寒冷地區某學校應用地源熱泵空調系統方案優化及分析

文／李天爽 山東建筑大學熱能工程學院 山東濟南 250100

引言：

目前我國城鎮每年集中供熱導致的CO2間接排放量約為4.5 億t，分散供暖設施導致的CO2排放量約為3 億t，這兩項CO2排放量就占到全國總排放量的7.5%[1]。由此可見降低北方供暖能耗、提升清潔能源占比對我國實現“碳達峰和碳中和”目標具有重要的推動作用。在各類清潔能源利用中，地熱能以其較好的穩定性與大體量的蓄能特性，在北方建筑供暖中占有一定的比例。截止 2020年，我國目前地熱能建筑利用裝機容量已達 2.65 萬兆瓦，位居世界第一[2]。因此地熱能供暖發展前景廣闊。地埋管地源熱泵以埋管方式通過循環水的封閉循環實現與地下巖土之間的熱量交換，該技術目前在國內建筑暖通空調領域應用較為廣泛[3-6]。隨著市場應用的快速發展，許多地埋管地源熱泵項目也暴露出一些問題，比如地下冷熱不平衡的問題，系統運行效率地下甚至無法啟動的等問題。這些問題的出現多與項目立項時缺乏方案可行性論證，及未進行科學合理的優化設計等因素有關。因此，本文以寒冷地區某一學校建筑為例，對地埋管地源熱泵系統進行方案優化設計，并對該方案的初投資及運行費用進行計算，與傳統空調系統相比較，預測該方案的節能及環保潛力。

1、項目概況

本項目位于山東省濰坊市。根據學校的教學，生活要求，考慮建設場地用地的實際情況及消防、綠化等要求，整個校區規劃為教學區、綜合功能區（包括綜合樓與中心廣場）、體育運動區、生活服務區、綠化區等幾部分。該項目總建筑面積63929m2。容積率0.52，建筑密度16.8%，綠地率為42.7%，道路廣場面積 23653m2，運動場地面積22276m2。

2、建筑動態負荷模型

根據建筑設計圖紙，并結合學?？照{使用時間，利用建筑負荷計算軟件Dest 模擬出建筑物的全年動態逐時負荷，見圖1。設計冷負荷為4017kW，設計熱負荷為3516kW。

圖1 建筑全年動態逐時負荷變化曲線

根據逐時負荷累計所得建筑月累計冷熱負荷，其中年累計采暖熱負荷約為3185MWh，年累計空調冷負荷為2430MWh。由于學校的暑假期間正值夏季最熱的7月與8月，約55 天；寒假期間為冬季的2月份，約28 天。從負荷計算結果可知，該建筑物的年累計熱負荷要略大于冷負荷。

3、地埋管地源熱泵方案設計

3.1 地埋管地源熱泵技術可行性分析

濰坊市處于北溫帶季風區，背陸面海，氣候屬暖溫帶季風型半濕潤大陸型氣候。濰坊市所處地質構造部位較特殊，處于我國東部新華夏系第二隆起帶和第二沉降帶的銜接部位，魯西、魯東型地層均有分布，且發育齊全。項目所在地屬于沿海地區，相同地質條件下，沿海地區的地下巖土熱物性參數要優于內陸地區。

該學校位于山東濰坊，屬于冬冷夏熱地區，不僅要求冬季供熱，亦要求在夏季提供空調系統。如果采用傳統的水冷機組加城市熱網系統，則需要兩套設備，不僅增加運行費用，同時從環境保護方面看，城市集中供熱系統消耗大量的一次能源，排放的有害氣體則對大氣環境造成污染。而冷水機組則是在制冷時將室內的熱量以廢熱形式排放到室外大氣中，該系統的性能隨室外空氣溫度升高而顯著降低，機組制冷性能及效率較低，耗能較高。同時排放到環境中的廢熱無疑更加劇了夏季城市熱島效應。

由于學校一年有1 個月的寒假與近兩個月的暑假，大大減少了年冷熱負荷的需求，初步估計該工程的年累計的冷負荷與熱負荷相當，適合采用地源熱泵空調系統。同時校區內有足夠的運動場地及綠化地帶，建筑容積率較低，地埋管空間較大。

從地埋管熱泵的工作原理可知該系統在冬冷夏熱的地區（即全年冷熱負荷較為均衡的建筑物）可以充分發揮大地儲能的作用，具有較高的運行效率。因此該項目具備地源熱泵空調技術應用的基本氣候條件及建筑負荷較為均衡的條件。

3.2 設備選型

根據建筑物的冷熱負荷初步估算熱泵機組的容量?？紤]到該工程為學校建筑，宿舍區與教學區的使用時間不同，負荷具有錯峰特征，同時使用系數較低，建議配置兩臺地源熱泵機組。當冷熱負荷需求很少時，可僅啟動一臺機組，降低系統的運行費用。每臺機組制冷量約2100KW、制熱量：2000KW。機組設置在獨立的制冷機房內。夏季機組為制冷工況、提供供回水溫度為7℃～12℃的冷水；冬季機組為供熱工況、提供供回水溫度為：40℃～45℃熱水。主要設備見表1。

