尹文亮

合肥市濱湖新區(qū)建設(shè)投資有限公司 安徽 合肥 230000

引言

安徽省合肥市濱湖新區(qū)政務(wù)招商中心，樓高15.6m，地上3層，地下一層，屬多層公共建筑，總建筑面積21080㎡。項(xiàng)目采用了地源熱泵作為空調(diào)系統(tǒng)冷熱源，目前項(xiàng)目已經(jīng)過(guò)運(yùn)行調(diào)試驗(yàn)收合格，已正式運(yùn)行，本文通過(guò)夏、冬季運(yùn)行情況，對(duì)調(diào)試數(shù)據(jù)的采集與分析，驗(yàn)證該工程地源熱泵的節(jié)能效果與經(jīng)濟(jì)效益[1]。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

項(xiàng)目所在地為夏熱冬冷地區(qū)，夏季尖峰負(fù)荷為1810kW、冬季尖峰負(fù)荷1415kW。夏季空調(diào)冷凍水供回水溫度為7/12℃，冬季為40/45℃。

2 原理介紹

2.1 系統(tǒng)分類

基于少量高品位能源，地源熱泵空調(diào)冷熱源系統(tǒng)可轉(zhuǎn)換地下水等低品位熱能為高品位熱能，能夠同時(shí)用于供暖和制冷。在運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)可基于地下淺層土壤的蓄冷蓄熱能力對(duì)地?zé)崮芑蛱?yáng)能進(jìn)行吸收，進(jìn)而在冬季通過(guò)熱泵原理“取出”實(shí)現(xiàn)室內(nèi)供暖，夏季制冷則能夠基于建筑物內(nèi)熱量向地下土壤的轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)，最終循環(huán)利用能源，地源熱泵空調(diào)冷熱源系統(tǒng)的運(yùn)行效率較高，這源于較小的土壤溫度波動(dòng)。系統(tǒng)一般由用戶側(cè)水環(huán)路、熱泵機(jī)組環(huán)路、地源側(cè)環(huán)路組成，在水介質(zhì)下，地源側(cè)環(huán)路與熱泵機(jī)組環(huán)路能夠完成熱交換，而在空氣或水介質(zhì)下，熱交換還能夠在地源側(cè)環(huán)路與熱泵機(jī)組環(huán)路間進(jìn)行?；跓嵩床煌卦礋岜每照{(diào)冷熱源系統(tǒng)可細(xì)分為地下水式、地埋管式、地表水式三種。以地埋管式為例，這類地源熱泵空調(diào)冷熱源系統(tǒng)的冷熱源為淺層土壤，特殊管道通過(guò)打井在地下埋置，地下淺層土壤與地下管道間通過(guò)地源側(cè)循環(huán)水流實(shí)現(xiàn)熱交換，用戶側(cè)熱量能夠在夏季通過(guò)這種熱交換送入地下，冬季取暖可通過(guò)熱交換將熱量取出實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步細(xì)分，地埋管式還能夠分為垂直埋管和水平埋管。以水平埋管為例，這類系統(tǒng)在地下2～4m處水平埋設(shè)換熱管道，施工過(guò)程較為簡(jiǎn)單，在投資方面具備顯著優(yōu)勢(shì)，適用于建筑物周?chē)鷧^(qū)域開(kāi)闊、土質(zhì)松軟地區(qū)，僅適合用于小型別墅、小型建筑群等周?chē)鷪?chǎng)地較為寬廣建筑，由于存在較淺的埋管深度，外界環(huán)境對(duì)地表土壤溫度的影響會(huì)最終作用于系統(tǒng)，導(dǎo)致其穩(wěn)定性下降。同時(shí)，對(duì)垂直埋管進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，這類系統(tǒng)可進(jìn)一步細(xì)分為單U型、雙U型埋管，熱管采用閉合設(shè)計(jì)在較深的巖土中埋置，具體深度一般在50～400m區(qū)間，該區(qū)域存在較為穩(wěn)定的土壤溫度，因此這類地源熱泵空調(diào)冷熱源系統(tǒng)具備較高穩(wěn)定性，同時(shí)垂直埋管對(duì)地表面積的占用較少，但這種地源熱泵空調(diào)冷熱源系統(tǒng)在施工難度方面大，施工需要長(zhǎng)時(shí)間準(zhǔn)備且地下垂直埋管對(duì)其造成的影響較為深遠(yuǎn)，同時(shí)打井鉆孔數(shù)量直接受到建筑面積影響，建設(shè)過(guò)程投資相對(duì)較高特點(diǎn)。鑒于本項(xiàng)目功能為行政辦公，對(duì)空調(diào)舒適度和可靠性要求較高，同時(shí)建筑周?chē)械剀?chē)場(chǎng)、綠地和廣場(chǎng)，結(jié)合系統(tǒng)可靠性等綜合因素考慮，保證穩(wěn)定可靠的溫度供給，本項(xiàng)目采用垂直埋管形式（深度120m）的地源熱泵空調(diào)冷熱源系統(tǒng)[2]。

