地源熱泵系統(tǒng)與太陽能系統(tǒng)的綜合應(yīng)用效果分析

王春蕾

摘 要：該文以北方寒冷地區(qū)工程為例，通過總結(jié)設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，分析運(yùn)行數(shù)據(jù)，旨在闡明公共建筑項(xiàng)目中，地源熱泵系統(tǒng)配合輔助系統(tǒng)，可獲得更加理想的節(jié)能效果。據(jù)此，提出配置太陽能系統(tǒng)的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空調(diào)、采暖、熱水需求，有效提高系統(tǒng)的項(xiàng)目適用性及合理性。

關(guān)鍵詞：地源熱泵 太陽能 復(fù)合式 高效節(jié)能

中圖分類號(hào)：TU995 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）09（a）-0072-03

隨著國家大力推動(dòng)及相關(guān)節(jié)能環(huán)保政策出臺(tái)，尋找替代 “高消耗、高投入、高污染”傳統(tǒng)落后用能的新型節(jié)能方案，已成為共識(shí)。

此項(xiàng)目作為首個(gè)國家級(jí)救援基地項(xiàng)目，定位于：“運(yùn)行經(jīng)濟(jì)可靠，設(shè)計(jì)低碳環(huán)保，體現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)”的建設(shè)目標(biāo)，前期考證多種能源系統(tǒng)形式，以空氣為熱源，冬季低溫環(huán)境機(jī)組會(huì)出現(xiàn)頻繁融霜與運(yùn)行不利。使用鍋爐采暖不符合環(huán)保要求。同時(shí)建設(shè)地周邊無可用地表水及處理污水，且城區(qū)內(nèi)打井審批困難。在綜合分析可行性后，提出采用地源熱泵+太陽能的系統(tǒng)形式。

利用地源熱泵技術(shù)冬季吸收土壤及巖層蘊(yùn)含的熱量，營(yíng)造溫暖的室內(nèi)環(huán)境。夏季將室內(nèi)熱量排入土壤中，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的降低。太陽能熱水系統(tǒng)，在晴好天氣時(shí)，可滿足全部熱水需求。當(dāng)其無法運(yùn)行，熱水機(jī)組自土壤取熱提溫后供生活熱水。太陽能系統(tǒng)運(yùn)行中可實(shí)現(xiàn)污染零排放。

通過以上系統(tǒng)建設(shè)，可滿足救援基地項(xiàng)目夏季空調(diào)、冬季采暖及全年生活熱水需求，經(jīng)運(yùn)行測(cè)算是一種較為經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)形式。

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目建設(shè)地河北省唐山市，占地面積122 948.15 m2，建筑面積59 872 m2。地埋管可用地面積為32 142 m2，包括體育場(chǎng)跑道、草坪、路面等區(qū)域?，F(xiàn)有培訓(xùn)樓、辦公樓、訓(xùn)練館等為平頂建筑，可布置太陽能集熱模塊，且周圍建筑無遮擋，存采光及場(chǎng)地條件好。項(xiàng)目為新建，建筑功能涉及辦公樓、培訓(xùn)樓、地下演練場(chǎng)、體育館及宿舍樓等。末端設(shè)備為風(fēng)機(jī)盤管，有空調(diào)、采暖、日常生活熱水等需求。

2 系統(tǒng)方案介紹

2.1 負(fù)荷計(jì)算

夏季空調(diào)室內(nèi)計(jì)算參數(shù)為溫度24 ℃～26 ℃，濕度40%～50%。冬季采暖計(jì)算參數(shù)為溫度18 ℃～23 ℃，濕度30%～40%。計(jì)算得冷負(fù)荷為5 988.4 kW，熱負(fù)荷為4 365 kW。

生活熱水主要滿足培訓(xùn)樓接待及廚房使用，根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50015-2003（2009年版），按照不同功能選擇用水定額，且培訓(xùn)樓與廚房用水時(shí)段獨(dú)立無疊加。計(jì)算得培訓(xùn)樓小時(shí)熱水量qrh=9760 L，廚房qrh= 1771.9 L，所需日熱水量為Qd=102.47 t，最大小時(shí)熱負(fù)荷為1 340.7 kW。

