浙江公共建筑地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

孫林娜 劉啟明 許抗吾 褚 賽 魏俊輝

（北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100038）

0 引言

目前，地源熱泵作為一項(xiàng)可再生能源技術(shù)在長江三角城市群大力推進(jìn)，其中浙江地區(qū)已于2020年發(fā)布地源熱泵應(yīng)用規(guī)范文件，在浙江省的氣候地域等地方特色的基礎(chǔ)上，開展廣泛和深入的調(diào)查研究[1,2]。寧波地區(qū)的第四系地層主要分布在沿海平原區(qū)，第四系厚度從西北、東南平原兩側(cè)向平原區(qū)中心逐漸增厚，由30～40m 遞增至100～110m[3]。本項(xiàng)目所在場地0～35m 為淤泥質(zhì)土層，地層巖性為細(xì)顆粒的粘性土、粉土和砂土，可鉆性較好，場地第四系厚度約為80m。

地源熱泵系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)需要對項(xiàng)目的全年冷、熱負(fù)荷特性進(jìn)行分析，計(jì)算地埋管系統(tǒng)全年總釋熱量、總吸熱量、最大釋熱量和最大吸熱量[4]，浙江地區(qū)建筑空調(diào)全年累計(jì)冷負(fù)荷大于全年累計(jì)熱負(fù)荷，累計(jì)釋熱量遠(yuǎn)大于取熱量[5]，而參照規(guī)范，地源熱泵地埋管系統(tǒng)的全年總釋熱量和總吸熱量應(yīng)基本平衡，對于地下水徑流流速較小的地埋管區(qū)域，在計(jì)算周期內(nèi)，兩者比值處于0.8～1.25 之間[6]。為了保證土壤全年冷熱平衡，辦公建筑一般采用地源熱泵與其他冷熱源相結(jié)合的復(fù)合系統(tǒng)，主要包括以下三種情況：

（1）冷負(fù)荷遠(yuǎn)大于熱負(fù)荷

設(shè)計(jì)時(shí)以熱負(fù)荷決定地源熱泵裝機(jī)及埋管規(guī)模，由埋管數(shù)量反推地埋管系統(tǒng)的供冷能力，供冷不足時(shí)由其他常規(guī)空調(diào)冷源補(bǔ)足，通過調(diào)節(jié)地源熱泵與常規(guī)空調(diào)冷源開啟時(shí)間，可保證土壤冷熱平衡。

（2）冷負(fù)荷略大于熱負(fù)荷

設(shè)計(jì)時(shí)以熱負(fù)荷決定地源熱泵裝機(jī)及埋管規(guī)模，此時(shí)空調(diào)輔助冷源裝機(jī)較小，只通過調(diào)節(jié)地源熱泵與常規(guī)空調(diào)冷源開啟時(shí)間不足以維持土壤冷熱平衡，需設(shè)置輔助冷卻裝置，將過多釋熱量通過冷卻裝置排出。

設(shè)計(jì)時(shí)以冷負(fù)荷決定地源熱泵裝機(jī)，一般情況足夠滿足冬季熱負(fù)荷需求，以熱負(fù)荷決定埋管規(guī)模，通過設(shè)置輔助冷卻裝置，將過多的釋熱量排出。

綜上所述，適用于浙江當(dāng)?shù)氐牡卦礋岜孟到y(tǒng)需充分考慮土壤冷熱平衡問題，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，否則在熱堆積的情況下難以達(dá)到設(shè)計(jì)的運(yùn)行工況，無法滿足建筑負(fù)荷需求。本文通過對比各地源熱泵復(fù)合能源組合形式，探索夏熱冬冷地區(qū)地源熱泵技術(shù)應(yīng)用的特征及適用性。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目建筑為浙江省某公共建筑，位于浙江省寧波市象山縣，總建筑面積69773m2，其中地上為辦公場所和部分商場，建筑面積共49450m2，地下兩層為汽車庫，建筑面積為20323m2。根據(jù)業(yè)主所提供資料，當(dāng)?shù)乜刹捎萌加湾仩t作為熱源，本項(xiàng)目空調(diào)夏季設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為6232kW，冬季設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為4523kW，冷熱源為“地源熱泵+冷水機(jī)組+燃油鍋爐”的復(fù)合能源系統(tǒng)，其中地源熱泵設(shè)計(jì)鉆孔深度為80m，冷水機(jī)組又分為兩臺離心冷機(jī)及1 臺螺桿冷機(jī)，裝機(jī)配置如表1 所示，總制冷量為6315kW，總制熱量為5326kW。

