王建奎 潘軍 邱建華 陸麟 李井會(huì)

浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司

為解決集中式地源熱泵使用不便的缺陷，借鑒多聯(lián)機(jī)的成功經(jīng)驗(yàn)和水環(huán)熱泵的系統(tǒng)形式，行業(yè)中出現(xiàn)了一種地源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，利用地源作為水環(huán)熱泵的冷熱源替代部分常規(guī)冷熱源是該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。該系統(tǒng)不僅能使用淺層地?zé)岬目稍偕茉?，保持了系統(tǒng)較高的能效比，而且能方便地由末端用戶決定使用時(shí)間，如控制得當(dāng)，無(wú)論使用者數(shù)量多少，均能保持較高的效率，具有調(diào)節(jié)靈活、方便，便于管理和收費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，是一種值得推廣的地源熱泵應(yīng)用形式。

1 地源水環(huán)熱泵設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)形式的選擇

地源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種由數(shù)量眾多、形式各異的水源熱泵機(jī)組，通過(guò)一套兩管制共用水環(huán)路并聯(lián)連接起來(lái)，以共用水環(huán)路中流動(dòng)的循環(huán)水為介質(zhì)，以集中式地源換熱器為冷（熱）源的空調(diào)系統(tǒng)[1]。圖1為地源水環(huán)熱泵基本形式。

圖1 地源水環(huán)熱泵基本形式

當(dāng)空調(diào)房間需要供暖時(shí)，設(shè)在該空調(diào)房間的水源熱泵機(jī)組按供熱模式運(yùn)行，機(jī)組從兩管制共用水環(huán)路中吸取熱量，向房間送熱風(fēng)。當(dāng)空調(diào)房間需要供冷時(shí)，則按制冷模式運(yùn)行，機(jī)組向兩管制共用水環(huán)路排放熱量，向房間送冷風(fēng)。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)中有一部分房間需要供冷而另一部分房間需要供暖時(shí)，則按制冷模式運(yùn)行的水源熱泵將向共用水環(huán)路排放熱量，而按供熱模式運(yùn)行的水源熱泵機(jī)組，從共用水環(huán)路中吸取熱量，從而達(dá)到有效利用房間內(nèi)余熱的目的。

地源水環(huán)熱泵的特點(diǎn)之一是以淺層地?zé)崮芴娲Ｒ?guī)能源，因此設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)項(xiàng)目情況計(jì)算冷熱負(fù)荷，基礎(chǔ)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)使用地源熱泵，尖峰負(fù)荷時(shí)使用常規(guī)冷熱源和地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行，構(gòu)成復(fù)合冷熱源系統(tǒng)，以最大限度地發(fā)揮地源熱泵的節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)。地源熱泵換熱器容量可按冬季工況或夏季工況設(shè)計(jì)，當(dāng)項(xiàng)目所在地淺層地?zé)崮苜Y源有限，不能完全滿足冬季工況或夏季工況需求時(shí)，也可按最優(yōu)性價(jià)比容量設(shè)計(jì)，其余的負(fù)荷由常規(guī)能源滿足。

共用水環(huán)路根據(jù)建筑特點(diǎn)和水環(huán)熱泵機(jī)組的布置形式可使用一級(jí)泵系統(tǒng)和二級(jí)泵系統(tǒng)（圖2）。其中一級(jí)泵系統(tǒng)適用于末端水力平衡較好的系統(tǒng)，二級(jí)泵系統(tǒng)適用于各末端水阻力相差較大的系統(tǒng)，此時(shí)由一級(jí)泵克服主管路的水阻力，各二級(jí)泵克服各支管路的水阻力。

圖2 二級(jí)泵系統(tǒng)基本形式

1.2 水環(huán)路流量控制

水力平衡是地源水環(huán)熱泵系統(tǒng)需要解決的最關(guān)鍵問(wèn)題。風(fēng)機(jī)盤(pán)管水系統(tǒng)的水力失調(diào)會(huì)導(dǎo)致空調(diào)末端的冷熱不均勻，不僅影響空調(diào)效果，水環(huán)熱泵水系統(tǒng)的水力失調(diào)，將導(dǎo)致熱泵機(jī)組不能正常運(yùn)行，進(jìn)而不能向空調(diào)用戶供冷或供熱。

