土壤源-空氣源復(fù)合式熱泵系統(tǒng)

郭海明

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局，河北邯鄲 056004)

0 引言

近年來(lái)，伴隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，公共建筑數(shù)量急劇增加。大型公共建筑中，空調(diào)系統(tǒng)的能耗占整個(gè)建筑能耗的比例為40%～60%，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能是建筑節(jié)能的關(guān)鍵[1]。

土壤源熱泵系統(tǒng)是以土壤、巖土體為冷熱源，由熱泵機(jī)組、地埋管換熱系統(tǒng)、建筑物內(nèi)末端系統(tǒng)組成的制冷供熱系統(tǒng)，其中地埋管換熱系統(tǒng)需要埋管區(qū)域并且容易出現(xiàn)土壤熱不平衡問(wèn)題，故土壤源熱泵系統(tǒng)的使用存在局限性。

空氣源熱泵系統(tǒng)提取空氣中的能量，通過(guò)熱泵機(jī)組的轉(zhuǎn)化為建筑提供制冷供熱，根據(jù)空氣源熱泵的工作特性，環(huán)境溫度是制約空氣源熱泵機(jī)組能效的關(guān)鍵因素，即冬季環(huán)境溫度越低和夏季環(huán)境溫度越高空氣源熱泵的能效比越低，而系統(tǒng)的能耗越大運(yùn)行費(fèi)用越高，若完全應(yīng)用空氣源熱泵供熱，勢(shì)必造成整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用偏高。

土壤熱平衡問(wèn)題影響因素眾多，在不采用補(bǔ)熱措施時(shí)，地埋管地源熱泵系統(tǒng)在寒冷地區(qū)長(zhǎng)期運(yùn)行將導(dǎo)致土壤溫度持續(xù)降低，采用輔助冷熱源、復(fù)合式系統(tǒng)是解決土壤熱失衡問(wèn)題的較好途徑，可減緩?fù)寥罒岵黄胶獾挠绊慬2-4]。柔性熱泵系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)空氣源熱泵、地埋管地源熱泵等系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題，通過(guò)不同品位能源的合理搭配實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，具有節(jié)能潛力[5-6]?？諝?土壤雙源熱泵系統(tǒng)比單一的土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)可靠節(jié)能高效，利于土壤源系統(tǒng)在北方地區(qū)的應(yīng)用[7-8]。嚴(yán)寒地區(qū)采用土壤源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)的冷熱源系統(tǒng)相比具有較好的節(jié)能效益[9]。太陽(yáng)能-土壤源熱泵系統(tǒng)中，合理確定運(yùn)行工況，利于系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性[10]?？諝庠礋岜脵C(jī)組屬于生態(tài)供暖的范疇，在我國(guó)應(yīng)用十分廣泛[11]。在公共建筑中對(duì)地?zé)崮?、空氣能的開(kāi)發(fā)利用可以減少傳統(tǒng)化石能源的使用、緩解能源供應(yīng)緊張、保護(hù)環(huán)境，利于公共建筑節(jié)能工作的開(kāi)展。

河北某科技中心(以下簡(jiǎn)稱(chēng)科技中心)屬辦公型公共建筑，是公共建筑中應(yīng)用土壤源-空氣源復(fù)合式熱泵系統(tǒng)進(jìn)行采暖制冷的實(shí)例，本文以該科技中心作為案例，分析土壤源-空氣源復(fù)合式熱泵系統(tǒng)在公共建筑中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和運(yùn)行效果。

1 復(fù)合式熱泵系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

土壤源-空氣源復(fù)合式熱泵系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 工作原理

冬季運(yùn)行：優(yōu)先啟動(dòng)土壤源熱泵系統(tǒng)，地源側(cè)循環(huán)水泵和室外埋管換熱器通過(guò)介質(zhì)水把淺層土壤中的熱量提取出來(lái)，經(jīng)土壤源熱泵機(jī)組提高溫度后由末端循環(huán)水泵輸送給室內(nèi)采暖，當(dāng)土壤源熱泵系統(tǒng)提供的熱量不足以滿(mǎn)足建筑所需的熱負(fù)荷時(shí)，啟動(dòng)空氣源熱泵系統(tǒng)，將空氣中的能量提取出來(lái)與土壤源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行共同完成供暖。