表1 原設(shè)計(jì)方案機(jī)組裝機(jī)配置Table 1 installation configuration of the original design scheme

上述能源形式存在以下3 點(diǎn)問題：

（1）控制較為復(fù)雜：機(jī)組設(shè)備包括地源熱泵、冷水機(jī)組及燃油鍋爐，其中冷水機(jī)組分為離心式冷機(jī)及螺桿式冷機(jī)，系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行控制較為復(fù)雜。

（2）環(huán)保效益差：燃油不屬于清潔能源，有悖于國家“雙碳”政策，節(jié)能及環(huán)保效益差。

（3）浙江省燃油價(jià)格較高，如圖1 所示，近三年-10 號柴油價(jià)格最低為5902 元/噸，系統(tǒng)整體運(yùn)行費(fèi)用較高。

圖1 浙江省近三年-10 號柴油價(jià)格變化趨勢Fig.1 Zhejiang Province in recent three years-10 diesel price change trend

2 優(yōu)化方案分析

通過上述分析可知，本項(xiàng)目能源系統(tǒng)擁有較大的節(jié)能空間，本文重點(diǎn)分析系統(tǒng)能源形式變化對初投資及運(yùn)行費(fèi)用的影響，探索地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能方向，上述項(xiàng)目可優(yōu)化得出以下三種能源組合形式。

（1）地源熱泵+冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)

由于項(xiàng)目原方案采用燃油鍋爐的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)保效益差，將燃油鍋爐更換成同等裝機(jī)容量的燃?xì)忮仩t可有效減少運(yùn)行成本，節(jié)能環(huán)保效益好，下述簡稱優(yōu)化方案1，如圖2 所示。

圖2 地源熱泵+冷水機(jī)組+燃?xì)?燃油鍋爐系統(tǒng)Fig.2 Energy system combining ground source heat pump and chiller and gas/oil fired boiler

（2）地源熱泵+冷水機(jī)組系統(tǒng)

由于本項(xiàng)目冷負(fù)荷大于熱負(fù)荷，地源熱泵系統(tǒng)夏季排熱量遠(yuǎn)大于冬季取熱量，為了解決土壤冷熱平衡問題，可加入冷水機(jī)組承擔(dān)部分冷負(fù)荷，此方案去掉鍋爐的同時(shí)增加了部分地埋孔的數(shù)量，地埋孔數(shù)量按照冬季熱負(fù)荷進(jìn)行選擇，下述簡稱優(yōu)化方案2，如圖3 所示。

圖3 地源熱泵+冷水機(jī)組系統(tǒng)Fig.3 Energy system combining ground source heat pump and chiller

（3）地源熱泵+輔助冷卻系統(tǒng)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[1,2]，浙江省推薦地源熱泵與常規(guī)空調(diào)冷熱源組成復(fù)合冷熱源，為了節(jié)省工程造價(jià)，一般只需采用輔助冷卻裝置，地埋管數(shù)量按照熱負(fù)荷選擇，冷卻塔排熱負(fù)荷為夏季空調(diào)冷負(fù)荷與地埋管的最大供冷能力之差，充分發(fā)揮地源熱泵節(jié)能優(yōu)勢，同時(shí)降低部分地埋管初投資費(fèi)用，下述簡稱優(yōu)化方案3，如圖4 所示。