2.2 系統(tǒng)形式

選用系統(tǒng)型式：離心式熱泵機(jī)組+螺桿熱水機(jī)組+太陽能集熱板+儲(chǔ)熱水箱。

夏季離心式機(jī)組為空調(diào)供冷，冬季離心式機(jī)組為采暖供熱，當(dāng)負(fù)荷低于單機(jī)容量30%，從經(jīng)濟(jì)性考慮啟動(dòng)螺桿式熱泵機(jī)組采暖。

生活熱水全年優(yōu)先采用太陽能系統(tǒng)滿足，夏季離心機(jī)組熱回收作為補(bǔ)充，當(dāng)受環(huán)境影響太陽能無法運(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)熱泵機(jī)組供應(yīng)熱水。

（1）空調(diào)（采暖）機(jī)組，2臺(tái)離心式熱泵機(jī)組，單臺(tái)制熱量3 106 kW，制冷量2 992.12 kW，用于夏季供冷冬季供暖，夏季可部分熱回收生產(chǎn)生活熱水。

（2）熱水機(jī)組，2臺(tái)螺桿式熱泵機(jī)組單臺(tái)制熱量為927 kW，可制熱水，冬季也可作為供熱調(diào)峰機(jī)組使用。

（3）地埋管換熱器，地埋管換器以巖土熱物性試驗(yàn)數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)依據(jù)，勘測(cè)結(jié)果如下。（見表1）

說明：表1中的參數(shù)是根據(jù)冬季工況推算獲得，所選機(jī)組夏季標(biāo)準(zhǔn)工況為冷卻水，出水溫度35 ℃，測(cè)試過程按照國家規(guī)定執(zhí)行。

由地勘實(shí)驗(yàn)可知，地質(zhì)層超過100 m為大塊鵝卵石，從工期及成本分析，打井深度定為100 m。綜合冬夏熱量平衡，計(jì)算得成孔數(shù)量為1 090口。采用垂直埋管方式。為采用三角形排布，井間距4 m。

2.3 太陽能系統(tǒng)

唐山地區(qū)太陽能全年輻射總量可達(dá)5 768 MJ/（m2·a），日照2 600～2 900 h。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，建筑頂部可布置太陽能集熱器約1 200 m2，理論運(yùn)行天數(shù)為223 d（扣除雨雪陰天），計(jì)算日產(chǎn)熱水量為116 t，滿足日熱水用量。選用192組SLL-1500/50聯(lián)集管式太陽集熱器模塊，并配置專業(yè)PLC智能控制裝置。地源熱泵系統(tǒng)和太陽能系統(tǒng)的原理如圖1、圖2所示。

2.4 問題及解決措施

項(xiàng)目難點(diǎn)主要存在于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工管理兩方面，負(fù)荷功能多變、控制距離遠(yuǎn)、工期緊張成為突出矛盾，為此提出相應(yīng)措施如下。

2.4.1 系統(tǒng)形式靈活，實(shí)現(xiàn)多功能備用

核心機(jī)組及輸配水泵均為同型，變頻運(yùn)行一一對(duì)應(yīng)。離心式機(jī)組與太陽能系統(tǒng)均可產(chǎn)生熱水，熱水機(jī)組供暖調(diào)峰，并備用。

2.4.2 PLC控制實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程切換，保證太陽能優(yōu)先運(yùn)行

PLC控制系統(tǒng)由太陽能系統(tǒng)和機(jī)房群控兩部分組成。

太陽能系統(tǒng)控制包括：（1）設(shè)備手動(dòng)/自動(dòng)切換功能；（2）定溫出水功能；（3）溫差循環(huán)功能；（4）自動(dòng)上水功能；（5）漏電保護(hù)、防干燒、故障報(bào)警等。