水力平衡分靜態(tài)水力平衡和動(dòng)態(tài)水力平衡[2]。靜態(tài)水系統(tǒng)平衡調(diào)試是在滿負(fù)荷工作狀態(tài)下，采用比例法和補(bǔ)償法等水力平衡調(diào)試方法，參照實(shí)際測(cè)定的運(yùn)行流量，調(diào)整系統(tǒng)中平衡閥門(mén)的開(kāi)度，并不斷整定，最終使得末端區(qū)域?qū)嶋H流量與設(shè)計(jì)流量取得一致的過(guò)程，是解決靜態(tài)水力失調(diào)的一種工程方法。靜態(tài)水力平衡調(diào)試是水環(huán)路流量控制的基礎(chǔ)，也是大部分工程不被重視，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運(yùn)行的主要原因之一，是施工過(guò)程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。動(dòng)態(tài)水力失調(diào)是在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的，在部分符合工作狀態(tài)下，由于控制需要，某些末端設(shè)備閥門(mén)開(kāi)度發(fā)生改變，從而引起互擾，影響到其他末端設(shè)備流量偏離設(shè)計(jì)值的現(xiàn)象。以下著重討論部分負(fù)荷工況下共用水環(huán)路流量的調(diào)節(jié)方案。

1）壓差變流量控制

部分負(fù)荷時(shí)，停止運(yùn)行的部分水源熱泵將末端水路電動(dòng)二通閥關(guān)斷，會(huì)使系統(tǒng)壓差升高，此時(shí)通過(guò)調(diào)整供/回水干管之間的壓差平衡閥，維持恒定的供/回水干管壓差，在水平衡調(diào)試良好的前提下，即可滿足水環(huán)熱泵的需要流量。這是目前工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用最多的一種方案，也具有較好的安全性，但該方法不能用于循環(huán)泵的控制，通常壓差平衡閥具有較大的旁通流量，不利于節(jié)省泵耗。

2）溫差變流量控制

地源側(cè)換熱器供/回水溫差宜穩(wěn)定在5℃左右，過(guò)小的溫差帶來(lái)較大的泵耗，過(guò)大的溫差使換熱效果變差，此時(shí)可通過(guò)變流量控制改變循環(huán)泵的流量，保持地源測(cè)換熱器供/回水溫差穩(wěn)定。溫差變流量控制沒(méi)有考慮系統(tǒng)管網(wǎng)特性，可能會(huì)造成供水壓力不足。因而壓差變流量控制與溫差變流量控制需聯(lián)合使用，控制需先保證系統(tǒng)的安全性，即保證水源熱泵機(jī)組的壓差優(yōu)先，其次使共用水環(huán)路的循環(huán)泵耗降為最小。

1.3 水環(huán)路水溫控制

環(huán)路水溫對(duì)水源熱泵機(jī)組的效率和容量都有相當(dāng)大的影響。地源水環(huán)熱泵中使用的熱泵機(jī)組形式按冷（熱）源類型可分為水環(huán)式水源熱泵機(jī)組，地下水式水源熱泵機(jī)組和地下環(huán)路式水源熱泵機(jī)組。各類型水源熱泵機(jī)組正常工作的冷（熱）源溫度范圍如表1[3]：

表1 水源熱泵機(jī)組水源側(cè)水溫

對(duì)地下環(huán)路式系統(tǒng)，設(shè)備安全允許的環(huán)路水溫制冷工況應(yīng)在10～40℃，制熱工況應(yīng)在-5～25℃，考慮到制冷工況水溫超過(guò)33℃時(shí)能效與冷卻塔系統(tǒng)相當(dāng)，制熱工況水溫低于7℃時(shí)需添加防凍劑，因此出于節(jié)能和安全的考慮，建議共用環(huán)路設(shè)計(jì)水溫控制在10～33℃之間。