表1 主要的設備設計容量

3.3 地埋管優化設計

在地源熱泵系統中，實際地埋管換熱器的散熱與取熱負荷與建筑物的冷、熱負荷并不直接相等，它還與采用的熱泵機組的能效比有關，其關系如下。

地熱換熱器的取熱量：

地熱換熱器的散熱量：

地埋管地源熱泵主機 COP（能效比）冬季取 4.0，夏季取 5.0。則有：

Q取熱=2390MWh;Q散熱=2916MWh

式中：Qheat和Qcool表示建筑物的熱負荷和冷負荷；P表示系統輸入的功率，此處近似認為是熱泵機組的功率；Q取熱和Q散熱表示地埋管側的取熱量和散熱量。由上式可知，在考慮了機組的耗電量后地埋管換熱器的年累計散熱量略大于年累計取熱量，經初略計算，地埋管的散熱量與取熱量比值約為1.22:1。這說明，如果地埋管系統承擔建筑物所需的全部冷熱負荷，一個采暖空調周期后，地下的冷熱負荷不平衡率較低，用戶可以通過適當延長采暖時間或增加采暖負荷的調節方式來平衡地下年冷熱負荷。

采用地熱換熱器設計模擬軟件-地熱之星V3.0（Ge ostar）對本項目進行模擬優化設計分析，給出初步設計方案。本項目設計的基本參數：

●鉆孔回填材料采用專用的高性能回填材料，導熱系數為2.1 W/m·K。

●進入熱泵循環液的最高和最低溫度分別是：33℃，5℃；

●鉆孔直徑為150mm；

●滿足的系統運行時間為20年。

單U 型管與雙U 型管的方案比較：

目前工程上采用垂直埋管地熱換熱器的結構形式主要有兩種。一種就是在鉆孔內埋設一組U 型PE 管，另一種形式是在一個鉆孔埋設兩組U 型管，可稱作雙U 型埋管地熱換熱器。由于雙U 型在鉆孔內具有較高的換熱面積，其換熱效率要優于單U 型管的換熱效率。根據理論計算可知，雙U 型管的換熱效率要比單U 型管高約5～30%。因此在相同的冷熱負荷需求的情況下，雙U 型管換熱器需要的鉆孔長度較少，但同時系統所需的管材將增大。一般來說，工程所處的地質條件，即鉆孔費用，在很大程度上決定了二者的經濟性。

本節對并聯雙U 型管與單U 型管這兩種地埋管換熱器進行初步的經濟性比較，確定最佳的埋管方式。表2列出了采用單U 管與雙U 管所需的總鉆孔長度與鉆孔總費用。根據巖土熱物性測試報告可知，該地埋管區域主要地質構成為粉砂與粘土，鉆孔難度小，每米鉆孔費用相對較低，暫按40 元每米計算。

由表2可以看出，與單U 型管相比，雙U 型管所需的鉆孔長度減少了5.5%（即換熱效率提高了5.5%），鉆孔費用相應降低，但綜合來看，該方案所節省的鉆孔費用遠小于增加的管材、管件費用。經估算可知，采用雙U型管的地熱換熱器的初投資比單U 型管的方案高出100多萬元。同時采用雙U 型管還會增加施工難度，又考慮到該工程附近有足夠的空地作為地埋管的換熱空間，因此推薦該工程采用單U 型管方案。

表2 單U 與雙U 埋管設計方案比較

4、經濟效益及環境效益分析

通過上述模擬分析可知，在該工程中采用單U 型豎直地埋管的地源熱泵系統為最佳的設計方案。本節僅對單U型地源熱泵系統與傳統的空調系統冷水機組加城市管網采暖方式進行初投資及運行費用的比較，基本費用列于表3。其中運行費用是指系統運行20年內的機組的耗電量，冷水機組的平均效率取4。表中的數據來自于系統運行模擬的結果與工程經驗，與實際運行狀況會有一定的差別，在此僅作為定性的分析。

由表3可以看出，地源熱泵比傳統空調系統的初投資高約50 萬；每平方米造價約高8 元。而地源熱泵的運行費用卻遠遠低于傳統空調系統的運行費用；每平方米可節省28.6 度電，折合節省20 元的運行費用。每年可節省運行費用約124 萬元，以運行周期為20年計算，地源熱泵空調系統可節省2480 萬元。

表3 地源熱泵空調與傳統空調經濟性比較（63929 平方米的建筑，未考慮空調末端的投資）

根據綜合能耗計算通則 GB/T2589-2020 的折算系數計算可知，該項目每年可節省標準煤590 噸/年，減排二氧化碳1472 噸/年，節能減排效益顯著。

結語：

本文對寒冷地區學校建筑進行負荷預測，對單U 及雙U 地埋管地源熱泵系統進行方案比選，然后又通過與傳統空調系統進行經濟性與環保性對比，得出如下結論：

無論是從系統運行的經濟可靠性考慮，還是從節能環保角度考慮，采用單U 型地埋管空調系統為本項目的最佳方案。初步的設計方案為：鉆孔布置形式為矩陣排列，共900 個鉆孔，豎直單U 埋管。每個鉆孔深度為90m，總鉆孔深度為81000m?？组g距與排間距均為5m，所需地埋管面積約2.25 平方米。與傳統空調系統相比，該系統每年可節省運行費用約124 萬元，以運行周期為20年計算，地源熱泵空調系統可節省2480 萬元。

根據綜合能耗計算通則 GB/T2589-2020 的折算系數計算可知，該項目每年可節省標準煤590 噸/年，減排二氧化碳1472 噸/年，節能減排效益顯著。

考慮到地埋管冷負荷略微大于熱負荷，建議用戶可通過適當延長采暖的運行時間或增加供熱的負荷的控制方式來調控地下冷熱負荷均衡，降低土壤溫度場。