夏熱冬冷地區地源熱泵空調系統節能降碳策略及評價方法

孫宏偉，李法善 [.常州市建筑科學研究院集團股份有限公司，江蘇 常州 23000；2.中維建研（江蘇）設計有限公司，江蘇 常州 23000]

實施能耗、碳排放的總量和強度調控，推動能源低碳、高效利用是建筑領域轉型的重要途徑。在夏熱冬冷地區，地源熱泵系統作為能源低碳、高效利用的重要方式，在住宅、辦公、商業等類型建筑中得到推廣應用。受建設條件有限、運行維護水平不高等因素影響，對地源熱泵系統進行運行優化的項目偏少，未能進一步挖掘節能降碳的潛力。此外，國內外對地源熱泵的節能評價方法的研究多數局限于一次能源利用率等方面，未能從整體、分項和費用等方面進行系統研究[1]。本文結合夏熱冬冷地區某公辦學校地源熱泵空調系統項目（以下簡稱“學校項目”），研究地源熱泵空調系統的節能降碳優化策略及評價方法。

1 項目概況

夏熱冬冷地區某公辦學校采用集中供冷供熱空調系統，地源熱泵供能總建筑面積約5萬m2，冷熱源采用雙U地埋管420口，配置3臺螺桿式地源熱泵機組，總制冷量約1.8 MW。根據學校建筑空調系統用能特點，設計時采用辦公樓與宿舍樓錯峰供能方式，不僅有效降低了地源熱泵空調系統的建設初投資，還提高了系統運行利用水平。

2 節能降碳優化策略

2.1 設計優化策略

筆者認為，地源熱泵空調系統需要進行節能降碳設計優化。在項目前期方案策劃、可行性研究階段，根據項目條件，從技術經濟層面考慮空調系統采用何種技術形式，將決定節能水平。如：低位熱源的選擇，是地表水源、土壤源還是空氣源；冷熱源設備的布置形式是集中式布置，還是分散式布置；建筑類型及建筑用能負荷是否錯峰；等等。在項目初步設計、施工圖設計階段，滿足室內溫度、濕度的條件下合理降低系統的空調設計負荷，同時考慮水泵變頻、風機變頻和熱回收裝置應用情況等[2]。

2.2 運行優化策略

學校項目在制定節能降碳運行控制策略時，考慮地源熱泵機組根據用戶負荷側進行臺數調節及機組自身機頭調節、滑閥調節等。地埋管水循環系統為兩管制閉式一次泵水循環系統水泵定流量控制，二級泵變流量控制可根據末端負荷變化要求及時調整水泵運行臺數或水泵轉速來調節循環水量，并保持水泵在高效區運行達到最大節能效果[3]。風輸送系統節能運行主要是送風、回風及排風中在達到調節和控制空調房間空氣參數要求的前提下，盡可能減小風機電耗。綜合考慮學校寒暑假期、供冷供熱負荷變化等因素，地埋管冬季取熱量和夏季釋熱量的差別可能導致土壤源溫度場冷熱不平衡。因此，設計時在地源側管道設置了能量計，在不同地埋深度分別設置5個土壤溫度監測探頭，夏季釋熱量過高時采用冷卻塔輔助散熱調節，維持地埋管溫度場冷熱趨于平衡[4-5]。

3 節能降碳評價方法

筆者在地源熱泵空調系統現有的各種評價方法的基礎上，從用戶使用角度出發，并結合學校項目的實際運行情況，提出事先評估、事中控制和事后評價這3個節能降碳評價階段，并提出包含整體評價指標、分項評價指標和費用評價指標的節能降碳評價體系。

3.1 評價階段

地源熱泵空調系統的節能降碳評價階段，主要包括事先評估、事中控制和事后評價。事先評估是在建筑能耗模擬軟件冷熱負荷模擬的基礎上，通過對不同備選方案的評價指標作對比分析，在優選方案中進一步深化設計，得到最終的設計方案。空調系統因前期方案不合理、設計不科學等原因造成的高能耗很難通過后期的運行管理來彌補，因此事先評估工作十分重要。事中控制是指對地源熱泵空調施工驗收過程進行控制，通過統計資料和現場活動信息與控制目標作對比分析，及時做出糾偏措施，執行有力，回查監督，保證項目施工滿足設計目的和使用功能要求。事后評價要有針對性地采集能反映系統運行現狀的參數，通過測定系統運行中的特性參數才能確定系統的性能，比如溫濕度、流量、壓力、電力參數等。每個測試參數反映出的是系統設備各部分的特性狀況，可以將模擬值和實測值進行對比，評估系統運行工況水平，最終實現空調系統節能降碳的目的。

