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(jì)南 250000

龐治霞 山東水立方建筑設(shè)計(jì)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(jī)三用”的特點(diǎn)，有“綠色空調(diào)技術(shù)”的美譽(yù)[1]。校園內(nèi)由于學(xué)校課程和作息時(shí)間的安排，教學(xué)類建筑和宿舍樓同時(shí)使用率較低，空調(diào)負(fù)荷存在明顯的錯(cuò)峰、間歇使用的現(xiàn)象，這種負(fù)荷特點(diǎn)適合地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)用。本文運(yùn)用工程實(shí)例分析了地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理并提出可行性措施。

1、工程概況及建筑冷熱負(fù)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(jī)盤管+新風(fēng)系統(tǒng)。總建筑冷負(fù)荷14830kW，熱負(fù)荷14044kW。

學(xué)校各個(gè)建筑的使用時(shí)間嚴(yán)重錯(cuò)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(shí)間使用，綜合樓白天使用，教職工公寓全天使用。建筑分時(shí)段使用決定了建筑的負(fù)荷特點(diǎn)——逐時(shí)疊加負(fù)荷的最大值比各個(gè)建筑負(fù)荷相加的最大值小的多[2]。

按照逐時(shí)疊加負(fù)荷的最大值選配地源熱泵機(jī)組，增大了熱泵機(jī)組的裝機(jī)容量；負(fù)荷錯(cuò)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(jī)房和地埋管系統(tǒng)兩方面都可減少工程造價(jià)與運(yùn)行費(fèi)用。學(xué)校建筑規(guī)模大，從系統(tǒng)后期易操作好維護(hù)管理考慮，分為三個(gè)獨(dú)立的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)置于各區(qū)。各系統(tǒng)負(fù)擔(dān)建筑及逐時(shí)疊加后冷熱負(fù)荷如下表1：

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2、地源熱泵機(jī)房設(shè)計(jì)

機(jī)組采用高壓螺桿式地源熱泵機(jī)組，機(jī)房一采用兩臺SM(LM)-500DG；機(jī)房二、三各采用三臺SM(LM)-500DG，單機(jī)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(jī)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。空調(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(jì)

本項(xiàng)目系統(tǒng)開機(jī)運(yùn)行份額較小，根據(jù)巖土熱物性實(shí)驗(yàn)，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(yùn)動場，可將地埋管換熱器群布置在運(yùn)動場，并分為三個(gè)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(fù)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(fù)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(fù)荷及系統(tǒng)二部分冷負(fù)荷；總計(jì)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(jī)房。由于各集分水器所負(fù)擔(dān)地埋管數(shù)量基本一致，主管道進(jìn)入機(jī)房路數(shù)和熱泵機(jī)組數(shù)量一致，每路地埋管所負(fù)擔(dān)可滿足一臺熱泵機(jī)組對冷熱源的要求。

4、主要運(yùn)行問題分析及解決辦法

4.1 主要運(yùn)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(yùn)用計(jì)算機(jī)對系統(tǒng)中各部分設(shè)備以及軟件進(jìn)行智能化控制和實(shí)時(shí)測控。對2018年7月份及2019年1月份各時(shí)間點(diǎn)空調(diào)供回水采集數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)空調(diào)水系統(tǒng)，實(shí)際供回水溫差比設(shè)計(jì)的5℃溫差低得多。對空調(diào)進(jìn)出水溫分析也發(fā)現(xiàn)，夏季供水溫度比設(shè)計(jì)值高，而冬季回水溫度比設(shè)計(jì)值低。熱泵機(jī)組地埋管冬季最低進(jìn)水溫度6℃，夏季進(jìn)水溫度最高31℃，且運(yùn)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(fù)荷小且空調(diào)水流量偏大。

圖2 冷凍水供、回水溫差運(yùn)行時(shí)間百分比

圖3 熱媒水供、回水溫差運(yùn)行時(shí)間百分比

存在較為嚴(yán)重的大流量小溫差的原因在于：

（1）負(fù)荷配置大，學(xué)校現(xiàn)有在校師生1300余人。遠(yuǎn)未達(dá)到5800余人的設(shè)計(jì)規(guī)模，而空調(diào)系統(tǒng)按照滿負(fù)荷配置，現(xiàn)在并未達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行。

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

而實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)了一臺熱泵機(jī)組對應(yīng)多臺循環(huán)泵的情況——機(jī)組按照使用要求開啟，而循環(huán)泵全部開啟，違背了安全運(yùn)行的原則又浪費(fèi)了能源，不經(jīng)濟(jì)。且熱泵機(jī)組進(jìn)、出口閥門處于開啟狀態(tài)，部分循環(huán)水旁通到未開啟機(jī)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(yùn)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(yùn)行相比, 兩年來多耗費(fèi)電160萬kWh。

4.2 問題解決辦法

對運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行合理配置，嚴(yán)格要求按照設(shè)備一對一原則來運(yùn)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(jī)組空調(diào)側(cè)的水流量、調(diào)整熱泵機(jī)組在高效負(fù)荷區(qū)（非滿負(fù)荷）運(yùn)行。因?yàn)榭照{(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(yùn)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(yùn)行一臺熱泵機(jī)組時(shí)，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(jī)組的工作效率。

5、工程造價(jià)及運(yùn)行費(fèi)用分析

5.1 工程造價(jià)分析

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

5.2 運(yùn)行費(fèi)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(fù)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(yùn)行費(fèi)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(fèi)為0.54元/KWh。如下表。循環(huán)水泵的開啟數(shù)量如按運(yùn)行設(shè)備合理配置，兩年可節(jié)約電費(fèi)84.6萬元。

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5.3 用水量分析

學(xué)校水費(fèi)為3.2元/m3,2017～2018制冷采暖季用水量3812m3/h，用水費(fèi)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(fèi)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(qiáng)度不夠等因素，漏水點(diǎn)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(xiàng)目從2017年1月開始運(yùn)行至今已歷經(jīng)兩個(gè)采暖季和兩個(gè)制冷季。得出以下結(jié)論：

①空調(diào)系統(tǒng)整體運(yùn)行較平穩(wěn)、正常，室內(nèi)空調(diào)各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，冷熱源主機(jī)設(shè)備及地埋管換熱器系統(tǒng)運(yùn)行良好。

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

③在系統(tǒng)未滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，運(yùn)行費(fèi)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(yùn)行過程中應(yīng)按照運(yùn)行策略合理匹配運(yùn)行設(shè)備。

⑤加強(qiáng)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。