地源水環(huán)熱泵工程實踐

王建奎 潘軍 邱建華 陸麟 李井會

浙江省建筑科學設計研究院有限公司

為解決集中式地源熱泵使用不便的缺陷，借鑒多聯(lián)機的成功經(jīng)驗和水環(huán)熱泵的系統(tǒng)形式，行業(yè)中出現(xiàn)了一種地源水環(huán)熱泵空調系統(tǒng)，利用地源作為水環(huán)熱泵的冷熱源替代部分常規(guī)冷熱源是該系統(tǒng)的主要特點。該系統(tǒng)不僅能使用淺層地熱的可再生能源，保持了系統(tǒng)較高的能效比，而且能方便地由末端用戶決定使用時間，如控制得當，無論使用者數(shù)量多少，均能保持較高的效率，具有調節(jié)靈活、方便，便于管理和收費等優(yōu)點，是一種值得推廣的地源熱泵應用形式。

1 地源水環(huán)熱泵設計要點

1.1 系統(tǒng)形式的選擇

地源水環(huán)熱泵空調系統(tǒng)是一種由數(shù)量眾多、形式各異的水源熱泵機組，通過一套兩管制共用水環(huán)路并聯(lián)連接起來，以共用水環(huán)路中流動的循環(huán)水為介質，以集中式地源換熱器為冷（熱）源的空調系統(tǒng)[1]。圖1為地源水環(huán)熱泵基本形式。

圖1 地源水環(huán)熱泵基本形式

當空調房間需要供暖時，設在該空調房間的水源熱泵機組按供熱模式運行，機組從兩管制共用水環(huán)路中吸取熱量，向房間送熱風。當空調房間需要供冷時，則按制冷模式運行，機組向兩管制共用水環(huán)路排放熱量，向房間送冷風。當整個系統(tǒng)中有一部分房間需要供冷而另一部分房間需要供暖時，則按制冷模式運行的水源熱泵將向共用水環(huán)路排放熱量，而按供熱模式運行的水源熱泵機組，從共用水環(huán)路中吸取熱量，從而達到有效利用房間內余熱的目的。

地源水環(huán)熱泵的特點之一是以淺層地熱能替代常規(guī)能源，因此設計時需根據(jù)項目情況計算冷熱負荷，基礎負荷運行時使用地源熱泵，尖峰負荷時使用常規(guī)冷熱源和地源熱泵聯(lián)合運行，構成復合冷熱源系統(tǒng)，以最大限度地發(fā)揮地源熱泵的節(jié)能減排優(yōu)勢。地源熱泵換熱器容量可按冬季工況或夏季工況設計，當項目所在地淺層地熱能資源有限，不能完全滿足冬季工況或夏季工況需求時，也可按最優(yōu)性價比容量設計，其余的負荷由常規(guī)能源滿足。

共用水環(huán)路根據(jù)建筑特點和水環(huán)熱泵機組的布置形式可使用一級泵系統(tǒng)和二級泵系統(tǒng)（圖2）。其中一級泵系統(tǒng)適用于末端水力平衡較好的系統(tǒng)，二級泵系統(tǒng)適用于各末端水阻力相差較大的系統(tǒng)，此時由一級泵克服主管路的水阻力，各二級泵克服各支管路的水阻力。

圖2 二級泵系統(tǒng)基本形式

1.2 水環(huán)路流量控制

水力平衡是地源水環(huán)熱泵系統(tǒng)需要解決的最關鍵問題。風機盤管水系統(tǒng)的水力失調會導致空調末端的冷熱不均勻，不僅影響空調效果，水環(huán)熱泵水系統(tǒng)的水力失調，將導致熱泵機組不能正常運行，進而不能向空調用戶供冷或供熱。

水力平衡分靜態(tài)水力平衡和動態(tài)水力平衡[2]。靜態(tài)水系統(tǒng)平衡調試是在滿負荷工作狀態(tài)下，采用比例法和補償法等水力平衡調試方法，參照實際測定的運行流量，調整系統(tǒng)中平衡閥門的開度，并不斷整定，最終使得末端區(qū)域實際流量與設計流量取得一致的過程，是解決靜態(tài)水力失調的一種工程方法。靜態(tài)水力平衡調試是水環(huán)路流量控制的基礎，也是大部分工程不被重視，導致系統(tǒng)不能正常運行的主要原因之一，是施工過程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。動態(tài)水力失調是在系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的，在部分符合工作狀態(tài)下，由于控制需要，某些末端設備閥門開度發(fā)生改變，從而引起互擾，影響到其他末端設備流量偏離設計值的現(xiàn)象。以下著重討論部分負荷工況下共用水環(huán)路流量的調節(jié)方案。

