集中設(shè)置空氣源熱泵在學(xué)校建筑中的應(yīng)用分析

王 海 亮

(中鐵十七局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030032)

1 概述

近年來(lái)，隨著新的壓縮機(jī)技術(shù)、變頻技術(shù)的技術(shù)革新，已經(jīng)把空氣源熱泵的適用范圍擴(kuò)展到-20的低溫環(huán)境，這使得空氣源熱泵在絕大多數(shù)地區(qū)都可以作為高效的電熱轉(zhuǎn)換方式，為建筑提供熱源[1]，同時(shí)在清潔取暖趨勢(shì)的大潮下，空氣源熱泵在北方寒冷地區(qū)的利用率越來(lái)越高[2]。近期，筆者對(duì)太原周邊的幾個(gè)空氣源熱泵的項(xiàng)目進(jìn)行了回訪，業(yè)主反映效果良好，但也發(fā)現(xiàn)空氣源熱泵在單棟建筑分散設(shè)置的較多，集中設(shè)置的較少，集中設(shè)置僅供熱的多，兼顧供冷的少，即使兼顧了供熱供冷，也實(shí)現(xiàn)不了循環(huán)水泵與熱泵機(jī)組的聯(lián)動(dòng)，不能節(jié)能運(yùn)行。針對(duì)這些問(wèn)題，本文對(duì)學(xué)校的空氣源熱泵進(jìn)行了分析研究。

2 學(xué)校概況及負(fù)荷分布

學(xué)校總圖示意如圖1所示，項(xiàng)目位于山西太谷，總用地面積131 958.01 m2，總建筑面積127 736.77 m2，其中改建建筑面積7 373.75 m2，新建建筑面積120 363.02 m2(含地上建筑面積為118 869.12，地下建筑面積1 493.90)，容積率為0.99，地塊內(nèi)一棟既有L型建筑，建筑功能為既有食堂和小學(xué)活動(dòng)用房，面積分布詳見(jiàn)表1，校區(qū)內(nèi)建筑高度最高的公寓樓為39.45 m，其次為7層的行政辦公樓30 m，其余層數(shù)均不大于6層，建筑高度均小于24 m，建筑節(jié)能均滿足現(xiàn)行建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)[3]。根據(jù)功能區(qū)的不同，把學(xué)校分成教學(xué)區(qū)、公共服務(wù)區(qū)、食堂區(qū)、宿舍區(qū)、公寓區(qū)與配套用房區(qū)。宿舍、公寓僅考慮供熱，教室、行政辦公、體育館、圖書館、食堂、教室在供熱的同時(shí)考慮夏季供冷，按單體進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，具體冷熱負(fù)荷詳見(jiàn)表1。

表1 學(xué)校面積分布及負(fù)荷分布表

學(xué)校附近無(wú)市政熱源，經(jīng)權(quán)衡判斷采用低溫空氣源熱泵冷熱水機(jī)組(以下統(tǒng)稱機(jī)組)作為校區(qū)的冷熱源。單臺(tái)機(jī)組規(guī)格為：額定制冷量為134 kW(環(huán)境溫度35 ℃，冷水出水溫度7 ℃)，額定制熱量為156 kW(環(huán)境干球溫度7 ℃，濕球溫度6 ℃，熱水出水溫度45 ℃)，工況一制熱量為96 kW(環(huán)境干球溫度-12 kW，濕球溫度-14 ℃，熱水出水溫度41 ℃)。太谷處于寒冷A區(qū)(冬季室外空氣調(diào)節(jié)溫度-12.8 ℃，相對(duì)濕度為50%，冬季室外供暖溫度-11 ℃)，機(jī)組制熱量折減系數(shù)較大，通常在0.65左右，可以采用工況一制熱量作為選型依據(jù)。

