地源熱泵系統(tǒng)在校園建筑中的節(jié)能研究

張婭玲，侯亞祥

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地源熱泵系統(tǒng)在校園建筑中的節(jié)能研究

張婭玲，侯亞祥

（江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院，江蘇 常州 213147）

通過具體工程案例，介紹了校園建筑的空調(diào)負(fù)荷特點(diǎn)，分析地源熱泵系統(tǒng)在校園建筑應(yīng)用的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性，分析運(yùn)行管理規(guī)律和能耗數(shù)據(jù)，從設(shè)計(jì)角度和運(yùn)行角度進(jìn)行節(jié)能分析，并進(jìn)一步挖掘地源熱泵系統(tǒng)在校園建筑中應(yīng)用的節(jié)能潛力，提出相關(guān)結(jié)論和建議，為地源熱泵系統(tǒng)在校園建筑的應(yīng)用提供參考依據(jù)，進(jìn)一步提高能源利用率。

校園建筑；空調(diào)負(fù)荷；地源熱泵系統(tǒng)；能源利用率

近年來，地球溫室效應(yīng)日益凸顯，高溫天氣出現(xiàn)的頻率也大幅上升，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境舒適度要求的提高，空調(diào)已經(jīng)成為生活必需品，校園建筑安裝空調(diào)已經(jīng)成為必然要求。目前我國高校數(shù)量超過2 000所，校園建筑數(shù)量龐大，建筑類型繁多，全國校園能耗占社會(huì)總能耗的8%[1]。校園內(nèi)人員密集，建筑種類繁多，能源消耗量大，以夏熱冬冷地區(qū)為例，經(jīng)過13所高校的能耗調(diào)查發(fā)現(xiàn)，生均能耗為全國人均能耗的2~4倍[2]，高校處于耗能平臺(tái)的前沿領(lǐng)域，能耗數(shù)量龐大，節(jié)能減耗潛能空間廣闊。一方面是對(duì)空調(diào)的剛性需求，一方面是節(jié)能的必要性，地源熱泵系統(tǒng)恰恰能解決二者之間的矛盾。目前很多高校使用地源熱泵系統(tǒng)為校園建筑供冷供熱并提供生活熱水，地源熱泵系統(tǒng)在校園建筑中具有綜合節(jié)能優(yōu)勢和環(huán)保優(yōu)勢[3]，相比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，地源熱泵系統(tǒng)制熱能效比有較大幅度提高，節(jié)能效率達(dá)34.4%[4]。我國對(duì)于公共建筑和住宅空調(diào)能耗的實(shí)測和研究已經(jīng)取得一定進(jìn)展，但對(duì)校園建筑的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的研究，則開展不多[5-7]。本文以某高校地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)為例，分析地源熱泵系統(tǒng)在校園應(yīng)用的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性，并根據(jù)其投入使用兩年多的運(yùn)行管理規(guī)律和能耗數(shù)據(jù)，進(jìn)一步挖掘其節(jié)能潛力，提出相關(guān)結(jié)論和建議，為地源熱泵系統(tǒng)在校園建筑的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

一、工程案例分析

1.項(xiàng)目介紹

江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院新校區(qū)位于江蘇省常州市鐘樓區(qū)，設(shè)地源熱泵區(qū)域能源站，供能范圍包括教學(xué)樓、行政樓、圖書館、研發(fā)樓、宿舍樓、食堂等區(qū)域，解決校內(nèi)約13.5萬m2建筑用房的供暖、供冷及部分生活熱水問題，考慮使用特點(diǎn)，食堂、宿舍樓與其他建筑錯(cuò)峰使用，其中宿舍面積70 000m2，食堂面積14 690m2。

2.校園建筑空調(diào)負(fù)荷特點(diǎn)

學(xué)校建筑特色鮮明，根據(jù)使用功能分為教學(xué)區(qū)、生活區(qū)、行政辦公區(qū)、活動(dòng)區(qū)等。利用DEST軟件對(duì)該校園建筑進(jìn)行負(fù)荷模擬計(jì)算，空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷和熱負(fù)荷見圖1和圖2。

