集中設置空氣源熱泵在學校建筑中的應用分析

王 海 亮

(中鐵十七局集團有限公司勘察設計院，山西 太原 030032)

1 概述

近年來，隨著新的壓縮機技術、變頻技術的技術革新，已經把空氣源熱泵的適用范圍擴展到-20的低溫環境，這使得空氣源熱泵在絕大多數地區都可以作為高效的電熱轉換方式，為建筑提供熱源[1]，同時在清潔取暖趨勢的大潮下，空氣源熱泵在北方寒冷地區的利用率越來越高[2]。近期，筆者對太原周邊的幾個空氣源熱泵的項目進行了回訪，業主反映效果良好，但也發現空氣源熱泵在單棟建筑分散設置的較多，集中設置的較少，集中設置僅供熱的多，兼顧供冷的少，即使兼顧了供熱供冷，也實現不了循環水泵與熱泵機組的聯動，不能節能運行。針對這些問題，本文對學校的空氣源熱泵進行了分析研究。

2 學校概況及負荷分布

學校總圖示意如圖1所示，項目位于山西太谷，總用地面積131 958.01 m2，總建筑面積127 736.77 m2，其中改建建筑面積7 373.75 m2，新建建筑面積120 363.02 m2(含地上建筑面積為118 869.12，地下建筑面積1 493.90)，容積率為0.99，地塊內一棟既有L型建筑，建筑功能為既有食堂和小學活動用房，面積分布詳見表1，校區內建筑高度最高的公寓樓為39.45 m，其次為7層的行政辦公樓30 m，其余層數均不大于6層，建筑高度均小于24 m，建筑節能均滿足現行建筑節能標準[3]。根據功能區的不同，把學校分成教學區、公共服務區、食堂區、宿舍區、公寓區與配套用房區。宿舍、公寓僅考慮供熱，教室、行政辦公、體育館、圖書館、食堂、教室在供熱的同時考慮夏季供冷，按單體進行負荷計算，具體冷熱負荷詳見表1。

表1 學校面積分布及負荷分布表

學校附近無市政熱源，經權衡判斷采用低溫空氣源熱泵冷熱水機組(以下統稱機組)作為校區的冷熱源。單臺機組規格為：額定制冷量為134 kW(環境溫度35 ℃，冷水出水溫度7 ℃)，額定制熱量為156 kW(環境干球溫度7 ℃，濕球溫度6 ℃，熱水出水溫度45 ℃)，工況一制熱量為96 kW(環境干球溫度-12 kW，濕球溫度-14 ℃，熱水出水溫度41 ℃)。太谷處于寒冷A區(冬季室外空氣調節溫度-12.8 ℃，相對濕度為50%，冬季室外供暖溫度-11 ℃)，機組制熱量折減系數較大，通常在0.65左右，可以采用工況一制熱量作為選型依據。

3 分散設置方案

分散布置是在每棟樓屋頂單獨設置機組及水泵房，流程圖見圖2，該方案可實現每棟樓單獨控制及時間段控制，并能滿足不同樓棟的供暖和供冷需要。方案采用變流量一級泵系統，由機組自帶控制系統通過回水溫度控制機組個數啟停，循環水泵在系統運行時需連續工作，不能根據負荷變化調整循環水泵的運行臺數。學校單體機組臺數詳見表1，總計101臺，去除公寓區和配套用房，共計86臺。

4 集中設置方案

考慮到公寓區和南部配套用房區需24 h供暖，寒假期間不停暖，用電、水單獨計量，若統一熱源，節能將大打折扣，因此兩個區域分別單獨設置空氣源熱泵系統。其余區域統一在行政辦公樓樓頂設置集中能源站，由于冬季教學區、公共服務區、食堂區與宿舍區不同時使用，可以將宿舍區和教學區的熱負荷進行折減，不使用區域熱負荷按室內溫度5 ℃的值班采暖進行計算。于是形成了四種工況的四種負荷，分別為：1)夏季工況，教學區、公共服務區、食堂區供冷，宿舍區不供冷，冷負荷為7 602.9 kW。2)冬季白天工況，教學區、公共服務區、食堂區供暖，宿舍區值班供暖，熱負荷為6 108.4 kW。3)冬季夜間工況，宿舍區供暖，教學區、公共服務區、食堂區值班供暖，熱負荷為3 372.1 kW。4)冬季防凍工況，宿舍區、教學區、公共服務區、食堂區值班供暖，熱負荷為2 753.0 kW。為滿足不同工況1～4的需求，依次需要機組為57臺，64臺，36臺，29臺，因此考慮最不利工況，采用64臺機組作為熱源，流程詳見圖3。

