱泵機組空調側的水流量、調整熱泵機組在高效負荷區（非滿負荷）運行。因為空調系統的各同類設備是按照同型號并聯配置的，并且都可以正常運行，所以開、關設備不用考慮設備型號來選擇關閉哪臺。且只運行一臺熱泵機組時，地源側集分水器周期性關閉其中一支循環管路，便于地溫恢復，提高熱泵機組的工作效率。

5、工程造價及運行費用分析

5.1工程造價分析

本工程地源熱泵機房系統造價781.37萬元，地埋管換熱系統造價367.42萬元，工程共計1148.79萬元，總建筑為167192m2，故單位面積造價68.71元/m2。遠低于常規設計的造價水平。

5.2運行費用分析

從圖4三年縱向分析，地源熱泵系統總用電量逐年增加，符合學校師生數量逐年增加，所需空調負荷不斷增大的現狀;從每年每月用電量分析，每年1月及7月或8月是用電高峰期，這與濰坊市外氣候有很大關系。

為便于比較分析運行費用，按照每年6月～9月為制冷季，11月15日～下年3月15日供暖季，學校電費為0.54元/KWh。如下表。循環水泵的開啟數量如按運行設備合理配置，兩年可節約電費84.6萬元。

5.3用水量分析

學校水費為3.2元/m3，2017～2018制冷采暖季用水量3812m3/h，用水費用12199元;2018～2019制冷采暖季循環水泵總用水量為5167m3/h，用水費用16534元。

從水量變化可以看出：系統用水量增加趨勢明顯，用于冷熱水季節轉換、管件及閥門強度不夠等因素，漏水點增加，需配備專職維修人員定期巡檢，避免影響使用效果。

結論：

本項目從2017年1月開始運行至今已歷經兩個采暖季和兩個制冷季。得出以下結論：

①空調系統整體運行較平穩、正常，室內空調各項性能指標均達到或優于設計要求，冷熱源主機設備及地埋管換熱器系統運行良好。

②學校建筑使用錯峰的負荷特點適合采用地源熱泵供冷供暖，其工程造價明顯優于其他常規建筑地源熱泵系統造價。

③在系統未滿負荷運行的情況下，運行費用明顯尤于其他供冷、供暖形式，地源熱泵系統是值得大力推薦的節能、環保、低碳的技術。

④地源熱泵系統的運行過程中應按照運行策略合理匹配運行設備。

⑤加強提高管理人員的專業技術水平，完善系統管理制度，最大程度的發揮系統的節能潛力。

參考文獻：

[1]孫州陽，陳武.太陽能—地熱熱泵聯合循環技術研究[J].流體機械，2011，39（10）：67-71

[2]趙亞楠.地源熱泵在校園建筑中的適用性分析[D].山東：山東建筑大學，2013

[3]尚晶.某公共建筑暖通空調系統設計和運行分析[D].北京：北京建筑大學，2017

[4]康俊儒.某公共建筑空調系統能效實測與分析[D].北京：北京建筑大學，2017