合肥市濱湖新區政務招商中心地源熱泵空調系統及節能分析

尹文亮

合肥市濱湖新區建設投資有限公司 安徽 合肥 230000

引言

安徽省合肥市濱湖新區政務招商中心，樓高15.6m，地上3層，地下一層，屬多層公共建筑，總建筑面積21080㎡。項目采用了地源熱泵作為空調系統冷熱源，目前項目已經過運行調試驗收合格，已正式運行，本文通過夏、冬季運行情況，對調試數據的采集與分析，驗證該工程地源熱泵的節能效果與經濟效益[1]。

1 設計參數

項目所在地為夏熱冬冷地區，夏季尖峰負荷為1810kW、冬季尖峰負荷1415kW。夏季空調冷凍水供回水溫度為7/12℃，冬季為40/45℃。

2 原理介紹

2.1 系統分類

基于少量高品位能源，地源熱泵空調冷熱源系統可轉換地下水等低品位熱能為高品位熱能，能夠同時用于供暖和制冷。在運行過程中，系統可基于地下淺層土壤的蓄冷蓄熱能力對地熱能或太陽能進行吸收，進而在冬季通過熱泵原理“取出”實現室內供暖，夏季制冷則能夠基于建筑物內熱量向地下土壤的轉移實現，最終循環利用能源，地源熱泵空調冷熱源系統的運行效率較高，這源于較小的土壤溫度波動。系統一般由用戶側水環路、熱泵機組環路、地源側環路組成，在水介質下，地源側環路與熱泵機組環路能夠完成熱交換，而在空氣或水介質下，熱交換還能夠在地源側環路與熱泵機組環路間進行。基于熱源不同，地源熱泵空調冷熱源系統可細分為地下水式、地埋管式、地表水式三種。以地埋管式為例，這類地源熱泵空調冷熱源系統的冷熱源為淺層土壤，特殊管道通過打井在地下埋置，地下淺層土壤與地下管道間通過地源側循環水流實現熱交換，用戶側熱量能夠在夏季通過這種熱交換送入地下，冬季取暖可通過熱交換將熱量取出實現。進一步細分，地埋管式還能夠分為垂直埋管和水平埋管。以水平埋管為例，這類系統在地下2～4m處水平埋設換熱管道，施工過程較為簡單，在投資方面具備顯著優勢，適用于建筑物周圍區域開闊、土質松軟地區，僅適合用于小型別墅、小型建筑群等周圍場地較為寬廣建筑，由于存在較淺的埋管深度，外界環境對地表土壤溫度的影響會最終作用于系統，導致其穩定性下降。同時，對垂直埋管進行分析可以發現，這類系統可進一步細分為單U型、雙U型埋管，熱管采用閉合設計在較深的巖土中埋置，具體深度一般在50～400m區間，該區域存在較為穩定的土壤溫度，因此這類地源熱泵空調冷熱源系統具備較高穩定性，同時垂直埋管對地表面積的占用較少，但這種地源熱泵空調冷熱源系統在施工難度方面大，施工需要長時間準備且地下垂直埋管對其造成的影響較為深遠，同時打井鉆孔數量直接受到建筑面積影響，建設過程投資相對較高特點。鑒于本項目功能為行政辦公，對空調舒適度和可靠性要求較高，同時建筑周圍有地車場、綠地和廣場，結合系統可靠性等綜合因素考慮，保證穩定可靠的溫度供給，本項目采用垂直埋管形式（深度120m）的地源熱泵空調冷熱源系統[2]。