圖4 地源熱泵+輔助冷卻系統(tǒng)Fig.4 Energy system combining ground source heat pump and auxiliary cooling device

3 方案對比分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

3.1.1 運(yùn)行時(shí)間

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[6]，寧波供暖季自12 月8 日至來年3 月5 日止，共計(jì)78 天，系統(tǒng)設(shè)計(jì)供回水溫度為45/40℃，每日早8 時(shí)至晚18 時(shí)按室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度18℃運(yùn)行，晚18 時(shí)至次日早8 時(shí)低溫運(yùn)行。項(xiàng)目設(shè)計(jì)制冷期時(shí)間為6 月1 日至9 月30 日，共計(jì)122 天，系統(tǒng)設(shè)計(jì)供回水溫度為7/12℃，每日早8時(shí)至晚18 時(shí)按室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度26℃運(yùn)行，其余時(shí)間關(guān)閉。

3.1.2 能源價(jià)格

燃油價(jià)格取自2019 至2021 三年期間的平均價(jià)格7398 元/噸，當(dāng)?shù)厝細(xì)鈨r(jià)格為4.15 元/Nm3，電價(jià)按照浙江省電網(wǎng)銷售電價(jià)表一般工商業(yè)用電價(jià)格。如表2 所示。

表2 浙江省工商業(yè)電價(jià)表（自2021 年1 月1 日執(zhí)行）Table 2 Zhejiang industrial and commercial electricity price table

根據(jù)上述設(shè)置的運(yùn)行時(shí)間及能源價(jià)格，計(jì)算三種優(yōu)化方案與原方案的初投資及運(yùn)行費(fèi)用，分析各系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性及適用性。

3.2 結(jié)果對比分析

3.2.1 各方案設(shè)備裝機(jī)

優(yōu)化方案1 將燃油鍋爐替換成同等裝機(jī)容量的燃?xì)忮仩t，其余設(shè)備裝機(jī)基本一致，優(yōu)化方案2與方案3 的設(shè)備裝機(jī)情況如表3 所示。

表3 優(yōu)化方案2 及方案3 機(jī)組裝機(jī)配置Table 3 Optimize the unit installed configuration of scheme 2 and scheme 3

3.2.2 土壤冷熱平衡說明

對于地源熱泵而言，最不容忽視的問題便是調(diào)節(jié)土壤冷熱平衡，維持系統(tǒng)平穩(wěn)正常運(yùn)行。

（1）冷熱平衡計(jì)算

根據(jù)建筑逐時(shí)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果計(jì)算地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)冷熱負(fù)荷需要向土壤取出或排入的熱量，瞬時(shí)取排熱量計(jì)算公式如下所示。

式中：q0為建筑瞬時(shí)冷負(fù)荷，kW；qc為向土壤釋放的瞬時(shí)熱量，kW；q1為建筑瞬時(shí)熱負(fù)荷，kW；qh為從土壤取出的瞬時(shí)熱量，kW。

累計(jì)取排熱量計(jì)算公式如下所示。

式中：Qc為年累計(jì)釋熱量，kW；Qh為年累計(jì)取熱量，kW。

土壤不平衡率計(jì)算公式如下所示。

式中：η為土壤冷熱不平衡率，%。

（2）方案調(diào)平衡說明

原方案與優(yōu)化方案1 中均以地源熱泵作為基礎(chǔ)負(fù)荷，燃?xì)?燃油鍋爐作為調(diào)峰熱/冷源，若不進(jìn)行冷熱平衡調(diào)節(jié)，則會出現(xiàn)土壤熱堆積現(xiàn)象，不利于系統(tǒng)高效運(yùn)行。上述兩種系統(tǒng)在調(diào)節(jié)前的土壤不平衡率為49.72%，如圖5 所示。通過分季節(jié)控制機(jī)組開啟的方式，當(dāng)室外濕球溫度較低時(shí)，冷水機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行，充分發(fā)揮冷卻塔向低溫環(huán)境排熱的優(yōu)勢，給予地埋管土壤溫度恢復(fù)的時(shí)間，避免埋管周圍熱量堆積，其余冷負(fù)荷由地源熱泵承擔(dān)。調(diào)節(jié)后土壤不平衡率為14.80%，如圖6 所示。