5 集中設置節能運行策略

集中設置方案采用變流量一級泵系統，將64臺機組設置為8組，每組8臺，設置9臺水泵，8用1備，水泵與機組組數一一對應，當旁通管內水量達到一組水泵的流量時，停止一組機組和一臺循環泵工作，當旁通管內水量未達到一組水泵的流量時，由機組自帶控制系統通過回水溫度控制機組啟停。宿舍區、公共服務區、食堂區、教學區分成不同的回路，以實現分時段控制和制冷制熱工況控制，具體工況1～4運行策略如下：1)夏季工況：關閉宿舍區的閥門，其余回路全開，開啟7組的水泵和機組，并根據實際使用時間，開閉其余回路(分時段控制)，并根據旁通水量、回水溫度開啟或關閉相應組數的水泵和機組。2)冬季白天工況：減小宿舍區的閥門開度，其余回路全開，開啟8組水泵和機組，并根據實際使用時間，開閉其余回路(分時段控制)，并根據旁通水量、回水溫度開啟或關閉相應組數的水泵和機組。3)冬季夜晚工況：全開宿舍區的閥門，減少其余回路開度，開啟5組水泵和機組。并根據旁通水量、回水溫度開啟或關閉相應組數的水泵和機組。4)冬季防凍工況：全開各回路閥門，進行值班供暖，開啟4組的水泵和機組。該運行策略不僅考慮了不同典型工況下的運行，還考慮了部分負荷下，機組與水泵的聯動啟停，在滿足使用要求的情況下，最大限度的減少了能源的消耗。

6 集中設置優勢分析

1)初投資方面：集中設置需要敷設室外供暖管網，相較分散設置需增加室外管網費用，但集中設置減少了22臺機組，減少了機組費用，同時分散設置需要循環水泵、軟化水設備、水箱、補水定壓裝置均要在每棟樓上配備，綜合考慮學校建筑單體間距較小，因此在初投資方面集中設置略低于分散設置。2)維護管理方面：分散設置方案維修較為分散，不便于管理，而集中設置機組集中控制，便于學校統一管理，同時機組互為備用，增加了系統運行的安全系數，減少維護頻次，因此采用集中設置較為合理，優勢明顯。3)節能運行方面：分散設置系統水容量較小，機組需要頻繁啟動，節能性能降低。分散設置同時開啟泵較多，即使值班供暖也需要水泵全開，不能調節水泵的開啟數量。和集中設置運行策略對比，集中設置較分散設置更為合理，優勢明顯。4)建設方面：分散設置不受樓棟施工前后順序的影響，而集中設置受此方面影響嚴重。就該項目而言，學校首先建設行政辦公樓，因此集中設置同樣適合該項目。從以上這四個方面對比可知，該學校項目更適合使用集中設置方案，優勢明顯。

7 總結及不足

1)機組集中設置能實現機組與水泵的聯動啟停，在滿足使用要求的情況下，最大限度的減少了能源的消耗。2)針對該項目，機組集中設置較為適合，優勢明顯，但在不同的項目中，要綜合考慮建筑單體之間的密度、管理模式、建設順序等情況，合理選擇不同的機組設置方式。3)該項目仍有很大的初投資節省空間，因為冬天白天運行工況室外氣溫較高，若采用能耗軟件進行能耗模擬，可進一步減少機組的設計臺數，進一步減少初投資。4)由于熱量在傳遞過程中存在滯后性，因此機組集中設置需要經過幾個供暖季和供冷季的運行，才能總結出閥門開度及開啟的時間，以達到節能與舒適之間的平衡，因此機組集中設置對運維人員的要求較高。