地源熱泵系統實際應用中運行問題的解決方案

劉業彬

（江蘇天康能源環境工程有限公司，江蘇 無錫 214201）

1 工程概況

新增公寓前地源熱泵機房內已有地源熱泵機組1（制冷量552.5 kW/制熱量564.3 kW）和地源熱泵機組2（制冷量489.7 kW/制熱量520.0 kW），共2 臺。原機組2 為空調冷熱源；機組1全年運行提供生活用熱水。

新增公寓后改為地源熱泵機組1 為空調主用，夏、冬季運行，提供老綜合樓和新建公寓空調冷熱水；地源熱泵機組2 為熱水供應主用，全年運行，提供生活用熱水。如果夏、冬季空調出現高峰冷、熱負荷時，2 臺地源熱泵機組全部用于空調，浴池熱水及采暖在此期間不提供[1]。

2 運行使用狀況

根據現在空調使用情況知新大樓、老大樓都在滿負荷使用，現在的一號主機（制冷量552.5 kW/制熱量564.3 kW）為2 棟樓提供冷量、熱量，較總計算冷負荷相差42%，與熱負荷相差18%。2 號主機每天累計開啟時間8 h 左右制取熱水，空調24 h 使用，1 號主機幾乎24 h100%運行，產生空調效果達不到設計要求，生活熱水在使用高峰時，溫度偏低的問題。

根據運行幾年的綜合比較，以及售后人員對于地埋管供回水溫度反映，在新增加公寓當年，地埋管供回水溫度提升了4 ℃～5 ℃，原沒增加前，運行地埋管出水溫度在27 ℃～28 ℃，增加新建公寓后地埋管出水溫度在33 ℃～34 ℃，說明地埋管量偏少，整個主機負荷的負荷衰減約10%～15%。

1 臺主機容量不能滿足空調冷熱負荷；目前空調系統地源側水溫基本處于偏高范圍，按照目前使用情況，未來幾年水溫會繼續升高，主機效率會逐漸降低，最終將失去節能目的。

3 地埋管換熱情況校對

針對以上使用情況說明，我們根據土壤源換熱量夏季排熱量50 W/m，冬季按熱量取值40 W/m 來校對一下埋管量，夏季空調計算冷負荷950 kW，冬季熱負荷690 kW，熱水負荷122.6 kW。

地源熱泵機組夏季性能系數為：5.4，冬季性能系數為：4.8.。

最大釋熱量：Q1=夏季總冷負荷×（1+1/5.4）=960×1.185=1137.6 kW

最大吸熱量：Q2=冬季總熱負荷×（1-1/5.1）=690×0.8=552 kW

按夏季最大釋熱量計算鉆孔個數：1137×1000/80×50=284.25 個

以滿足最大鉆孔個數，按夏季鉆孔個數進行布孔，該項目鉆孔個數需要284.25 個。原設計總量240 個，偏少，且并無考慮余量5%～10%的數量，綜合比較，增加48 個孔。增加系統的安全可靠性。

4 熱平衡分析

該建筑空調夏季運行120 d，每天運行24 h；冬季運行120 d，每天運行12 h； 過度季125 d，建筑負荷夏季冷負荷：950 kW，冬季熱負荷：690 kW。

生活熱水：熱水溫度55℃，生活熱水最大日用水量15 t，夏季初始溫度按20℃計算，熱水加熱量為610 kW/d；過渡季節初始溫度按10℃計算，熱水加熱量為961 kW/d；冬季初始溫度按5℃計算，熱水加熱量為1 067 kW/d。

按照動態負荷計算方法，可計算出熱泵系統全年向地下的累計排熱量和吸熱量見表1。

由上述計算可見，釋熱量基本與取熱量持平，在實際運行中還要通過管理者通過運行策略來達到平衡目的，建議運行策略方案如下。1）夏季初級及末期15 d，建議用1 臺熱泵機組制冷，另1 臺機組制熱水。高峰時2 d 機組同時制冷。制熱水采用風冷熱水機組制熱水。2）過度季節采用地源熱泵機組制熱水。3）冬季1 臺機組制熱，另一臺機組制取熱水。4）加強運行管理，避免能源浪費。

表1 全年向地下的累計排熱量和吸熱量

5 解決方案

5.1 增加井數

為達到空調正常使用功能及節能效果，室外增加井數按照二次改造圖紙進行，新增48 口井。

5.2 增加空氣源熱水機組

由于該項目新增公寓后在空調使用高峰期供兩棟樓的生活熱水不能滿足。在此增加一臺制熱量150 kW 的空氣源熱水機組，實現夏冬季空調高峰期的熱水補充供應。2 臺主機高峰期同時為2 棟樓供冷供暖。為了達到地埋管取熱和放熱的冷熱平衡及節能的目的，在平時工況下依然使用地源熱泵機組2 來制取熱水。增加2 臺熱水循環泵，一用一備，用于熱水箱和空氣源熱泵之間循環動力。

5.3 主要設備參數

空氣源熱泵機組：制熱量 150 kW，輸入功率41 kW，水流量22.8 m3/h；熱水循環泵參數：2 臺立式離心泵：G=25 m3/h，H=12.5 m，N=1.5 kW。

5.4 設備安裝位置選擇

由于熱水箱為開式水箱，熱水泵回水管需落地安裝，為避免地面開挖空氣源熱泵機組及熱水循環泵安裝位置選擇在機房北面附近。水泵單獨搭設防雨措施。控制柜安裝在機房內。

5.5 電容要求

主機耗電功率41 kW，水泵耗電功率1.5 kW，總耗電功率42.5 kW。需提供50 kW 電容量的電源。

6 結語

在節能空調工程的實際應用中，對于運行中產生的問題，要逐一排查，發現問題，及時解決，針對該工程運行中的問題，首先要針對性地對項目的概況及設計做詳細了解，并及時掌握在運行中產生的問題，進行逐一分析，以初投資比較小的代價，來保證整個系統穩定的運行，確保項目的節能效率最大化，并對工程后期設計中產生的問題提供參考價值。