地源熱泵系統(tǒng)在校園建筑中的應(yīng)用分析

文/龐治霞、劉乃玲 山東建筑大學(xué) 山東濟南 250000

龐治霞 山東水立方建筑設(shè)計有限公司 山東濰坊 261000

曹銀生 山東工業(yè)技師學(xué)院 山東濰坊 261000

利用淺層地?zé)崮艿牡芈窆艿卦礋岜孟到y(tǒng)具有綠色環(huán)保、污染小、節(jié)能、并且可以供冷供暖兼制衛(wèi)生熱水“一機三用”的特點，有“綠色空調(diào)技術(shù)”的美譽[1]。校園內(nèi)由于學(xué)校課程和作息時間的安排，教學(xué)類建筑和宿舍樓同時使用率較低，空調(diào)負荷存在明顯的錯峰、間歇使用的現(xiàn)象，這種負荷特點適合地源熱泵系統(tǒng)的運用。本文運用工程實例分析了地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計和運行管理并提出可行性措施。

1、工程概況及建筑冷熱負荷

濰坊市某體育學(xué)校，位于濰坊濱海開發(fā)區(qū)，學(xué)校用地面積442225㎡，建筑總面積167192㎡。校園內(nèi)建有21棟樓，包括綜合辦公樓，教學(xué)樓4棟，圖書館，食堂，學(xué)生公寓5棟，訓(xùn)練競技場館7棟，能源中心，康復(fù)中心及教職工公寓。教職工寓采用低溫?zé)崴椛涔┡溆嘟ㄖ捎蔑L(fēng)機盤管+新風(fēng)系統(tǒng)?？偨ㄖ湄摵?4830kW，熱負荷14044kW。

學(xué)校各個建筑的使用時間嚴重錯峰：教學(xué)類建筑如教學(xué)樓與訓(xùn)練競技場館在白天上課訓(xùn)練用，學(xué)生公寓午休和晚間使用，食堂僅為間歇性早中晚就餐時間使用，綜合樓白天使用，教職工公寓全天使用。建筑分時段使用決定了建筑的負荷特點——逐時疊加負荷的最大值比各個建筑負荷相加的最大值小的多[2]。

按照逐時疊加負荷的最大值選配地源熱泵機組，增大了熱泵機組的裝機容量；負荷錯峰的建筑共用一套地埋管系統(tǒng)，從根本上降低地埋管的數(shù)量且有助于地下回灌的熱量與提取的熱量保持相對平衡，對維持地下巖土長期溫度平衡有利。故而從地源熱泵機房和地埋管系統(tǒng)兩方面都可減少工程造價與運行費用。學(xué)校建筑規(guī)模大，從系統(tǒng)后期易操作好維護管理考慮，分為三個獨立的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)置于各區(qū)。各系統(tǒng)負擔(dān)建筑及逐時疊加后冷熱負荷如下表1：

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2、地源熱泵機房設(shè)計

機組采用高壓螺桿式地源熱泵機組，機房一采用兩臺SM(LM)-500DG；機房二、三各采用三臺SM(LM)-500DG，單機制冷量/制熱量：1629kW/1560kW,夏季空調(diào)供回水7℃/12℃，冬季空調(diào)供回水45℃/40℃；地源側(cè)夏季冷源水25℃/30℃，冬季熱源水8℃/3℃。熱泵機組與空調(diào)水循環(huán)泵、地源水循環(huán)泵一一對應(yīng)設(shè)置，循環(huán)泵冬夏共用?？照{(diào)側(cè)采用循環(huán)泵壓差旁通控制變流量系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)原理圖如圖1示。

3、地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計

本項目系統(tǒng)開機運行份額較小，根據(jù)巖土熱物性實驗，每米孔深按釋熱量ql= 52w/m，取熱量qr=42w/m確定地埋管數(shù)量。

作為一所體育學(xué)校，具有占地11萬平方米的運動場，可將地埋管換熱器群布置在運動場，并分為三個區(qū)域。區(qū)域一位于競校網(wǎng)球場，鉆孔數(shù)量672孔，承擔(dān)系統(tǒng)一冷熱負荷；區(qū)域二位于籃球訓(xùn)練場與足球訓(xùn)練場，鉆孔數(shù)量804孔，承擔(dān)系統(tǒng)二冷熱負荷；區(qū)域三位于橄欖球訓(xùn)練場，鉆孔數(shù)量762孔，承擔(dān)系統(tǒng)三冷熱負荷及系統(tǒng)二部分冷負荷；總計鉆孔數(shù)量2238孔。地埋管水平主干管與室外各分集水器相連后接往機房。由于各集分水器所負擔(dān)地埋管數(shù)量基本一致，主管道進入機房路數(shù)和熱泵機組數(shù)量一致，每路地埋管所負擔(dān)可滿足一臺熱泵機組對冷熱源的要求。

4、主要運行問題分析及解決辦法

4.1 主要運行問題分析

工程專門配置一套能源管理監(jiān)測系統(tǒng)，可以運用計算機對系統(tǒng)中各部分設(shè)備以及軟件進行智能化控制和實時測控。對2018年7月份及2019年1月份各時間點空調(diào)供回水采集數(shù)據(jù)進行匯總分析發(fā)現(xiàn)，空調(diào)水及地源水大流量小溫差的現(xiàn)象一直存在。測試結(jié)果反映出整個空調(diào)水系統(tǒng)，實際供回水溫差比設(shè)計的5℃溫差低得多。對空調(diào)進出水溫分析也發(fā)現(xiàn)，夏季供水溫度比設(shè)計值高，而冬季回水溫度比設(shè)計值低。熱泵機組地埋管冬季最低進水溫度6℃，夏季進水溫度最高31℃，且運行過程中供回水溫差小于3℃。在冷熱源溫度范圍合理的情況下產(chǎn)生這樣的結(jié)果說明空調(diào)末端使用負荷小且空調(diào)水流量偏大。