夏季運(yùn)行：優(yōu)先啟動(dòng)土壤源熱泵系統(tǒng)，地源側(cè)循環(huán)水泵和室外埋管換熱器通過(guò)介質(zhì)水把淺層土壤中的冷量提取出來(lái)，經(jīng)土壤源熱泵機(jī)組降低溫位后由末端循環(huán)水泵輸送給室內(nèi)制冷，當(dāng)土壤源熱泵系統(tǒng)提供的冷量不足以滿(mǎn)足建筑所需的冷負(fù)荷時(shí)，啟動(dòng)空氣源熱泵系統(tǒng)將空氣中的能量提取出來(lái)與土壤源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行共同完成制冷。

冬、夏季運(yùn)行前均通過(guò)管道轉(zhuǎn)換閥門(mén)切換，實(shí)現(xiàn)冬季供暖、夏季空調(diào)功能。

1.3 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

1)復(fù)合式熱泵系統(tǒng)可降低系統(tǒng)的初投資；

2)復(fù)合式熱泵的聯(lián)合運(yùn)行可調(diào)節(jié)埋管區(qū)域的吸熱量和排熱量，以避免冷熱堆積現(xiàn)象的產(chǎn)生；

3)通過(guò)調(diào)整土壤源熱泵系統(tǒng)和空氣源熱泵系統(tǒng)的負(fù)荷比例和運(yùn)行時(shí)間，不斷優(yōu)化運(yùn)行方式，可提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低運(yùn)行費(fèi)用。

2 工程實(shí)例

2.1 相關(guān)項(xiàng)目概況

科技中心位于河北省某地級(jí)城市，主樓為高層辦公建筑，總建筑面積95 887m2，地下3層、地上25層，高度98.9m。主樓夏季總冷負(fù)荷為9 680kW、冬季總熱負(fù)荷為6 830kW；項(xiàng)目地面可提供的室外埋管面積約9 923m2。根據(jù)熱物性測(cè)試結(jié)果，地埋管所提供的冷熱負(fù)荷不能滿(mǎn)足主樓冷熱負(fù)荷需求。

科技中心所處位置屬于東部沖積平原，第四系松散巖孔隙含水巖組。根據(jù)對(duì)項(xiàng)目所在地地層熱物性測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，夏季釋熱量推薦值為55W/m，冬季取熱量推薦值為35W/m。

該地域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明。春季風(fēng)多干旱，夏季炎熱多雨，秋季溫和涼爽，冬季寒冷干燥，年平均氣溫13.5℃，最冷月份(一月)平均氣溫-2.3℃，極端最低氣溫-19℃，最熱月份(七月)平均氣溫26.9℃，極端最高氣溫42.5℃。

2.2 設(shè)計(jì)原則與思路

依據(jù)國(guó)家有關(guān)節(jié)能政策，合理利用能源，提高經(jīng)濟(jì)效益；實(shí)事求是，尊重科學(xué)，積極采用新工藝、新設(shè)備、新材料，符合生態(tài)文明建設(shè)要求；從實(shí)際出發(fā)、因地制宜，選擇合理科學(xué)的設(shè)計(jì)方案，確保供暖效果，滿(mǎn)足建筑采暖、空調(diào)舒適度需求；保持土壤冷熱平衡與系統(tǒng)穩(wěn)定，綜合能效高，使用壽命長(zhǎng)。

1-土壤源熱泵機(jī)組；2-空氣源熱泵機(jī)組；3-1-空氣源熱泵系統(tǒng)末端循環(huán)泵；3-2-土壤源熱泵系統(tǒng)末端側(cè)循環(huán)泵；4-土壤源熱泵系統(tǒng)地源側(cè)循環(huán)泵；5-軟化水裝置；6-水箱；7-末端側(cè)定壓補(bǔ)水裝置；8-地源側(cè)定壓補(bǔ)水裝置；9-室外埋管換熱器；10-1-末端系統(tǒng)分水器；10-2-末端系統(tǒng)集水器圖1 土壤源-空氣源復(fù)合式熱泵系統(tǒng)Figure 1 Ground source-air source hybrid heat pump system