3.2 評價體系

地源熱泵空調系統節能降碳評價體系分為整體評價指標、分項評價指標和費用評價指標3類，共9項（如表1所示）。地源熱泵空調系統能耗高的主要原因包括設備運行效率低和系統無用功耗大，該評價體系可全面地反映系統運行能耗和運行能效情況。業主和用戶更為關心的是費用評價指標，COE和CCE指標能夠準確反映地源熱泵空調系統的費用情況。

表1 地源熱泵空調系統節能降碳評價指標體系

3.2.1 整體評價指標

（1）單位面積用電量CPC：整個地源熱泵空調系統所有能耗（按不同供能季分類統計，折算成用電量）與系統供能建筑面積之比。

式中：ΣW——熱泵主機、循環水泵、冷卻塔、水處理設備、定壓補水裝置、空氣處理機組、新風機組、風機盤管、電動閥等系統用電設備能耗之和（按不同供能季分類統計，折算成用電量），kW·h；

S——供能建筑面積，m2。

（2）單位面積碳排放量CTC：整個地源熱泵空調系統所有碳排放量（按不同供能季分類統計）與系統供能建筑面積之比。

式中：ΣW——熱泵主機、循環水泵、冷卻塔、水處理設備、定壓補水裝置、空氣處理機組、新風機組、風機盤管、電動閥等系統用電設備能耗之和（按不同供能季分類統計，折算成用電量），kW·h；

n——所在區域電網排放因子，無量綱；

S——供能建筑面積，m2。

（3）空調系統單位能量用電量CEC：評價地源熱泵空調系統實際能量利用效率的指標，評價各種節能措施的綜合節能效果。CEC值越小表明系統能源利用率越高。

式中：W——熱泵主機、循環水泵、冷卻塔、水處理設備、定壓補水裝置、空氣處理機組、新風機組、風機盤管、電動閥等系統用電設備能耗之和（按不同供能季分類統計，折算成用電量），kW·h；

Q——不同季節供能量，kW·h。

3.2.2 分項評價指標

（1）熱泵主機制冷工況能效比SEER。SEER值越大表示制取單位冷量所需消耗的電量越少，機組運行效率越高，經濟性越好。

式中：Qs——熱泵主機在整個制冷季的制冷量，kJ；

Ws——熱泵主機在整個制冷季的耗電量，kJ。

（2）熱泵主機制熱工況能效比WEER。WEER值越大表示制取單位熱量所需消耗的電量越少，機組運行效率越高，經濟性越好。

式中：Qw——熱泵主機在整個供暖季的制熱量，kJ；

Ww——熱泵主機在整個供暖季的耗電量，kJ。

（3）水系統輸送能效比ER。測得水泵電機的實際電功率、供回水溫差、流量參數，即可確定水系統輸送能效比。ER值越小，表示單位能量所消耗的電量越少，水輸送系統越節能。

式中：ER——單位能量所消耗的電功率，W/J；

U——電壓值，V；

I——電流值，W；

cosφ——電機功率因數，無量綱；

V——水泵實際流量，m3/s；

ΔT——供回水溫差，℃。

（4）風系統單位風量耗功率Ws。測得風機電機的實際電功率、風量參數，即可確定風系統單位風量耗功率。Ws值越小，表示單位風量所消耗的電量越少，風系統就越節能。

式中：Ws——單位風量實際耗功率，w/（m3/h）；

U——電壓值，V；

I——電流值，W；

cosφ——電機功率因數，無量綱；

Vs——實際風量，m3/h。

3.2.3 費用評價指標

（1）單位面積運行用電費用COE：地源熱泵空調系統年能源消耗費用與系統供能建筑面積之比。

式中：M——年能源消耗總費用，元；

S——系統供能建筑面積，m2。

（2）單位面積綜合費用CCE：地源熱泵空調系統年綜合費用與系統供能建筑面積之比。

式中：M——年能源消耗總費用，元；

MT——地源熱泵空調系統總投資，元；

n——地源熱泵空調系統折舊使用年限，a；

MY——地源熱泵空調系統年管理維修費用，元；

S——系統供能建筑面積，m2。

4 結 論

（1）地源熱泵空調系統節能降碳策略主要包括設計優化策略和運行優化策略。在滿足室內溫度、濕度的條件下，合理降低系統的空調設計負荷，維持地埋管溫度場冷熱趨于平衡等。

（2）地源熱泵空調系統節能降碳評價階段主要包括事先評估、事中控制和事后評價，其中事后評價的測試環節要有針對性地測試容易反映系統運行現狀的參數。通過測定系統運行中的特性參數才能確定系統的性能。

（3）地源熱泵空調系統節能降碳評價體系主要包括整體評價指標、分項評價指標和費用評價指標。地源熱泵空調系統能耗高的主要原因包括設備運行效率低和系統無用功耗大，該評價體系可全面地反映系統運行能耗和運行能效情況。業主和用戶更為關心的是費用評價指標。