圖2 冷凍水供、回水溫差運行時間百分比

圖3 熱媒水供、回水溫差運行時間百分比

存在較為嚴重的大流量小溫差的原因在于：

（1）負荷配置大，學(xué)?，F(xiàn)有在校師生1300余人。遠未達到5800余人的設(shè)計規(guī)模，而空調(diào)系統(tǒng)按照滿負荷配置，現(xiàn)在并未達到滿負荷運行。

（2）運行設(shè)備配置不合理：設(shè)計要求是按照設(shè)備一對一原則來運行空調(diào)系統(tǒng)。由于很多空調(diào)房間未開，不進行空調(diào)。機房熱泵機組及循環(huán)水泵只運行一半，即可滿足負荷要求。

而實際運行過程中出現(xiàn)了一臺熱泵機組對應(yīng)多臺循環(huán)泵的情況——機組按照使用要求開啟，而循環(huán)泵全部開啟，違背了安全運行的原則又浪費了能源，不經(jīng)濟。且熱泵機組進、出口閥門處于開啟狀態(tài)，部分循環(huán)水旁通到未開啟機組不僅沒能被制冷，反而增加了另外一臺循環(huán)泵的能耗，運行配置不合理。

從檢測數(shù)據(jù)分析, 循環(huán)水泵能耗占得比例非常大，占系統(tǒng)總用電量的40%～50%。與合理運行相比, 兩年來多耗費電160萬kWh。

4.2 問題解決辦法

對運行設(shè)備進行合理配置，嚴格要求按照設(shè)備一對一原則來運行空調(diào)系統(tǒng)；空調(diào)末端滿足使用要求的狀況下，夏季提高空調(diào)供水溫度、冬季降低空調(diào)供水溫度、減少通過熱泵機組空調(diào)側(cè)的水流量、調(diào)整熱泵機組在高效負荷區(qū)（非滿負荷）運行。因為空調(diào)系統(tǒng)的各同類設(shè)備是按照同型號并聯(lián)配置的，并且都可以正常運行，所以開、關(guān)設(shè)備不用考慮設(shè)備型號來選擇關(guān)閉哪臺。且只運行一臺熱泵機組時，地源側(cè)集分水器周期性關(guān)閉其中一支循環(huán)管路，便于地溫恢復(fù)，提高熱泵機組的工作效率。

5、工程造價及運行費用分析

5.1 工程造價分析

本工程地源熱泵機房系統(tǒng)造價781.37萬元，地埋管換熱系統(tǒng)造價367.42萬元，工程共計1148.79萬元，總建筑為167192m2，故單位面積造價68.71元/m2。遠低于常規(guī)設(shè)計的造價水平。

5.2 運行費用分析

從圖4三年縱向分析，地源熱泵系統(tǒng)總用電量逐年增加，符合學(xué)校師生數(shù)量逐年增加，所需空調(diào)負荷不斷增大的現(xiàn)狀；從每年每月用電量分析，每年1月及7月或8月是用電高峰期，這與濰坊市外氣候有很大關(guān)系。

為便于比較分析運行費用，按照每年6月～9月為制冷季，11月15日～下年3月15日供暖季，學(xué)校電費為0.54元/KWh。如下表。循環(huán)水泵的開啟數(shù)量如按運行設(shè)備合理配置，兩年可節(jié)約電費84.6萬元。

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5.3 用水量分析

學(xué)校水費為3.2元/m3,2017～2018制冷采暖季用水量3812m3/h，用水費用12199元；2018～2019制冷采暖季循環(huán)水泵總用水量為5167m3/h，用水費用16534元。

從水量變化可以看出：系統(tǒng)用水量增加趨勢明顯，用于冷熱水季節(jié)轉(zhuǎn)換、管件及閥門強度不夠等因素，漏水點增加，需配備專職維修人員定期巡檢，避免影響使用效果。

結(jié)論：

本項目從2017年1月開始運行至今已歷經(jīng)兩個采暖季和兩個制冷季。得出以下結(jié)論：

①空調(diào)系統(tǒng)整體運行較平穩(wěn)、正常，室內(nèi)空調(diào)各項性能指標均達到或優(yōu)于設(shè)計要求，冷熱源主機設(shè)備及地埋管換熱器系統(tǒng)運行良好。

②學(xué)校建筑使用錯峰的負荷特點適合采用地源熱泵供冷供暖，其工程造價明顯優(yōu)于其他常規(guī)建筑地源熱泵系統(tǒng)造價。

③在系統(tǒng)未滿負荷運行的情況下，運行費用明顯尤于其他供冷、供暖形式，地源熱泵系統(tǒng)是值得大力推薦的節(jié)能、環(huán)保、低碳的技術(shù)。

④地源熱泵系統(tǒng)的運行過程中應(yīng)按照運行策略合理匹配運行設(shè)備。

⑤加強提高管理人員的專業(yè)技術(shù)水平，完善系統(tǒng)管理制度，最大程度的發(fā)揮系統(tǒng)的節(jié)能潛力。