圖1 空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷（注：夏季典型日累計(jì)冷負(fù)荷10 0730.1kWh）

圖2 空調(diào)熱負(fù)荷（注：冬季典型日累計(jì)熱負(fù)荷83441.4kWh）

從圖1和圖2可以看出，校園建筑數(shù)量多，人員集中，辦公區(qū)及教學(xué)區(qū)和宿舍區(qū)的集中使用時(shí)間正好錯(cuò)開，因食堂負(fù)荷時(shí)間短，與教學(xué)樓、行政樓等用能也可以錯(cuò)時(shí)使用[8]。食堂冷負(fù)荷5 598kWh/d，熱負(fù)荷4 152 kWh/d，不統(tǒng)計(jì)在總負(fù)荷中，運(yùn)行時(shí)根據(jù)實(shí)際負(fù)荷余量情況進(jìn)行調(diào)配，不足部分通過設(shè)置柜式空調(diào)進(jìn)行補(bǔ)充。

校園建筑平均冷、熱負(fù)荷按照典型日計(jì)算總負(fù)荷的70%計(jì)算，則夏季日平均累計(jì)冷負(fù)荷約為 7 0511kWh/天，冬季日平均累計(jì)熱負(fù)荷約為58 409kWh/天；進(jìn)行設(shè)備選型時(shí)，考慮建筑間同時(shí)使用系數(shù)，該校設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為6 845.3kW，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為4 682.2kW，總供能面積為120 122m2（不含食堂）；計(jì)算冷負(fù)荷指標(biāo)為57W/m2，熱負(fù)荷指標(biāo)為39W/m2，遠(yuǎn)低于常規(guī)空調(diào)指標(biāo)，通過錯(cuò)峰使用，在不增加裝機(jī)容量的情況下，最大限度增加供能面積，實(shí)現(xiàn)能源的合理利用，提高能源使用效率。

二、地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)適用性分析

1.技術(shù)適宜性

地源熱泵是一種通過輸入少量的高位電能，實(shí)現(xiàn)從巖土體、地下水、地表水等中低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的熱泵空調(diào)系統(tǒng)。由于冷熱源常年溫度保持恒定且受室外溫度變化影響較小，其溫度高于冬季室外溫度，又低于夏季室外溫度，因此地源熱泵可克服空氣源熱泵的技術(shù)障礙，大幅提高效率，達(dá)到節(jié)能的目的[9]。

根據(jù)學(xué)校供熱、供冷及熱水供應(yīng)特點(diǎn)，利用地源熱泵系統(tǒng)，可以集約校園用能規(guī)模，性價(jià)比高；通過運(yùn)用智能化控制系統(tǒng)，在裝機(jī)容量不增加的情況下，可最大限度增大服務(wù)面積；利用校區(qū)集中綠地及操場等非建筑區(qū)域打井，可合理布局校區(qū)管網(wǎng)；同時(shí)在一定程度上可減少電、燃?xì)獾饶茉吹睦?，?shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保；在運(yùn)行階段，采用高效管理手段，可降低成本，實(shí)現(xiàn)校園的低成本運(yùn)行。

校園寒暑假，恰好處于建筑冷熱負(fù)荷的高峰期，同時(shí)校園中教學(xué)樓、宿舍樓等各類建筑負(fù)荷錯(cuò)峰明顯，各類建筑逐時(shí)負(fù)荷最大值的疊加遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其同一時(shí)刻負(fù)荷疊加的最大值，所以應(yīng)根據(jù)后者選擇熱泵機(jī)組等設(shè)備容量。校園建筑這種負(fù)荷特點(diǎn)非常適合地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用，從地埋管區(qū)域溫度、壓縮機(jī)耗功、系統(tǒng)能效比等指標(biāo)分析，這種間歇運(yùn)行的特點(diǎn)對(duì)地源熱泵系統(tǒng)十分有利。

3.技術(shù)經(jīng)濟(jì)性

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)相對(duì)其它空調(diào)系統(tǒng)，具有很好的節(jié)能效果。與傳統(tǒng)冷水機(jī)組+鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，能耗計(jì)算見表1和表2。