因土壤源熱泵系統(tǒng)比空氣源熱泵系統(tǒng)更加節(jié)能高效，設(shè)計(jì)充分利用地面可利用面積，盡可能多的應(yīng)用土壤源熱泵系統(tǒng)，不足部分應(yīng)用空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充，兩個(gè)系統(tǒng)互為補(bǔ)充、聯(lián)合運(yùn)行，即土壤源-空氣源復(fù)合式熱泵系統(tǒng)。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與設(shè)備參數(shù)

1)地埋管換熱系統(tǒng)。室外地埋管采用垂直埋管形式，水平集管采用同程連接。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及熱物性測(cè)試結(jié)果，配置鉆孔625口，鉆孔孔徑為150mm，管材HDPE,采用雙U型，管徑25mm；孔間距4m×4m，下管深度140m，鉆孔總延米87 500m；將625個(gè)鉆孔分為4個(gè)子系統(tǒng)，14個(gè)小系統(tǒng)，布置在科技中心主樓四周。系統(tǒng)按此配置供暖季吸熱量約3 062kW，制冷季排熱量約4 812kW。

2)土壤源熱泵系統(tǒng)。機(jī)房布置在主樓地下室3層。根據(jù)地埋管熱物性測(cè)試結(jié)果，選擇地源熱泵系統(tǒng)機(jī)組3臺(tái)，總制冷量為4 101kW，總制熱量為3 870kW；機(jī)房附屬設(shè)備配備有4臺(tái)末端側(cè)循環(huán)水泵和4臺(tái)地源側(cè)循環(huán)水泵，室外埋管換熱系統(tǒng)和空調(diào)末端系統(tǒng)分別配置2臺(tái)定壓補(bǔ)水裝置，實(shí)時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水，配備一套全自動(dòng)軟水器和一個(gè)玻璃鋼補(bǔ)水箱。地源熱泵機(jī)組參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地源熱泵機(jī)組參數(shù)Table 1 Ground source heat pump set parameters

3)空氣源熱泵系統(tǒng)。按照負(fù)荷互補(bǔ)原則，采用空氣源熱泵模塊化組合，布置在主樓樓頂，空氣源熱泵需要承擔(dān)的夏季冷負(fù)荷為5 579kW，冬季熱負(fù)荷為2 958kW；選用空氣源65M/D模塊機(jī)組84臺(tái)，總制冷量為5 460kW，總制熱量為5 880kW；機(jī)房附屬設(shè)備包括6臺(tái)循環(huán)水泵，熱泵機(jī)房設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 空氣源熱泵機(jī)組參數(shù)Table 2 Air source heat pump set parameters

3 系統(tǒng)運(yùn)行效果分析

該系統(tǒng)總體運(yùn)行策略是夏季冬季均優(yōu)先運(yùn)行地源熱泵機(jī)組，不足時(shí)運(yùn)行空氣源熱泵機(jī)組。該復(fù)合系統(tǒng)安裝有監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)參數(shù)包括末端側(cè)流量，末端供回水溫度，地埋管側(cè)流量，地埋管側(cè)進(jìn)出水溫度，空氣源熱泵供回水溫度與流量，地源熱泵機(jī)組耗電量、空氣源熱泵機(jī)組耗電量，末端側(cè)、地源側(cè)等水泵耗電量等，數(shù)據(jù)記錄間隔為5min。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得兩年的科技中心主樓土壤源-空氣源復(fù)合型熱泵系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，相關(guān)運(yùn)行時(shí)間、供暖制冷面積、總運(yùn)行能耗、單位面積運(yùn)行能耗情況見(jiàn)表3。

