邱昱榕

湖南省建筑設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410082

在我國(guó)，歷年冷熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)均表明：大型辦公建筑等公用建筑中夏季供冷負(fù)荷大多都大于冬季供熱負(fù)荷[1]，尤其在南方夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)，冷熱負(fù)荷的差距導(dǎo)致了土壤冬季吸熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于夏季排熱量，久而久之影響環(huán)境溫度，降低了地下埋管的換熱能力，導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)的循環(huán)效率下降，影響系統(tǒng)綜合能效及使用壽命[2]。為消除地下?lián)Q熱不平衡現(xiàn)象，一個(gè)切實(shí)可行的方法就是在地源熱泵系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加輔助換熱設(shè)備及措施，構(gòu)成復(fù)合系統(tǒng)。

1 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)輔助換熱系統(tǒng)主要形式

綜合多年人們對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的研究及實(shí)踐，其輔助換熱系統(tǒng)形式主要有以下幾種[3]：

（1）設(shè)置冷卻塔等輔助冷卻系統(tǒng)；

（2）設(shè)置生活熱水系統(tǒng)等相關(guān)供熱系統(tǒng)；

（3）太陽(yáng)能地源熱泵聯(lián)合供冷供熱系統(tǒng)。

其中，前兩類(lèi)系統(tǒng)主要應(yīng)用于夏季負(fù)荷大于冬季負(fù)荷的情況。第一類(lèi)系統(tǒng)是按冬季負(fù)荷或夏季部分負(fù)荷設(shè)計(jì)地下埋管換熱器，當(dāng)夏季高峰負(fù)荷下地下?lián)Q熱器換熱量不夠時(shí)，通過(guò)設(shè)定好的控制形式適時(shí)的開(kāi)啟輔助冷卻系統(tǒng)，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求（圖1）。

圖1 冷卻塔和地埋管換熱系統(tǒng)的組合方式

第二類(lèi)系統(tǒng)的原理是空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)更多的供熱負(fù)荷，把空調(diào)熱負(fù)荷以外的熱需求系統(tǒng)納入到冷熱源系統(tǒng)當(dāng)中，從而縮小夏季排熱量和冬季吸熱量的差距，實(shí)現(xiàn)冷熱平衡。

最后一種系統(tǒng)主要應(yīng)用于寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)等冬季換熱量大于夏季換熱量的地區(qū)，它的原理是在地源熱泵的基礎(chǔ)上增加太陽(yáng)能供冷或供熱系統(tǒng)，控制太陽(yáng)能輔助設(shè)備的供冷或供熱比例，從而使熱泵運(yùn)行處于冷熱平衡狀態(tài)[4]（圖2）。

圖2 太陽(yáng)能—地源熱泵聯(lián)合供熱供冷系統(tǒng)原理圖

2 復(fù)合式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用方案

本文選用湖南省益陽(yáng)市某辦公樓作為實(shí)際案例，進(jìn)行復(fù)合式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及可行性對(duì)比。該項(xiàng)目屬于典型的夏熱冬冷地區(qū)，該地區(qū)太陽(yáng)能資源不足以支撐太陽(yáng)能輔助功能系統(tǒng)。考慮到項(xiàng)目實(shí)際情況，本文主要對(duì)冷卻塔輔助冷卻系統(tǒng)及生活熱水系統(tǒng)方案在此項(xiàng)目的應(yīng)用進(jìn)行多方面的對(duì)比分析。

該項(xiàng)目建筑類(lèi)型為辦公建筑，面積約10000m2，空調(diào)面積約為7400m2，建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)均選用節(jié)能材料，冷指標(biāo)取為100w/ m2。按最不利工況計(jì)算，夏季冷負(fù)荷為740kW，冬季熱負(fù)荷約400kW。根據(jù)項(xiàng)目情況，設(shè)置如下3個(gè)方案。

2.1 生活熱水系統(tǒng)

冷熱源采用單臺(tái)制冷量400kW，制熱量437kW的水源熱泵螺桿式機(jī)組（地下環(huán)路式）兩臺(tái)，同時(shí)承擔(dān)辦公樓的冷熱負(fù)荷及部分周邊居住建筑的生活熱水的熱負(fù)荷。地下埋管系統(tǒng)的長(zhǎng)度按照夏季制冷最不利工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 水冷機(jī)組加冷卻塔配地源熱泵系統(tǒng)

空調(diào)冷熱源選用制冷量400kW，制熱量437kW的水源熱泵螺桿機(jī)組（地下環(huán)路式）一臺(tái)，制冷量為430kW的水冷螺桿冷水機(jī)組一臺(tái)，冷卻塔采用規(guī)格為100t的低噪開(kāi)式冷卻塔，匹配冷水機(jī)組運(yùn)行。夏季時(shí)由冷水機(jī)組和熱泵機(jī)組共同承擔(dān)空調(diào)冷負(fù)荷，冬季由熱泵機(jī)組單獨(dú)承擔(dān)系統(tǒng)熱負(fù)荷（圖3）。地下埋管系統(tǒng)的參數(shù)按夏季單臺(tái)水源熱泵螺桿機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行下的換熱量進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