計(jì)算依據(jù)：

（1）夏季供冷100天，冷負(fù)荷約7 0511kWh/天；冬季供熱70天，熱負(fù)荷為58 409kWh/天；熱水量100噸/天。

（2）地源熱泵主機(jī)夏季平均能效比6.90，冬季平均能效比4.73。

（3）冷水機(jī)組+冷卻塔夏季主機(jī)能效比5.1，燃?xì)忮仩t供熱效率為90%[10]。

（4）熱水量100噸/天，夏季使用全熱回收制備生活熱水100天，冬季夜間地源熱泵制備生活熱水70天（該校熱水供應(yīng)以空氣源熱泵熱水系統(tǒng)為主，地源熱泵系統(tǒng)僅作為補(bǔ)充，為方便對(duì)比，取冬夏兩季開地源熱泵主機(jī)時(shí)段的用水量）。

表1 地源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)空調(diào)能耗對(duì)比

表2 地源熱泵系統(tǒng)與鍋爐制熱水能耗對(duì)比

匯總表1和表2，兩種冷熱源形式相比，采用地源熱泵系統(tǒng)，年節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤可達(dá)447.2tce，節(jié)能效果顯著，且能大量減少碳排放。

三、地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能性分析

1.設(shè)計(jì)節(jié)能分析

以行政樓學(xué)生服務(wù)中心（面積120m2）為例，用DEST軟件進(jìn)行全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算，結(jié)果見圖3。從圖中看出最大冷負(fù)荷出現(xiàn)在七月至九月，最大熱負(fù)荷出現(xiàn)在一二月之間，而此時(shí)正值學(xué)校寒暑假時(shí)期，其余時(shí)間逐時(shí)負(fù)荷最大值約為全年計(jì)算逐時(shí)負(fù)荷最大值的85~90%。

圖3 學(xué)生服務(wù)中心全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷

（1）主機(jī)選型。根據(jù)建筑物負(fù)荷特點(diǎn)，再考慮建筑內(nèi)部同時(shí)使用系數(shù)，按照逐時(shí)最大負(fù)荷的80%配置主機(jī)，選用四臺(tái)螺桿式地源熱泵機(jī)組，3臺(tái)制冷量1 162kW（其中一臺(tái)為全熱回收機(jī)組），1臺(tái)制冷量1876kW。配置四臺(tái)機(jī)組，在供冷或供熱初末期，室外氣溫造成負(fù)荷遞增或遞減，改變主機(jī)開啟臺(tái)數(shù)，使熱泵機(jī)組保持中高效運(yùn)行，從源頭上實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

（2）水泵選型。冷凍水一次泵4臺(tái)，與主機(jī)一一對(duì)應(yīng)，定頻控制；冷凍水二次泵10臺(tái)，5個(gè)供能單體各2臺(tái)，變頻控制；冷卻水泵4臺(tái)，與主機(jī)一一對(duì)應(yīng)，定頻控制。管路設(shè)計(jì)保證循環(huán)水泵開啟數(shù)量與熱泵主機(jī)開啟臺(tái)數(shù)一致，冷凍水二次泵采用變頻控制，適應(yīng)末端系統(tǒng)的流量變化，減少頻繁啟動(dòng)，降低啟動(dòng)損耗，同時(shí)避免水流沖擊造成的管路、儀表、閥門、法蘭等的損壞。

（3）冷卻塔選型?？紤]夏熱冬冷地區(qū)夏季向土壤放熱量大于冬季從土壤取熱量，因此系統(tǒng)按冬季設(shè)計(jì)總制熱量設(shè)置地埋管換熱器，在夏季峰值負(fù)荷或冷負(fù)荷較大時(shí)，啟用冷卻塔裝置輔助散熱，既減少了地埋管的數(shù)量，也避免了土壤熱量失衡問題。

（4）靈活空調(diào)形式。針對(duì)學(xué)校工作性質(zhì)，周末僅開啟宿舍和食堂支路，考慮有加班情況，在行政樓局部辦公區(qū)域另設(shè)計(jì)多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)，人員少時(shí)僅開啟多聯(lián)機(jī)滿足供冷供熱需求，避免了遠(yuǎn)距離輸送帶來的輸配能耗，也減少了主機(jī)的開啟臺(tái)數(shù)，很大程度上實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