3 分散設(shè)置方案

分散布置是在每棟樓屋頂單獨(dú)設(shè)置機(jī)組及水泵房，流程圖見(jiàn)圖2，該方案可實(shí)現(xiàn)每棟樓單獨(dú)控制及時(shí)間段控制，并能滿足不同樓棟的供暖和供冷需要。方案采用變流量一級(jí)泵系統(tǒng)，由機(jī)組自帶控制系統(tǒng)通過(guò)回水溫度控制機(jī)組個(gè)數(shù)啟停，循環(huán)水泵在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需連續(xù)工作，不能根據(jù)負(fù)荷變化調(diào)整循環(huán)水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。學(xué)校單體機(jī)組臺(tái)數(shù)詳見(jiàn)表1，總計(jì)101臺(tái)，去除公寓區(qū)和配套用房，共計(jì)86臺(tái)。

4 集中設(shè)置方案

考慮到公寓區(qū)和南部配套用房區(qū)需24 h供暖，寒假期間不停暖，用電、水單獨(dú)計(jì)量，若統(tǒng)一熱源，節(jié)能將大打折扣，因此兩個(gè)區(qū)域分別單獨(dú)設(shè)置空氣源熱泵系統(tǒng)。其余區(qū)域統(tǒng)一在行政辦公樓樓頂設(shè)置集中能源站，由于冬季教學(xué)區(qū)、公共服務(wù)區(qū)、食堂區(qū)與宿舍區(qū)不同時(shí)使用，可以將宿舍區(qū)和教學(xué)區(qū)的熱負(fù)荷進(jìn)行折減，不使用區(qū)域熱負(fù)荷按室內(nèi)溫度5 ℃的值班采暖進(jìn)行計(jì)算。于是形成了四種工況的四種負(fù)荷，分別為：1)夏季工況，教學(xué)區(qū)、公共服務(wù)區(qū)、食堂區(qū)供冷，宿舍區(qū)不供冷，冷負(fù)荷為7 602.9 kW。2)冬季白天工況，教學(xué)區(qū)、公共服務(wù)區(qū)、食堂區(qū)供暖，宿舍區(qū)值班供暖，熱負(fù)荷為6 108.4 kW。3)冬季夜間工況，宿舍區(qū)供暖，教學(xué)區(qū)、公共服務(wù)區(qū)、食堂區(qū)值班供暖，熱負(fù)荷為3 372.1 kW。4)冬季防凍工況，宿舍區(qū)、教學(xué)區(qū)、公共服務(wù)區(qū)、食堂區(qū)值班供暖，熱負(fù)荷為2 753.0 kW。為滿足不同工況1～4的需求，依次需要機(jī)組為57臺(tái)，64臺(tái)，36臺(tái)，29臺(tái)，因此考慮最不利工況，采用64臺(tái)機(jī)組作為熱源，流程詳見(jiàn)圖3。

5 集中設(shè)置節(jié)能運(yùn)行策略

集中設(shè)置方案采用變流量一級(jí)泵系統(tǒng)，將64臺(tái)機(jī)組設(shè)置為8組，每組8臺(tái)，設(shè)置9臺(tái)水泵，8用1備，水泵與機(jī)組組數(shù)一一對(duì)應(yīng)，當(dāng)旁通管內(nèi)水量達(dá)到一組水泵的流量時(shí)，停止一組機(jī)組和一臺(tái)循環(huán)泵工作，當(dāng)旁通管內(nèi)水量未達(dá)到一組水泵的流量時(shí)，由機(jī)組自帶控制系統(tǒng)通過(guò)回水溫度控制機(jī)組啟停。宿舍區(qū)、公共服務(wù)區(qū)、食堂區(qū)、教學(xué)區(qū)分成不同的回路，以實(shí)現(xiàn)分時(shí)段控制和制冷制熱工況控制，具體工況1～4運(yùn)行策略如下：1)夏季工況：關(guān)閉宿舍區(qū)的閥門，其余回路全開(kāi)，開(kāi)啟7組的水泵和機(jī)組，并根據(jù)實(shí)際使用時(shí)間，開(kāi)閉其余回路(分時(shí)段控制)，并根據(jù)旁通水量、回水溫度開(kāi)啟或關(guān)閉相應(yīng)組數(shù)的水泵和機(jī)組。2)冬季白天工況：減小宿舍區(qū)的閥門開(kāi)度，其余回路全開(kāi)，開(kāi)啟8組水泵和機(jī)組，并根據(jù)實(shí)際使用時(shí)間，開(kāi)閉其余回路(分時(shí)段控制)，并根據(jù)旁通水量、回水溫度開(kāi)啟或關(guān)閉相應(yīng)組數(shù)的水泵和機(jī)組。3)冬季夜晚工況：全開(kāi)宿舍區(qū)的閥門，減少其余回路開(kāi)度，開(kāi)啟5組水泵和機(jī)組。并根據(jù)旁通水量、回水溫度開(kāi)啟或關(guān)閉相應(yīng)組數(shù)的水泵和機(jī)組。4)冬季防凍工況：全開(kāi)各回路閥門，進(jìn)行值班供暖，開(kāi)啟4組的水泵和機(jī)組。該運(yùn)行策略不僅考慮了不同典型工況下的運(yùn)行，還考慮了部分負(fù)荷下，機(jī)組與水泵的聯(lián)動(dòng)啟停，在滿足使用要求的情況下，最大限度的減少了能源的消耗。