2.2 工藝原理

以本項(xiàng)目垂直埋管式地源熱泵空調(diào)冷熱源系統(tǒng)為例，其工藝原理應(yīng)圍繞三個(gè)環(huán)路進(jìn)行分析。圍繞地埋管換熱環(huán)路進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，該環(huán)路主要構(gòu)成為地埋管換熱器系統(tǒng)，管與管間一般存在4.5m的間距，土壤中的熱量可在冬季中由換熱器循環(huán)介質(zhì)進(jìn)行吸收，熱量向用戶側(cè)輸送需通過(guò)用戶側(cè)環(huán)路與熱泵機(jī)組的熱量交換實(shí)現(xiàn)。在夏季，用戶側(cè)熱量可基于地埋管換熱環(huán)路向地下傳遞；圍繞熱泵機(jī)組環(huán)路進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，其處于地源側(cè)換熱與用戶側(cè)換熱中間，屬于熱傳遞核心，能夠通過(guò)少量電能消耗得到較大的制冷或供熱量，不斷循環(huán)的內(nèi)部閉環(huán)工質(zhì)屬于其中關(guān)鍵，該環(huán)路主要由蒸發(fā)器、節(jié)流閥、壓縮機(jī)、冷凝器構(gòu)成。在夏季，通過(guò)壓縮機(jī)的工質(zhì)進(jìn)入高壓高溫狀態(tài)并向冷凝器輸送，釋放熱量后的工質(zhì)進(jìn)入高壓低溫狀態(tài)，通過(guò)節(jié)流閥后進(jìn)入低壓低溫狀態(tài)，最終在蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)吸熱，帶走負(fù)荷側(cè)熱量。在冬季，熱泵機(jī)組環(huán)路中工質(zhì)流向通過(guò)對(duì)四通閥狀態(tài)的調(diào)整改變，此時(shí)存在相反于制冷時(shí)的工質(zhì)流向，壓縮機(jī)壓縮的工質(zhì)直接進(jìn)入蒸發(fā)器并進(jìn)入蒸汽狀態(tài)，壓力變小后蒸汽進(jìn)入冷凝器實(shí)現(xiàn)熱量的提供；圍繞用戶側(cè)環(huán)路進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，該環(huán)路處于系統(tǒng)末端，一般由熱水箱、地板采暖設(shè)備、風(fēng)機(jī)盤(pán)管設(shè)備組成，熱水箱負(fù)責(zé)熱水存儲(chǔ)，主要發(fā)揮保溫水箱作用，風(fēng)機(jī)盤(pán)管設(shè)備一般在天花板吊頂隱藏，屬于系統(tǒng)出風(fēng)口，地板采暖設(shè)備為地?zé)岬匕逑落佋O(shè)的水環(huán)路盤(pán)管鋪。在上述三個(gè)環(huán)路的相互循環(huán)作用下，熱量可基于封閉介質(zhì)持續(xù)轉(zhuǎn)移，滿足夏季制冷和冬季供暖需要。

3 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

3.1 冷熱源系統(tǒng)

本項(xiàng)目采用地源熱泵空調(diào)冷熱源系統(tǒng)，地源熱泵主機(jī)設(shè)計(jì)尖峰負(fù)荷設(shè)計(jì)，配置3臺(tái)螺桿式地源熱泵機(jī)組。其中一臺(tái)帶全熱回收功能，在夏季空調(diào)供冷期間可免費(fèi)提供生活熱水，冬季則通過(guò)地埋管換熱制取生活熱水[3]。