機(jī)房控制包括換季閥門切換、設(shè)備聯(lián)動(dòng)、系統(tǒng)間運(yùn)行切換。通過檢測(cè)太陽能循環(huán)水泵在設(shè)定時(shí)段的運(yùn)行情況，確定熱泵機(jī)組是否啟動(dòng)。

2.4.3 離心機(jī)組熱回收合理運(yùn)行

離心式機(jī)組采用三級(jí)變頻高效壓縮機(jī)，較高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，可實(shí)現(xiàn)部分熱回收，有效回收冷凝器熱量，補(bǔ)充生活熱水，大大減少太陽能運(yùn)行時(shí)間。

2.4.4 優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行，提高經(jīng)濟(jì)性

空調(diào)采暖工況：高負(fù)荷時(shí)優(yōu)先采用離心式熱泵機(jī)組，低負(fù)荷時(shí)優(yōu)先啟動(dòng)螺桿機(jī)組，保證機(jī)組始終在較高負(fù)荷率運(yùn)行。

熱水工況：優(yōu)先運(yùn)行太陽能系統(tǒng)，當(dāng)不具備集熱條件時(shí)，啟動(dòng)螺桿機(jī)組提供熱水，夏季離心式機(jī)組熱回收作為補(bǔ)充。

2.4.5 機(jī)房合理選址，地埋管換熱器分區(qū)布置

機(jī)房定在體育場(chǎng)看臺(tái)地下一層，貼臨配電中心，位于負(fù)荷中心。地埋管換熱器分為6個(gè)區(qū)，各區(qū)埋孔數(shù)量基本一致。由室外分集水器連接并設(shè)置獨(dú)立井室。水平連接管路采用同程布置。

2.4.6 實(shí)行一天雙會(huì)制度

由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人組織召開，時(shí)間為7：00和22：00。早會(huì)安排當(dāng)天工作內(nèi)容，討論待解決問題。晚會(huì)聽取匯報(bào)，確定當(dāng)天工程完成進(jìn)度，為第二天工作安排提供參考。

2.4.7 人員配置嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)

項(xiàng)目組人員構(gòu)成完備，制度嚴(yán)明。建立從上至下管理流程，保證問題及時(shí)反饋，不得越權(quán)處理，與考核、項(xiàng)目進(jìn)度獎(jiǎng)勵(lì)掛鉤。

2.4.8 采用先進(jìn)設(shè)備技術(shù)縮短工期

地埋側(cè)打孔制定三班制24 h連續(xù)作業(yè)，選擇專業(yè)鑲齒鉆頭破碎成孔設(shè)備結(jié)合管徑De32單U埋管形式，降低施工難度及潛在壓癟隱患，并減少占地面積。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

按照電費(fèi)0.7元/kWh計(jì)算運(yùn)行費(fèi)用。（見表2）

4 結(jié)語

地源熱泵系統(tǒng)是發(fā)展較為完善的節(jié)能系統(tǒng)，期間不斷吸收新的技術(shù)，以適應(yīng)更加復(fù)雜的工況環(huán)境要求，通常冷熱負(fù)荷相對(duì)平均的地區(qū)適宜采用，對(duì)系統(tǒng)建設(shè)限制因素較少。在寒冷北方地區(qū)，系統(tǒng)建設(shè)時(shí)要充分考慮土壤熱平衡、凍結(jié)等問題，從保證換熱器換熱效果、系統(tǒng)穩(wěn)定性角度出發(fā)，采取太陽能系統(tǒng)作為輔助系統(tǒng)，可有效提高系統(tǒng)運(yùn)行能效，降低運(yùn)行費(fèi)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫洲陽，陳武.太陽能—地源熱泵聯(lián)合循環(huán)技術(shù)研究[J].流體機(jī)械，2011，39（10）：67-71.

[2] 余鑫，王如竹，翟曉強(qiáng).豎直埋管地源熱泵系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].暖通空調(diào)，2010，40（2）：1-9.

[3] 建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50015-2003）[S].2009.