對(duì)于不帶中間換熱器的一次泵系統(tǒng)，共用水環(huán)路始終與地源換熱器保持換熱，因此大部分時(shí)間水溫總能滿足水源熱泵機(jī)組需要。當(dāng)系統(tǒng)在尖峰負(fù)荷運(yùn)行，水溫超出設(shè)定范圍時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)啟動(dòng)輔助冷源或輔助熱源，以保持共用水環(huán)路水溫滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)于帶中間換熱器的二次泵系統(tǒng)，先開(kāi)啟二次泵，當(dāng)共用水環(huán)路水溫超出設(shè)定范圍時(shí)，開(kāi)啟一次泵，與地源換熱器進(jìn)行熱交換，水溫恢復(fù)后再關(guān)閉一次泵。同樣當(dāng)系統(tǒng)在尖峰負(fù)荷運(yùn)行，地源換熱器不能滿足需要時(shí)，需投入輔助冷熱源。由于大部分時(shí)間系統(tǒng)處于部分負(fù)荷運(yùn)行，一次泵間歇開(kāi)啟，也可節(jié)省大部分循環(huán)泵耗。

1.4 室內(nèi)機(jī)噪聲控制

由于每臺(tái)水環(huán)熱泵機(jī)組均自帶壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，通常又直接安裝于室內(nèi)，噪聲問(wèn)題也是該系統(tǒng)不能得以大面積推廣使用的主要障礙之一。

水源熱泵機(jī)組（Q<5 kW）噪聲一般要求控制在67 dB(A)以下，隨著熱泵技術(shù)的發(fā)展，大部分廠家生產(chǎn)的水源熱泵機(jī)組（Q<5 kW），噪聲可控制在60 dB(A)以下，通過(guò)合理的工程降噪設(shè)計(jì)措施，一般可滿足室內(nèi)50～55 dB(A)噪聲要求。需要提醒的是，設(shè)計(jì)師必須針對(duì)室內(nèi)噪聲要求和水環(huán)熱泵系統(tǒng)應(yīng)用形式進(jìn)行噪聲振動(dòng)專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

一般來(lái)講工程上可以采取以下降噪隔振措施：

1）水源熱泵機(jī)組安裝時(shí)設(shè)專門(mén)的減振彈簧。

2）水源熱泵機(jī)組安裝的吊頂內(nèi)或機(jī)房?jī)?nèi)加裝吸聲材料。

3）加裝消聲風(fēng)管或消聲彎頭，以避免壓縮機(jī)噪聲直接傳至室內(nèi)。

2 工程案例

2.1 設(shè)計(jì)概要

示范工程為浙江杭州某辦公與展覽類公共建筑，建筑面積2.2萬(wàn)m2，由七棟獨(dú)立的2～3層建筑組成。工程采用集散式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，地下埋管換熱器采用垂直埋管方式，由于冬夏季總的冷、熱負(fù)荷全年不平衡，本工程采用復(fù)合式冷熱源系統(tǒng)，即帶輔助散熱設(shè)備（冷卻塔）。室內(nèi)空調(diào)采用分散式水源熱泵機(jī)組，每個(gè)空調(diào)末端單獨(dú)電量計(jì)費(fèi)，便于運(yùn)行管理，也給節(jié)能運(yùn)行提供了條件。冷卻塔和循環(huán)水泵電費(fèi)單獨(dú)計(jì)量，費(fèi)用公攤。圖3為示范工程地源熱泵原理圖。

圖3 示范工程地源熱泵原理圖

1）空調(diào)冷、熱負(fù)荷：經(jīng)計(jì)算，夏季尖峰負(fù)荷1550 kW，冬季尖峰負(fù)荷960 kW，地埋管承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷960 kW。

2）空調(diào)系統(tǒng)冷、熱源：采用地源熱泵，夏季地埋管冷卻側(cè)進(jìn)出水溫度為35/30℃，冬季為5/10℃。夏季輔以冷卻塔，冷卻塔冷卻水進(jìn)出水溫度為37/32℃。冬夏季采用手動(dòng)轉(zhuǎn)換。