2.2 工藝原理

以本項目垂直埋管式地源熱泵空調冷熱源系統為例，其工藝原理應圍繞三個環路進行分析。圍繞地埋管換熱環路進行分析可以發現，該環路主要構成為地埋管換熱器系統，管與管間一般存在4.5m的間距，土壤中的熱量可在冬季中由換熱器循環介質進行吸收，熱量向用戶側輸送需通過用戶側環路與熱泵機組的熱量交換實現。在夏季，用戶側熱量可基于地埋管換熱環路向地下傳遞；圍繞熱泵機組環路進行分析可以發現，其處于地源側換熱與用戶側換熱中間，屬于熱傳遞核心，能夠通過少量電能消耗得到較大的制冷或供熱量，不斷循環的內部閉環工質屬于其中關鍵，該環路主要由蒸發器、節流閥、壓縮機、冷凝器構成。在夏季，通過壓縮機的工質進入高壓高溫狀態并向冷凝器輸送，釋放熱量后的工質進入高壓低溫狀態，通過節流閥后進入低壓低溫狀態，最終在蒸發器進行蒸發吸熱，帶走負荷側熱量。在冬季，熱泵機組環路中工質流向通過對四通閥狀態的調整改變，此時存在相反于制冷時的工質流向，壓縮機壓縮的工質直接進入蒸發器并進入蒸汽狀態，壓力變小后蒸汽進入冷凝器實現熱量的提供；圍繞用戶側環路進行分析可以發現，該環路處于系統末端，一般由熱水箱、地板采暖設備、風機盤管設備組成，熱水箱負責熱水存儲，主要發揮保溫水箱作用，風機盤管設備一般在天花板吊頂隱藏，屬于系統出風口，地板采暖設備為地熱地板下鋪設的水環路盤管鋪。在上述三個環路的相互循環作用下，熱量可基于封閉介質持續轉移，滿足夏季制冷和冬季供暖需要。

3 空調系統設計概述

3.1 冷熱源系統

本項目采用地源熱泵空調冷熱源系統，地源熱泵主機設計尖峰負荷設計，配置3臺螺桿式地源熱泵機組。其中一臺帶全熱回收功能，在夏季空調供冷期間可免費提供生活熱水，冬季則通過地埋管換熱制取生活熱水[3]。

本項目采用垂直埋管式地源換熱系統，共設地埋井445口，雙U型埋管，埋管采用HDPE管道熱熔連接。

3.2 系統特點

3.2.1 地源熱泵系統特點。地源熱泵技術是利用地球表面淺層土壤中吸收的太陽能和地熱能而形成的低溫低位熱能資源，并采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現低位熱能向高位熱能轉移的一種技術。

地球表面淺層土壤吸收了太陽進入地球的相當的輻射能量，并且土壤的溫度一般都十分穩定。地源熱泵機組工作原理就是在夏季將建筑物中的熱量轉移到土壤源中，由于土壤源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，而冬季，則從土壤源中提取能量，由熱泵原理通過空氣或水作為載冷劑提升溫度后送到建筑物中。

地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當于減少40%以上（污染物排放），與有機燃料供暖相比，相當于減少80%以上。

3.2.2 熱泵熱回收系統特點。制冷設備在制冷時，是一個通過制冷劑的蒸發、冷凝狀態轉變將熱量轉移的過程，通常設備的冷凝熱是通過冷卻塔、地埋管、風冷等方式散發到周圍環境中。地源熱泵夏季就是將這部分熱量通過地埋管散發到土壤中，而熱泵熱回收系統則是將這部分廢熱再次利用，加熱生活熱水，直接產生二次經濟效益，同時減少熱量排放。

4 熱泵空調系統模擬運行分析

根據該項目負荷計算數據，可以得到一個完整空調使用周期內系統逐時的空調負荷數據及能耗情況。

項目一個周期內供冷約139天，供冷約138天。

負荷分布如表1所示

表1 空調季負荷分布

結合公式可以計算當系統完全依靠地源熱泵工作時理論的吸排熱量

地源熱泵吸排熱量計算公式：

計算得該項目如果完全采用熱泵系統供冷供熱，冬季吸熱量將小于夏季排熱量30%左右。

另外地源熱泵系統還承擔了該建筑的生活熱水預熱系統，生活熱水需求為12t/天，約為558kWh/天。

統計后土壤全年排熱大于吸熱量約99382kWh，約為全排熱量的10.7%左右。這部分熱量將通過土壤散發到周邊土壤環境中，或通過閉式冷卻塔冷卻抵消。

5 調試運行數據分析

表2 部分調試數據

根據目前調試數據可知，由于項目剛剛投入使用，土壤環境處于初始狀態，主機在制冷、制熱工況下主機出力均能取得高的效率。在較短時間內可使空調供回水溫度達到設計值，土壤環境溫度逐漸趨于設計值，將在系統運行一個周期后逐漸形成一個穩定的熱環境。

由于系統初期熱泵主機利用地埋管換熱能夠完全滿足換熱需求，減少了冷卻塔的運行，并且整體換熱效率較高，系統能耗較常規水冷系統減少15%左右，冬季制熱節能效果更明顯，后期將通過運行數據分析總結，結合運行效果和土壤溫度變化，及時調節系統運行，降低制冷和采暖季的排吸熱量對土壤溫度產生影響，同時，提高運維管理水平，做到系統節能高效運行。