本項(xiàng)目采用垂直埋管式地源換熱系統(tǒng)，共設(shè)地埋井445口，雙U型埋管，埋管采用HDPE管道熱熔連接。

3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

3.2.1 地源熱泵系統(tǒng)特點(diǎn)。地源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層土壤中吸收的太陽(yáng)能和地?zé)崮芏纬傻牡蜏氐臀粺崮苜Y源，并采用熱泵原理，通過(guò)少量的高位電能輸入，實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。

地球表面淺層土壤吸收了太陽(yáng)進(jìn)入地球的相當(dāng)?shù)妮椛淠芰?，并且土壤的溫度一般都十分穩(wěn)定。地源熱泵機(jī)組工作原理就是在夏季將建筑物中的熱量轉(zhuǎn)移到土壤源中，由于土壤源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，而冬季，則從土壤源中提取能量，由熱泵原理通過(guò)空氣或水作為載冷劑提升溫度后送到建筑物中。

地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少40%以上（污染物排放），與有機(jī)燃料供暖相比，相當(dāng)于減少80%以上。

3.2.2 熱泵熱回收系統(tǒng)特點(diǎn)。制冷設(shè)備在制冷時(shí)，是一個(gè)通過(guò)制冷劑的蒸發(fā)、冷凝狀態(tài)轉(zhuǎn)變將熱量轉(zhuǎn)移的過(guò)程，通常設(shè)備的冷凝熱是通過(guò)冷卻塔、地埋管、風(fēng)冷等方式散發(fā)到周?chē)h(huán)境中。地源熱泵夏季就是將這部分熱量通過(guò)地埋管散發(fā)到土壤中，而熱泵熱回收系統(tǒng)則是將這部分廢熱再次利用，加熱生活熱水，直接產(chǎn)生二次經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)減少熱量排放。

4 熱泵空調(diào)系統(tǒng)模擬運(yùn)行分析

根據(jù)該項(xiàng)目負(fù)荷計(jì)算數(shù)據(jù)，可以得到一個(gè)完整空調(diào)使用周期內(nèi)系統(tǒng)逐時(shí)的空調(diào)負(fù)荷數(shù)據(jù)及能耗情況。

項(xiàng)目一個(gè)周期內(nèi)供冷約139天，供冷約138天。

負(fù)荷分布如表1所示

表1 空調(diào)季負(fù)荷分布

結(jié)合公式可以計(jì)算當(dāng)系統(tǒng)完全依靠地源熱泵工作時(shí)理論的吸排熱量

地源熱泵吸排熱量計(jì)算公式：

計(jì)算得該項(xiàng)目如果完全采用熱泵系統(tǒng)供冷供熱，冬季吸熱量將小于夏季排熱量30%左右。

另外地源熱泵系統(tǒng)還承擔(dān)了該建筑的生活熱水預(yù)熱系統(tǒng)，生活熱水需求為12t/天，約為558kWh/天。

統(tǒng)計(jì)后土壤全年排熱大于吸熱量約99382kWh，約為全排熱量的10.7%左右。這部分熱量將通過(guò)土壤散發(fā)到周邊土壤環(huán)境中，或通過(guò)閉式冷卻塔冷卻抵消。

5 調(diào)試運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

表2 部分調(diào)試數(shù)據(jù)

根據(jù)目前調(diào)試數(shù)據(jù)可知，由于項(xiàng)目剛剛投入使用，土壤環(huán)境處于初始狀態(tài)，主機(jī)在制冷、制熱工況下主機(jī)出力均能取得高的效率。在較短時(shí)間內(nèi)可使空調(diào)供回水溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值，土壤環(huán)境溫度逐漸趨于設(shè)計(jì)值，將在系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)周期后逐漸形成一個(gè)穩(wěn)定的熱環(huán)境。

由于系統(tǒng)初期熱泵主機(jī)利用地埋管換熱能夠完全滿足換熱需求，減少了冷卻塔的運(yùn)行，并且整體換熱效率較高，系統(tǒng)能耗較常規(guī)水冷系統(tǒng)減少15%左右，冬季制熱節(jié)能效果更明顯，后期將通過(guò)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析總結(jié)，結(jié)合運(yùn)行效果和土壤溫度變化，及時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行，降低制冷和采暖季的排吸熱量對(duì)土壤溫度產(chǎn)生影響，同時(shí)，提高運(yùn)維管理水平，做到系統(tǒng)節(jié)能高效運(yùn)行。