3）地下耦合管：根據(jù)土壤熱物性測(cè)試結(jié)果，打井深度為60 m，井?dāng)?shù)為267個(gè)，井徑130～150 mm，單U管布置，管徑D32，有效管長(zhǎng)32000 m（圖4）。

圖4 示范工程地源熱泵系統(tǒng)埋管位置示意圖

4）空氣處理方式：辦公室、展廳等采用分離式冷（熱）風(fēng)型地源熱泵，室外機(jī)布置在走道，室內(nèi)機(jī)布置在室內(nèi)，有效避免壓縮機(jī)噪聲傳入室內(nèi)。

5）空調(diào)水系統(tǒng)：地源側(cè)空調(diào)循環(huán)泵采用變頻運(yùn)行，采集供回水溫度信號(hào)進(jìn)行控制。冷卻塔空調(diào)循環(huán)泵為定頻運(yùn)行，采集供回水溫度信號(hào)進(jìn)行啟停控制。地源側(cè)換熱器和室內(nèi)水環(huán)路之間采用了板式換熱器隔開(kāi)。

2.2 運(yùn)行效果測(cè)試

1）室內(nèi)溫度：2017年夏季，筆者對(duì)該系統(tǒng)的使用效果進(jìn)行了測(cè)試，其中室內(nèi)溫度測(cè)試選取正在使用的B棟辦公展覽建筑，測(cè)試選取4個(gè)典型辦公區(qū)域，測(cè)試位置為距地1.5 m處，測(cè)試時(shí)室外平均溫度35.5℃，室內(nèi)溫度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2：

表2 室內(nèi)溫度測(cè)試

表3 系統(tǒng)能效比測(cè)試

2）系統(tǒng)能效比：測(cè)試時(shí) A、B、F、G 棟正常使用，其它建筑未投入使用。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，投入使用建筑安裝制冷量4.1～8.4 kW冷熱風(fēng)型水環(huán)熱泵共169臺(tái)，測(cè)試時(shí)投入使用水環(huán)熱泵機(jī)組平均開(kāi)啟率為58.6%，總制冷量約835 kW（按銘牌值推算），總功率約204 kW，地源熱泵換熱站內(nèi)地源測(cè)開(kāi)啟15 kW循環(huán)水泵2臺(tái)，工頻運(yùn)行，用戶側(cè)開(kāi)啟35 kW循環(huán)水泵2臺(tái)，變頻運(yùn)行，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可得：測(cè)試時(shí)，平均系統(tǒng)能效比為3.09。

3）室內(nèi)噪聲：測(cè)試時(shí)選取未裝修無(wú)人辦公的E棟辦公建筑，吊頂標(biāo)高為3.2 m，吊頂內(nèi)安裝冷熱風(fēng)型水環(huán)熱泵，吊頂形式為格柵型，筆者對(duì)其中4臺(tái)水環(huán)熱泵進(jìn)行了噪聲測(cè)試，測(cè)試時(shí)壓縮機(jī)開(kāi)啟，測(cè)試位置為室內(nèi)機(jī)正下方距地1.5 m處，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4：

表4 機(jī)組噪聲測(cè)試

3 結(jié)語(yǔ)

地源水環(huán)熱泵系統(tǒng)解決了集中式地源熱泵系統(tǒng)末端使用不靈活的問(wèn)題，同時(shí)因利用可再生能源，具有優(yōu)良的節(jié)能效果，但系統(tǒng)存在對(duì)水平衡、機(jī)組噪聲要求較高等問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)者、施工者、使用者更精細(xì)化的對(duì)待，本文通過(guò)工程實(shí)踐，提出了若干應(yīng)對(duì)措施，取得了較好的使用效果。希望更多的同行重視該系統(tǒng)，積極應(yīng)用該系統(tǒng)，更多地發(fā)揮地源熱泵的節(jié)能減排效果。