圖3 冷水機(jī)組加地源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)

2.3 冷卻塔與地埋管復(fù)合換熱系統(tǒng)

選冷熱源采用單臺(tái)制冷量400kW，制熱量437kW的水源熱泵螺桿式機(jī)組（地下環(huán)路式）兩臺(tái)，共同承擔(dān)大樓的空調(diào)冷熱負(fù)荷，冷卻塔與地埋管并聯(lián)設(shè)置，冷卻塔可采用開(kāi)式冷卻塔加板式換熱器與地埋管間接連接，或閉式冷卻塔直接連接的形式。本方案采用規(guī)格為200t的閉式冷卻塔直接并聯(lián)地埋管系統(tǒng)，共同負(fù)責(zé)夏季排熱。地埋管參數(shù)按冬季最不利工況設(shè)計(jì)。

考慮當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)及建筑使用特點(diǎn)，本項(xiàng)目夏季設(shè)計(jì)供冷季節(jié)計(jì)算時(shí)間為120d，冬季供熱季節(jié)計(jì)算時(shí)間為60d，除制備生活熱水，空調(diào)系統(tǒng)日使用時(shí)間為12h。

3 方案可行性分析

3.1 生活熱水系統(tǒng)

本方案通過(guò)承擔(dān)生活熱水系統(tǒng)負(fù)荷，增加熱負(fù)荷的方式實(shí)現(xiàn)冷熱平衡，按照空調(diào)最大負(fù)荷工況，夏季最不利工況設(shè)計(jì)地埋管長(zhǎng)度。此方案考慮到機(jī)組同時(shí)進(jìn)行空調(diào)供冷及供生活熱水的效率較低，因此設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供生活熱水的時(shí)段為過(guò)渡季節(jié)，及單臺(tái)機(jī)組足以滿足供冷供熱負(fù)荷的冬夏季部分負(fù)荷工況，由不提供空調(diào)負(fù)荷的空閑機(jī)組承擔(dān)生活熱水的熱負(fù)荷。

該方案下夏季埋管換熱量計(jì)算為：

式中：Q冷—空調(diào)系統(tǒng)夏季地埋管總換熱量（kJ）；

q冷—夏季地埋管換熱單位時(shí)間換熱量874kW；

C季—空調(diào)供冷季平均系數(shù)，取0.6；

C日—空調(diào)供冷日平均系數(shù)，取1.0；

T—空調(diào)系統(tǒng)供冷年運(yùn)行時(shí)間（h）；

將數(shù)據(jù)代入公式（1）可得全年夏季地埋管換熱量為2.72×109kJ。

冬季埋管換熱量計(jì)算為：

式中：Q熱—空調(diào)系統(tǒng)夏季地埋管總換熱量（kJ）；

q熱—夏季地埋管換熱單位時(shí)間換熱量400kW；

C季—空調(diào)供熱季平均系數(shù)，取0.6；

C日—空調(diào)供熱日平均系數(shù)，取1.1；

T—空調(diào)系統(tǒng)供熱的年運(yùn)行時(shí)間（h）；

將數(shù)據(jù)代入公式（2）可得全年夏季地埋管換熱量為6.8×108kJ。

計(jì)算可得空調(diào)冬夏季換熱量的差值為2×109kJ。則單臺(tái)熱泵機(jī)組生活熱水工況下的開(kāi)啟時(shí)間為：

其中，q熱水為機(jī)組在生產(chǎn)生活熱水的工況下，地埋管的單位時(shí)間換熱量400kW。

計(jì)算得出單臺(tái)機(jī)組制備生活熱水的開(kāi)啟時(shí)間約為1388h，假定機(jī)組生活熱水工況下為24h運(yùn)行，則機(jī)組運(yùn)行天數(shù)約需要57d，小于空調(diào)過(guò)渡季節(jié)天數(shù)，因此在生活熱水需求量足夠大的情況下，此方案可以實(shí)現(xiàn)地埋管冬夏季換熱平衡。

本方案通過(guò)增加系統(tǒng)熱負(fù)荷的方式實(shí)現(xiàn)冷熱平衡，除空調(diào)系統(tǒng)外，還承擔(dān)了部分生活熱水負(fù)荷，充分地利用了地下?lián)Q熱形式，能量利用較為高效，在很多大型地源熱泵項(xiàng)目中得到了普遍應(yīng)用。但針對(duì)本項(xiàng)目而言，冬夏季冷熱負(fù)荷相差太大，夏季換入地下的一半熱量都要通過(guò)機(jī)組生活熱水工況下取出。但生活熱水的一次換熱溫度要求較高，制備的熱水仍需要一個(gè)再加熱的過(guò)程。本系統(tǒng)地埋管長(zhǎng)度是按冬季工況計(jì)算的2倍，而在地源熱泵系統(tǒng)中地埋管的成本占空調(diào)系統(tǒng)的初投資的一半以上。因此本方案為實(shí)現(xiàn)冷熱平衡，造成系統(tǒng)初投資過(guò)大，且生活熱水作為輔助工況，相對(duì)而言能效并不太高，較其他方案而言多出的成本并不亞于單獨(dú)設(shè)置一套高效的熱水生產(chǎn)系統(tǒng)的成本。因此該方案針對(duì)本項(xiàng)目并不適用。