1）壓差變流量控制

部分負荷時，停止運行的部分水源熱泵將末端水路電動二通閥關斷，會使系統(tǒng)壓差升高，此時通過調整供/回水干管之間的壓差平衡閥，維持恒定的供/回水干管壓差，在水平衡調試良好的前提下，即可滿足水環(huán)熱泵的需要流量。這是目前工程設計中應用最多的一種方案，也具有較好的安全性，但該方法不能用于循環(huán)泵的控制，通常壓差平衡閥具有較大的旁通流量，不利于節(jié)省泵耗。

2）溫差變流量控制

地源側換熱器供/回水溫差宜穩(wěn)定在5℃左右，過小的溫差帶來較大的泵耗，過大的溫差使換熱效果變差，此時可通過變流量控制改變循環(huán)泵的流量，保持地源測換熱器供/回水溫差穩(wěn)定。溫差變流量控制沒有考慮系統(tǒng)管網(wǎng)特性，可能會造成供水壓力不足。因而壓差變流量控制與溫差變流量控制需聯(lián)合使用，控制需先保證系統(tǒng)的安全性，即保證水源熱泵機組的壓差優(yōu)先，其次使共用水環(huán)路的循環(huán)泵耗降為最小。

1.3 水環(huán)路水溫控制

環(huán)路水溫對水源熱泵機組的效率和容量都有相當大的影響。地源水環(huán)熱泵中使用的熱泵機組形式按冷（熱）源類型可分為水環(huán)式水源熱泵機組，地下水式水源熱泵機組和地下環(huán)路式水源熱泵機組。各類型水源熱泵機組正常工作的冷（熱）源溫度范圍如表1[3]：

表1 水源熱泵機組水源側水溫

對地下環(huán)路式系統(tǒng)，設備安全允許的環(huán)路水溫制冷工況應在10～40℃，制熱工況應在-5～25℃，考慮到制冷工況水溫超過33℃時能效與冷卻塔系統(tǒng)相當，制熱工況水溫低于7℃時需添加防凍劑，因此出于節(jié)能和安全的考慮，建議共用環(huán)路設計水溫控制在10～33℃之間。

對于不帶中間換熱器的一次泵系統(tǒng)，共用水環(huán)路始終與地源換熱器保持換熱，因此大部分時間水溫總能滿足水源熱泵機組需要。當系統(tǒng)在尖峰負荷運行，水溫超出設定范圍時，系統(tǒng)應啟動輔助冷源或輔助熱源，以保持共用水環(huán)路水溫滿足設計要求。

對于帶中間換熱器的二次泵系統(tǒng)，先開啟二次泵，當共用水環(huán)路水溫超出設定范圍時，開啟一次泵，與地源換熱器進行熱交換，水溫恢復后再關閉一次泵。同樣當系統(tǒng)在尖峰負荷運行，地源換熱器不能滿足需要時，需投入輔助冷熱源。由于大部分時間系統(tǒng)處于部分負荷運行，一次泵間歇開啟，也可節(jié)省大部分循環(huán)泵耗。

1.4 室內機噪聲控制

由于每臺水環(huán)熱泵機組均自帶壓縮機、風機等機械運動部件，通常又直接安裝于室內，噪聲問題也是該系統(tǒng)不能得以大面積推廣使用的主要障礙之一。

水源熱泵機組（Q<5 kW）噪聲一般要求控制在67 dB(A)以下，隨著熱泵技術的發(fā)展，大部分廠家生產(chǎn)的水源熱泵機組（Q<5 kW），噪聲可控制在60 dB(A)以下，通過合理的工程降噪設計措施，一般可滿足室內50～55 dB(A)噪聲要求。需要提醒的是，設計師必須針對室內噪聲要求和水環(huán)熱泵系統(tǒng)應用形式進行噪聲振動專項設計。