2.運(yùn)行節(jié)能分析

一套系統(tǒng)能否達(dá)到良好的節(jié)能效果，更多取決于運(yùn)行管理水平，經(jīng)過兩年多的使用，管理團(tuán)隊(duì)也總結(jié)出一些經(jīng)驗(yàn)。

（1）熱泵機(jī)組節(jié)能運(yùn)行。主機(jī)能耗往往是空調(diào)系統(tǒng)能耗的重要組成部分，在許多實(shí)際工程中，主機(jī)的電耗占到空調(diào)系統(tǒng)總電耗的一半甚至更高，其運(yùn)行效率對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的整體效率有顯著影響。以負(fù)荷為依據(jù)對(duì)熱泵機(jī)組開啟臺(tái)數(shù)作出調(diào)整，使熱泵機(jī)組在負(fù)荷區(qū)中高效運(yùn)行；主機(jī)開啟臺(tái)數(shù)應(yīng)同循環(huán)泵開啟的數(shù)量一致，當(dāng)部分主機(jī)開啟時(shí)，相應(yīng)循環(huán)水泵也應(yīng)部分開啟，且關(guān)閉未開啟主機(jī)的進(jìn)出口閥門，從而避免因循環(huán)水無效旁通所導(dǎo)致的水流量不足，供熱能力下降等現(xiàn)象；也能避免主機(jī)頻繁性啟動(dòng)，降低主機(jī)開機(jī)能耗。在夏季根據(jù)地埋管出水溫度和室外空氣的溫濕度判斷是否優(yōu)先使用冷卻塔，同時(shí)地埋管系統(tǒng)和機(jī)組匹配進(jìn)行分區(qū)運(yùn)行，使機(jī)組的能效比達(dá)到最大化。

（2）調(diào)節(jié)回水溫度應(yīng)對(duì)負(fù)荷變化。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)夏季供回水溫度為7/12，冬季供回水溫度為45/40。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，合理設(shè)定機(jī)組回水溫度具有5%左右的顯著節(jié)能效果；運(yùn)行時(shí)結(jié)合負(fù)荷需求對(duì)回水溫度設(shè)定值進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，當(dāng)負(fù)荷小時(shí)，適當(dāng)降低回水溫度，如此，在低溫供暖時(shí)，熱機(jī)具有較高的能效比，同時(shí)可避免因室溫過高導(dǎo)致的開窗現(xiàn)象，進(jìn)而促進(jìn)系統(tǒng)節(jié)能性能的提升。

（3）關(guān)注電壓的變化。運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)電壓的波動(dòng)對(duì)能耗有很大影響，電壓偏高將直接導(dǎo)致設(shè)備能耗增大，380V額定電壓的用電設(shè)備在410V電壓中運(yùn)行時(shí)，整體的系統(tǒng)能耗增加約8%；電壓偏高不但會(huì)增大地源熱泵系統(tǒng)設(shè)備的耗電量，而且長時(shí)間在超負(fù)荷條件下運(yùn)行，還會(huì)造成設(shè)備使用壽命的降低。

（4）能耗監(jiān)測平臺(tái)。引入建筑能源管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示各分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，通過對(duì)能耗、費(fèi)用數(shù)據(jù)的分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)用能設(shè)備是否存在能源浪費(fèi)現(xiàn)象，從而發(fā)現(xiàn)節(jié)能潛力、排查節(jié)能故障、提出改進(jìn)意見。

3.實(shí)際使用效果

該校園空調(diào)系統(tǒng)于2015年冬季正式投入使用，經(jīng)過嚴(yán)格測試，精心管理，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)（包含主機(jī)、輸配和末端系統(tǒng)）用電情況見表3：

表3 校園地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際耗電量

從表3可以看出，該校地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際電耗很低，有幾方面原因：一是天氣最冷最熱時(shí)，學(xué)校放寒暑假，實(shí)際使用時(shí)間短；二是該系統(tǒng)不同建筑錯(cuò)時(shí)使用，裝機(jī)容量小但供能面積大，性價(jià)比高；三是高效管理，該系統(tǒng)由專業(yè)的運(yùn)管團(tuán)隊(duì)進(jìn)行管理，及時(shí)根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)控，保證機(jī)組高效運(yùn)行。