3.2 水冷機(jī)組加冷卻塔配地源熱泵系統(tǒng)

該方案下冬季的地埋管換熱量計(jì)算同方案一，為6.8×108kJ。根據(jù)冬季地埋管換熱量反算冷熱平衡工況下夏季熱泵機(jī)組的開(kāi)啟時(shí)間。由公式（2）計(jì)算可得水源熱泵螺桿機(jī)組夏季工況的開(kāi)啟小時(shí)數(shù)為720h，辦公樓每天運(yùn)行時(shí)間按12h計(jì)，則熱泵機(jī)組在夏季需運(yùn)行60d才能達(dá)到冷熱平衡，若運(yùn)行時(shí)間超出很多，則該方案無(wú)法實(shí)現(xiàn)冬夏季冷熱平衡。

綜合上述結(jié)果，此方案實(shí)現(xiàn)冷熱平衡的前提是在夏季高峰負(fù)荷下，兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)開(kāi)啟的時(shí)間不大于60d，否則夏季打入地下的熱量可能會(huì)大于冬季取出的熱量。益陽(yáng)地區(qū)屬于夏熱冬冷區(qū)域，夏季溫度較高，夏季高峰負(fù)荷的天數(shù)是有可能大于60d的，由此可見(jiàn)該方案并不能完全的保證冬夏季冷熱平衡。

該方案較上一種方案相比，地埋管用量減少很多，初投資較低。但由于本項(xiàng)目冬夏季負(fù)荷相差過(guò)大，采用冷水機(jī)加冷卻塔復(fù)合系統(tǒng)雖然能夠減小夏季地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱量，但并不能完全保證冬夏季冷熱平衡，若考慮余量加大冷水機(jī)組比重，則一定程度上喪失了地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，且造成能源浪費(fèi)。

3.3 冷卻塔與地埋管復(fù)合換熱系統(tǒng)

該方案兩臺(tái)主機(jī)共同承擔(dān)冬夏季冷熱負(fù)荷，在冬季供熱工況下單臺(tái)機(jī)組供熱量滿足冬季熱負(fù)荷需求，兩臺(tái)機(jī)組可交替運(yùn)行，使得機(jī)器充分保養(yǎng)。在夏季制冷工況下則可以根據(jù)室外環(huán)境及室內(nèi)負(fù)荷，分別控制地埋管及冷卻塔換熱。

由前兩個(gè)方案的分析可以得出，本方案在冬季換熱量確定的情況下，若要滿足冬夏季地埋管換熱量平衡，需要單臺(tái)機(jī)組夏季工況下利用地埋管換熱60d。而本方案的冷卻塔規(guī)格匹配兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)換熱，因此只需要夏季供熱工況的天數(shù)大于60d，即可滿足冷熱平衡的要求，夏季多出的換熱量均可通過(guò)冷卻塔換熱。

本方案與前兩個(gè)方案相比，初投資比方案一減少很多，與方案二相差不大。但與方案二相比，可以相對(duì)更精確的保證系統(tǒng)的冷熱平衡，本方案可以通過(guò)能量計(jì)檢測(cè)每年地埋管換熱器排入及取出的熱量，通過(guò)熱量差反饋控制冷卻塔開(kāi)啟時(shí)間，保證土壤溫度恒定，使系統(tǒng)具有更好的能效和更長(zhǎng)的使用壽命。

綜上所述，綜合考慮各種系統(tǒng)方案的經(jīng)濟(jì)性、能效性、可調(diào)性等可行性，在該項(xiàng)目中應(yīng)用方案三最為合理，并在實(shí)際運(yùn)行中得到印證。

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目綜合現(xiàn)場(chǎng)條件、氣候特點(diǎn)及負(fù)荷特性等，采用復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的空調(diào)形式，并設(shè)計(jì)對(duì)比了多套復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)方案，采用了最優(yōu)的方案，并較好的滿足了使用要求。項(xiàng)目采用了復(fù)合式地源熱泵（冷卻塔+地埋管換熱器）系統(tǒng)，該系統(tǒng)中冷卻塔不僅在峰值負(fù)荷下減小了地埋管換熱壓力，也很好的調(diào)節(jié)了冬夏季地埋管對(duì)土壤換熱平衡，從而提升了系統(tǒng)的能效及使用壽命，并且該系統(tǒng)可以減少地埋管換熱器的數(shù)量，減小初投資消耗，值得推廣應(yīng)用。