圖5 原方案與優(yōu)化方案1 土壤調(diào)平衡前示意圖Fig.5 Schematic diagram before soil balance adjustment of original scheme and optimization scheme 1

圖6 原方案與優(yōu)化方案1 土壤調(diào)平衡后示意圖Fig.6 The original scheme and optimized scheme 1 after soil regulation and balance

優(yōu)化方案2 中去掉了鍋爐配置，地源熱泵裝機(jī)按照冬季熱負(fù)荷選擇，冷水機(jī)組作為補(bǔ)充冷源。此方案雖配有冷水機(jī)組承擔(dān)冷負(fù)荷降低土壤排熱量，但由于冷水機(jī)組裝機(jī)較小，即使以冷水機(jī)組承擔(dān)夏季基礎(chǔ)負(fù)荷，其余時(shí)間開啟地源熱泵機(jī)組仍出現(xiàn)熱堆積現(xiàn)象，此時(shí)土壤不平衡率為49.6%，如圖7 所示。為了進(jìn)一步調(diào)整土壤冷熱平衡，為地源熱泵機(jī)組配備冷卻塔，將多余的熱量通過冷卻塔排掉，采用分階段開啟冷卻塔的方式，盡可能保證在室外濕球溫度較低階段開啟冷卻塔，使其高效運(yùn)行，優(yōu)化方案2 中冷卻塔在7 月30 日至8 月30 日期間關(guān)閉，其余時(shí)間開啟，土壤不平衡率為15.25%，如圖8所示。

圖7 優(yōu)化方案2 土壤調(diào)平衡前示意圖Fig.7 Schematic diagram before soil balance adjustment in optimization scheme 2

圖8 優(yōu)化方案2 土壤調(diào)平衡后示意圖Fig.8 optimization scheme 2 after soil regulation and balance

優(yōu)化方案3 也采用上述方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于埋管數(shù)量根據(jù)冬季熱負(fù)荷決定，故地埋管系統(tǒng)夏季制冷能力有限，此時(shí)出現(xiàn)兩種情況：

①冷卻塔集中在7 月30 日至8 月26 日關(guān)閉，期間運(yùn)行過程中若地埋管制冷能力不足，則依然開啟冷卻塔進(jìn)行排熱。

②其余時(shí)間冷卻塔承擔(dān)基礎(chǔ)排熱量，其余熱量排入地埋管系統(tǒng)中。

上述策略運(yùn)行后的土壤不平衡率為14.42%。

3.2.3 方案對比分析

（1）經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)地源熱泵裝機(jī)，各方案設(shè)計(jì)地源熱泵打孔數(shù)如表3 所示，本方案單米吸熱量為37W/m，單米釋熱量為55W/m。

表4 打孔數(shù)量統(tǒng)計(jì)Table 4 Number of buried holes

①初投資對比

本項(xiàng)目涉及的設(shè)備包括地源熱泵、冷水機(jī)組、鍋爐、水泵及板換等，經(jīng)測算，各方案初投資費(fèi)用如表5 所示，由于優(yōu)化方案2 及優(yōu)化方案3 中地埋孔數(shù)量較多，故其初投資相比其他兩方案費(fèi)用較高。

表5 初投資費(fèi)用統(tǒng)計(jì)Table 5 Preliminary investment cost statistics

②運(yùn)行費(fèi)用對比

原方案與優(yōu)化方案計(jì)算的運(yùn)行能耗及運(yùn)行費(fèi)用分別如表6、表7 所示，優(yōu)化方案1 的電耗與原方案相同，由于當(dāng)?shù)厝加图叭細(xì)鈨r(jià)格相差較大，運(yùn)行費(fèi)用較低。優(yōu)化方案2 與優(yōu)化方案3 相比于原方案夏季電耗降低，冬季電耗增加，運(yùn)行費(fèi)用顯著降低。