一般來講工程上可以采取以下降噪隔振措施：

1）水源熱泵機組安裝時設專門的減振彈簧。

2）水源熱泵機組安裝的吊頂內或機房內加裝吸聲材料。

3）加裝消聲風管或消聲彎頭，以避免壓縮機噪聲直接傳至室內。

2 工程案例

2.1 設計概要

示范工程為浙江杭州某辦公與展覽類公共建筑，建筑面積2.2萬m2，由七棟獨立的2～3層建筑組成。工程采用集散式地源熱泵空調系統(tǒng)，地下埋管換熱器采用垂直埋管方式，由于冬夏季總的冷、熱負荷全年不平衡，本工程采用復合式冷熱源系統(tǒng)，即帶輔助散熱設備（冷卻塔）。室內空調采用分散式水源熱泵機組，每個空調末端單獨電量計費，便于運行管理，也給節(jié)能運行提供了條件。冷卻塔和循環(huán)水泵電費單獨計量，費用公攤。圖3為示范工程地源熱泵原理圖。

圖3 示范工程地源熱泵原理圖

1）空調冷、熱負荷：經(jīng)計算，夏季尖峰負荷1550 kW，冬季尖峰負荷960 kW，地埋管承擔基礎負荷960 kW。

2）空調系統(tǒng)冷、熱源：采用地源熱泵，夏季地埋管冷卻側進出水溫度為35/30℃，冬季為5/10℃。夏季輔以冷卻塔，冷卻塔冷卻水進出水溫度為37/32℃。冬夏季采用手動轉換。

3）地下耦合管：根據(jù)土壤熱物性測試結果，打井深度為60 m，井數(shù)為267個，井徑130～150 mm，單U管布置，管徑D32，有效管長32000 m（圖4）。

圖4 示范工程地源熱泵系統(tǒng)埋管位置示意圖

4）空氣處理方式：辦公室、展廳等采用分離式冷（熱）風型地源熱泵，室外機布置在走道，室內機布置在室內，有效避免壓縮機噪聲傳入室內。

5）空調水系統(tǒng)：地源側空調循環(huán)泵采用變頻運行，采集供回水溫度信號進行控制。冷卻塔空調循環(huán)泵為定頻運行，采集供回水溫度信號進行啟?？刂啤５卦磦葥Q熱器和室內水環(huán)路之間采用了板式換熱器隔開。

2.2 運行效果測試

1）室內溫度：2017年夏季，筆者對該系統(tǒng)的使用效果進行了測試，其中室內溫度測試選取正在使用的B棟辦公展覽建筑，測試選取4個典型辦公區(qū)域，測試位置為距地1.5 m處，測試時室外平均溫度35.5℃，室內溫度測試結果見表2：

表2 室內溫度測試

表3 系統(tǒng)能效比測試

2）系統(tǒng)能效比：測試時 A、B、F、G 棟正常使用，其它建筑未投入使用。經(jīng)統(tǒng)計，投入使用建筑安裝制冷量4.1～8.4 kW冷熱風型水環(huán)熱泵共169臺，測試時投入使用水環(huán)熱泵機組平均開啟率為58.6%，總制冷量約835 kW（按銘牌值推算），總功率約204 kW，地源熱泵換熱站內地源測開啟15 kW循環(huán)水泵2臺，工頻運行，用戶側開啟35 kW循環(huán)水泵2臺，變頻運行，測試結果見表3。

由表3可得：測試時，平均系統(tǒng)能效比為3.09。

3）室內噪聲：測試時選取未裝修無人辦公的E棟辦公建筑，吊頂標高為3.2 m，吊頂內安裝冷熱風型水環(huán)熱泵，吊頂形式為格柵型，筆者對其中4臺水環(huán)熱泵進行了噪聲測試，測試時壓縮機開啟，測試位置為室內機正下方距地1.5 m處，測試結果見表4：

表4 機組噪聲測試

3 結語

地源水環(huán)熱泵系統(tǒng)解決了集中式地源熱泵系統(tǒng)末端使用不靈活的問題，同時因利用可再生能源，具有優(yōu)良的節(jié)能效果，但系統(tǒng)存在對水平衡、機組噪聲要求較高等問題，需要設計者、施工者、使用者更精細化的對待，本文通過工程實踐，提出了若干應對措施，取得了較好的使用效果。希望更多的同行重視該系統(tǒng)，積極應用該系統(tǒng)，更多地發(fā)揮地源熱泵的節(jié)能減排效果。