四、結(jié)論

校園建筑安裝空調(diào)系統(tǒng)，提升師生的生活品質(zhì)是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，同時(shí)校園又是耗能大戶，地源熱泵系統(tǒng)是一種適合校園建筑特點(diǎn)、比較節(jié)能的空調(diào)方式。通過以上分析可以看出：

（1）根據(jù)校園建筑使用特點(diǎn)，通過運(yùn)用智能化控制系統(tǒng)，錯(cuò)峰填谷，減小裝機(jī)容量，實(shí)現(xiàn)能源合理利用，經(jīng)過對(duì)校園建筑冷熱負(fù)荷規(guī)劃分析，主機(jī)配置只需按最大負(fù)荷80%考慮，大大降低了初投資。

（2）經(jīng)過計(jì)算分析，本案例地源熱泵系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)冷水機(jī)組+鍋爐的空調(diào)系統(tǒng)，每年可減少447.2噸標(biāo)準(zhǔn)煤的使用，不但節(jié)能效果明顯，而且對(duì)室外空氣沒有污染，清潔環(huán)保。

（3）注重設(shè)計(jì)節(jié)能，合理選擇主機(jī)臺(tái)數(shù)，根據(jù)負(fù)荷變化開啟，保證高效運(yùn)行；選用變頻水泵，適應(yīng)末端系統(tǒng)的流量變化，減少頻繁啟動(dòng)，降低啟動(dòng)損耗；配置冷卻塔輔助散熱，減少埋管數(shù)量，避免土壤熱量失衡；選用靈活空調(diào)形式，滿足局部需求，降低輸配能耗。

（4）注重運(yùn)行節(jié)能，以負(fù)荷為依據(jù)對(duì)熱泵機(jī)組開啟臺(tái)數(shù)作出調(diào)整，使熱泵機(jī)組在負(fù)荷區(qū)中高效運(yùn)行；調(diào)節(jié)回水溫度應(yīng)對(duì)負(fù)荷變化，促進(jìn)系統(tǒng)節(jié)能性能的提升；關(guān)注電壓的變化，減少設(shè)備耗電量；建立能耗監(jiān)測平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測并分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并改進(jìn)，挖掘節(jié)能潛力。

（5）經(jīng)過兩年多的使用，本案例地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)單位面積耗電量為9.33KWh/(m2.a) ，大大低于辦公建筑能耗指標(biāo)引導(dǎo)值55KWh/(m2.a)[11]。當(dāng)然這其中存在校園建筑的寒暑假是冷熱負(fù)荷高峰期的因素，但也足夠證明地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能性。

校園建筑應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，不但能實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保和校園的可持續(xù)發(fā)展，也為校園師生提供參與保護(hù)環(huán)境的實(shí)踐機(jī)會(huì)，提供了環(huán)境教育的資源，具有廣泛的教育意義。

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Energy Saving of Ground Source Heat Pump System in Campus Building

ZHANG Ya-ling，HOU Ya-xiang

（Jiangsu Urban and Rural Construction College, Changzhou, Jiangsu 213147, China）

This paper introduces the characteristics of the air conditioning load of the campus buildings, introduces the adaptability and economy of the ground source heat pump system in the campus construction application, analyzes the operation and management rules and energy consumption data, carries on the energy saving analysis from the design angle and the operation angle, further explores the energy-saving potential of the application of the ground source heat pump system in the campus building, and puts forward the relevant conclusions and suggestions for the ground source heat pump system in the campus building application to provide a reference basis and further improve energy efficiency.

campus building；air conditioning load；ground source heat pump system；energy efficiency

2018—09—01

江蘇省建設(shè)科技項(xiàng)目資助,項(xiàng)目編號(hào)：2017ZD217。

張婭玲（1971—），女，河北無極人，江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院，高級(jí)工程師，副教授。

TU201.5

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1008—6129（2018）05—0090—06