表3 系統(tǒng)運(yùn)行情況Table 3 System operational statuses

3.1 夏季工況數(shù)據(jù)分析

2018夏季(06月18日至09月03日)，系統(tǒng)運(yùn)行的末端供回水溫度(日均值)，地源側(cè)進(jìn)出水溫度見(jiàn)圖 2。

圖2 夏季工況地源側(cè)、風(fēng)冷側(cè)及末端流體溫度Figure 2 Summer operation mode ground source side, air cooling side and terminal fluid temperatures

由圖2可見(jiàn)，地源側(cè)進(jìn)水溫度20.7～33.5℃，出水溫度在21.0～29.3℃，基本穩(wěn)定在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，個(gè)別時(shí)段出現(xiàn)水溫偏高，是因?yàn)樗贸霈F(xiàn)短暫停泵。出水溫度與進(jìn)水溫度基本保持同樣趨勢(shì)，溫差0.6～1.7℃。地源熱泵機(jī)組側(cè)末端供水溫度基本在10.0～14.6℃，回水溫度10.7～15.7℃，溫差在1℃左右，從總體情況看，系統(tǒng)溫差偏小，可能與室內(nèi)負(fù)荷偏小，部分房間關(guān)停有關(guān)。室內(nèi)溫度維持在24～28℃，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2 冬季工況數(shù)據(jù)分析

2018—2019年冬季，末端供回水溫度，地源側(cè)進(jìn)出水溫度見(jiàn)圖 3，地源側(cè)進(jìn)水溫度為6.1～10.8℃,出水溫度8.4～12.9℃。地源熱泵末端供水溫度35.5～41.7℃，回水溫度33.7～40.4℃，供回水溫差約為1℃?？諝庠?風(fēng)冷)熱泵側(cè)末端供水溫度34.7～41.1℃，回水溫度29.6～38.9℃，室內(nèi)溫度維持在18～23℃，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖3 冬季工況地源側(cè)、風(fēng)冷側(cè)及末端流體溫度Figure 3 Winter operation mode ground source side, air cooling side and terminal fluid temperatures

3.3 系統(tǒng)節(jié)能減排效果

系統(tǒng)的供冷能效比與供熱性能系數(shù)按以下公式計(jì)算[12]：

(1)

(2)

(3)

(4)

qc(h)i=ViρiciΔti/3600

(5)

式中：EERsys為系統(tǒng)的供冷能效比；COPsys為系統(tǒng)的供熱能效比；Qsc為系統(tǒng)測(cè)試期間的累計(jì)供冷量,kWh；Qsh為系統(tǒng)測(cè)試期間的累計(jì)供熱量,kWh；∑Ni為系統(tǒng)測(cè)試期間，所有熱泵機(jī)組累計(jì)消耗電量,kWh；∑Nj為系統(tǒng)測(cè)試期間，所有水泵累計(jì)消耗電量,kWh；qc(h)i為熱泵系統(tǒng)第i時(shí)段供冷(熱)量,kW；Vi為第i時(shí)段用戶(hù)側(cè)平均流量,m3/h；Δti為系統(tǒng)第i時(shí)段用戶(hù)側(cè)供回水溫差,℃；ρi為第i時(shí)段冷媒介質(zhì)平均密度,kg/m3；ci為第i時(shí)段冷媒介質(zhì)平均定壓比容,kJ/kg·℃ ；ΔTi為第i時(shí)段持續(xù)時(shí)間；n為測(cè)試期間采集數(shù)據(jù)組數(shù)。

2018年06月01日至09月30日，系統(tǒng)總運(yùn)行能耗為1 390 920kWh,總供冷量為4 868 238kWh,計(jì)算獲得夏季系統(tǒng)綜合能效比EER為3.5。2018年11月15日至2019年03月15日，總運(yùn)行能耗為1 633 432kWh,總供熱量為5 553 682kWh,計(jì)算獲得冬季系統(tǒng)綜合性能系數(shù)COP為3.4。根據(jù)《可再生能源建筑應(yīng)用評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50801—2013),該系統(tǒng)夏季與冬季均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的能效比要求。