表6 能耗統(tǒng)計(jì)Table 6 Energy consumption statistics

表7 運(yùn)行費(fèi)用統(tǒng)計(jì)Table 7 Operating cost statistics

③靜態(tài)投資回收期

各方案初投資及運(yùn)行費(fèi)用如圖9 所示，相比于原方案，優(yōu)化方案1 的靜態(tài)投資回收期為0.72 年，優(yōu)化方案2 的投資回收期為15.05 年，優(yōu)化方案3的投資回收期為13.26 年。

圖9 靜態(tài)投資回收期分析Fig.9 Static payback period analysis

（2）環(huán)保效益分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，新建燃油鍋爐和燃?xì)忮仩t的SO2及氮氧化物排放限值如表8 所示。從表中可知，使用燃?xì)忮仩t的環(huán)保效益更好，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于燃油鍋爐。

表8 新建鍋爐污染物限值統(tǒng)計(jì)[7]Table 8 Statistics of pollutant limits of newly-built boilers

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[8,9]，各方案能源折合成排放標(biāo)煤量如圖10 所示，相比化石能源，地源熱泵對環(huán)境影響較小，地源熱泵裝機(jī)越大，節(jié)能環(huán)保效益越好。

圖10 各方案排放標(biāo)煤量Fig.10 The amount of standard coal discharged by each scheme

3.2.4 適用性分析

（1）原方案

原方案采用“地源熱泵+冷水機(jī)組+燃油/燃?xì)忮仩t”系統(tǒng)，地源熱泵設(shè)計(jì)裝機(jī)較小，需要設(shè)置其他冷熱源，此時(shí)冷水機(jī)組及燃油鍋爐設(shè)計(jì)裝機(jī)較大，從整體看，冷水機(jī)組的能效不及地源熱泵，且燃油的運(yùn)行單價(jià)較貴，運(yùn)行費(fèi)用整體高于后續(xù)增加地源熱泵裝機(jī)的優(yōu)化方案2/3。僅適用于燃油價(jià)格較低的項(xiàng)目。

（2）優(yōu)化方案1

優(yōu)化方案1 采用“地源熱泵+冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t”系統(tǒng)，此方案對比的目的在于判斷浙江地區(qū)在同樣工況下燃油和燃?xì)獾倪\(yùn)行費(fèi)用差異，計(jì)算結(jié)果顯示，在同等裝機(jī)條件下，燃?xì)忮仩t的運(yùn)行費(fèi)用低于燃油鍋爐，而二者的初投資相差不大。在同時(shí)擁有燃油及燃?xì)赓Y源的條件下應(yīng)優(yōu)先采用燃?xì)忮仩t。

（3）優(yōu)化方案2

優(yōu)化方案2 采用“地源熱泵+冷水機(jī)組”系統(tǒng)，地源熱泵裝機(jī)按照冬季熱負(fù)荷設(shè)計(jì)，夏季冷負(fù)荷不足部分由冷水機(jī)組補(bǔ)足，本項(xiàng)目熱負(fù)荷與冷負(fù)荷相差較小，冷水機(jī)組的裝機(jī)較小，即使將冷水機(jī)組作為基礎(chǔ)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)仍不能保證土壤冷熱平衡，需要為地源熱泵機(jī)組設(shè)置冷卻塔排掉多余熱量，額外增加投資費(fèi)用，此方案更適用于冷熱負(fù)荷差值較大，采用冷水機(jī)組即可調(diào)整冷熱平衡的項(xiàng)目。