節(jié)能量計(jì)算如下：

整個(gè)供暖季(供冷季)系統(tǒng)年耗能量根據(jù)實(shí)測(cè)系統(tǒng)能效比和建筑全年累計(jì)冷熱負(fù)荷(供冷量供熱量)按以下公式計(jì)算：

(6)

(7)

(8)

式中：Qrc為系統(tǒng)年供冷總能耗,kgce；Qrh為系統(tǒng)年供熱總能耗,kgce；D為每度電折合所耗標(biāo)準(zhǔn)煤量,kgce；Qc為系統(tǒng)全年累計(jì)冷負(fù)荷(供冷量),MJ；Qh為系統(tǒng)全年累計(jì)熱負(fù)荷(供熱量),MJ；Qt為傳統(tǒng)系統(tǒng)的總能耗,kgce；ηt為傳統(tǒng)能源為熱源時(shí)的運(yùn)行效率；q為標(biāo)準(zhǔn)煤熱值，為29.307 MJ/kgce。

常規(guī)制冷空調(diào)系統(tǒng)能效比取2.8(因機(jī)組容量大于1 163kW)[12],一度電耗標(biāo)準(zhǔn)煤為0.36kg/kWh。常規(guī)系統(tǒng)耗能量為173 866kgce，復(fù)合系統(tǒng)耗能量為139 093 kgce，計(jì)算得夏季系統(tǒng)節(jié)能率為20.0%。

冬季供熱工況，以傳統(tǒng)能源為熱源時(shí)采暖系統(tǒng)運(yùn)行效率ηt，能源類(lèi)型為天然氣時(shí)取0.8[12]，計(jì)算得常規(guī)系統(tǒng)耗能量為216 531kgce，復(fù)合系統(tǒng)耗能量為149 315 kgce，冬季系統(tǒng)節(jié)能率為31.04%。

可計(jì)算出全年系統(tǒng)節(jié)能率26.12% (燃?xì)忮仩t為常規(guī)能源)。計(jì)算CO2減排量為251 912kg/a?？傮w看，該系統(tǒng)有較明顯的節(jié)能減排效果。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)土壤源-空氣源熱泵復(fù)合系統(tǒng)在公共建筑中的應(yīng)用進(jìn)行研究，以某科技中心作為案例，分析了復(fù)合系統(tǒng)在公共建筑中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，以2018—2019年科技中心供暖制冷實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，得出以下結(jié)論：

1)在進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)前對(duì)于項(xiàng)目所在地水文地質(zhì)條件、地層熱物性情況、氣候條件的分析必不可少，根據(jù)建筑功能、空調(diào)負(fù)荷、場(chǎng)地條件設(shè)計(jì)供暖制冷采用土壤源-空氣源復(fù)合熱泵系統(tǒng)。

2)土壤源-空氣源復(fù)合式熱泵系統(tǒng)的有效組合，既相互獨(dú)立又相互補(bǔ)充，可以充分發(fā)揮土壤源、空氣源熱泵的各自?xún)?yōu)勢(shì)，同時(shí)保持巖土體的換熱量平衡，利于土壤源熱泵系統(tǒng)的長(zhǎng)期高效運(yùn)行；在埋管場(chǎng)地不足情況下，更是一種值得考慮的方案。

3)基于對(duì)科技中心復(fù)合式熱泵系統(tǒng)2018、2019年實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，復(fù)合熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總設(shè)備容量有盈余，導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)末端溫差偏小。但在公共建筑中總體運(yùn)行效果仍較好，具有明顯的節(jié)能減排效果。

4)科技中心主樓空調(diào)設(shè)計(jì)結(jié)合實(shí)際，采用土壤源-空氣源復(fù)合式熱泵系統(tǒng)，可以解決土壤源熱泵系統(tǒng)的冷熱堆積問(wèn)題，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，促進(jìn)節(jié)能減排，可為以后大型公共建筑采用復(fù)合熱泵系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)和運(yùn)行參考。