（4）優(yōu)化方案3

優(yōu)化方案3 采用“地源熱泵+輔助冷卻”系統(tǒng)，地源熱泵系統(tǒng)裝機(jī)按照夏季冷負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，調(diào)整土壤冷熱平衡主要靠冷卻塔實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)形式較為簡單，由于地源熱泵裝機(jī)依照冷負(fù)荷值，所選機(jī)組對于冬季熱負(fù)荷而言裝機(jī)容量過大，初投資增加，更適用于冷熱負(fù)荷差值較小，冷卻塔需排熱量較少的項(xiàng)目。

整體而言，原方案與優(yōu)化方案1 適用于現(xiàn)場打孔空間有限，無法增加地源熱泵裝機(jī)的情況，而二者相比，若同時(shí)擁有兩種熱源，由于燃油鍋爐的價(jià)格稍貴且環(huán)保效益差，應(yīng)優(yōu)先采用優(yōu)化方案1。優(yōu)化方案2 及優(yōu)化方案3 適用于現(xiàn)場打孔空間充裕的情況，若冷熱負(fù)荷差值大，應(yīng)優(yōu)先采用優(yōu)化方案2，若冷熱負(fù)荷差值小，應(yīng)優(yōu)先采用優(yōu)化方案3。

4 結(jié)論

本文致力于探究夏熱冬冷地區(qū)地源熱泵技術(shù)應(yīng)用方向，具體項(xiàng)目選用地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用形式時(shí)應(yīng)充分考慮場地打孔條件，場地布孔區(qū)域面積，由此確定地源熱泵孔數(shù)上限，再結(jié)合冷熱負(fù)荷設(shè)計(jì)值及建筑周邊能源分布情況判定項(xiàng)目可用的能源系統(tǒng)形式及各設(shè)備裝機(jī)比例。具體結(jié)論如下：

（1）場地布孔區(qū)域

布孔區(qū)域面積決定地源熱泵的裝機(jī)范圍，若布孔區(qū)域較小，單一的地源熱泵無法滿足建筑冷熱負(fù)荷需求應(yīng)配套采用其他輔助冷熱源，如冷水機(jī)組、鍋爐等，若布孔區(qū)域足夠，由于夏熱冬冷地區(qū)的冷負(fù)荷大于熱負(fù)荷，應(yīng)根據(jù)熱負(fù)荷確定埋孔數(shù)量，減少不必要的初投資費(fèi)用及能源浪費(fèi)。

（2）土壤冷熱平衡

夏熱冬冷地區(qū)地源熱泵應(yīng)用大多存在熱堆積的情況，若布孔區(qū)域不足，冬季一般以地源熱泵作為基載，鍋爐等輔助熱源作為調(diào)峰，夏季控制地源熱泵及冷水機(jī)組運(yùn)行時(shí)間維持土壤冷熱平衡。若布孔區(qū)域充足，由冷熱負(fù)荷差值決定地源熱泵系統(tǒng)形式，冷熱負(fù)荷差值較大，可采用“地源熱泵+冷水機(jī)組”的系統(tǒng)形式，若冷熱負(fù)荷差值較小，可采用“地源熱泵+輔助冷卻”的系統(tǒng)形式。

（3）能源應(yīng)用分析

項(xiàng)目的能源應(yīng)用需評估能源站建設(shè)資金及當(dāng)?shù)啬茉磧r(jià)格波動(dòng)情況。本項(xiàng)目場地周邊可用化石能源包括柴油及天然氣，但由于當(dāng)?shù)赜蛢r(jià)較高且環(huán)保效益較差，測算結(jié)果顯示采用天然氣能夠進(jìn)一步降低運(yùn)行費(fèi)用，完全可以由燃?xì)忮仩t替代燃油鍋爐。此外，地源熱泵系統(tǒng)由于初投資較高，應(yīng)用時(shí)需充分考慮當(dāng)?shù)刂饡r(shí)電價(jià)，電價(jià)越低，項(xiàng)目的靜態(tài)投資回收期越短，地源熱泵系統(tǒng)能源應(yīng)用的優(yōu)勢越大。