6 集中設(shè)置優(yōu)勢(shì)分析

1)初投資方面：集中設(shè)置需要敷設(shè)室外供暖管網(wǎng)，相較分散設(shè)置需增加室外管網(wǎng)費(fèi)用，但集中設(shè)置減少了22臺(tái)機(jī)組，減少了機(jī)組費(fèi)用，同時(shí)分散設(shè)置需要循環(huán)水泵、軟化水設(shè)備、水箱、補(bǔ)水定壓裝置均要在每棟樓上配備，綜合考慮學(xué)校建筑單體間距較小，因此在初投資方面集中設(shè)置略低于分散設(shè)置。2)維護(hù)管理方面：分散設(shè)置方案維修較為分散，不便于管理，而集中設(shè)置機(jī)組集中控制，便于學(xué)校統(tǒng)一管理，同時(shí)機(jī)組互為備用，增加了系統(tǒng)運(yùn)行的安全系數(shù)，減少維護(hù)頻次，因此采用集中設(shè)置較為合理，優(yōu)勢(shì)明顯。3)節(jié)能運(yùn)行方面：分散設(shè)置系統(tǒng)水容量較小，機(jī)組需要頻繁啟動(dòng)，節(jié)能性能降低。分散設(shè)置同時(shí)開(kāi)啟泵較多，即使值班供暖也需要水泵全開(kāi)，不能調(diào)節(jié)水泵的開(kāi)啟數(shù)量。和集中設(shè)置運(yùn)行策略對(duì)比，集中設(shè)置較分散設(shè)置更為合理，優(yōu)勢(shì)明顯。4)建設(shè)方面：分散設(shè)置不受樓棟施工前后順序的影響，而集中設(shè)置受此方面影響嚴(yán)重。就該項(xiàng)目而言，學(xué)校首先建設(shè)行政辦公樓，因此集中設(shè)置同樣適合該項(xiàng)目。從以上這四個(gè)方面對(duì)比可知，該學(xué)校項(xiàng)目更適合使用集中設(shè)置方案，優(yōu)勢(shì)明顯。

7 總結(jié)及不足

1)機(jī)組集中設(shè)置能實(shí)現(xiàn)機(jī)組與水泵的聯(lián)動(dòng)啟停，在滿足使用要求的情況下，最大限度的減少了能源的消耗。2)針對(duì)該項(xiàng)目，機(jī)組集中設(shè)置較為適合，優(yōu)勢(shì)明顯，但在不同的項(xiàng)目中，要綜合考慮建筑單體之間的密度、管理模式、建設(shè)順序等情況，合理選擇不同的機(jī)組設(shè)置方式。3)該項(xiàng)目仍有很大的初投資節(jié)省空間，因?yàn)槎彀滋爝\(yùn)行工況室外氣溫較高，若采用能耗軟件進(jìn)行能耗模擬，可進(jìn)一步減少機(jī)組的設(shè)計(jì)臺(tái)數(shù)，進(jìn)一步減少初投資。4)由于熱量在傳遞過(guò)程中存在滯后性，因此機(jī)組集中設(shè)置需要經(jīng)過(guò)幾個(gè)供暖季和供冷季的運(yùn)行，才能總結(jié)出閥門開(kāi)度及開(kāi)啟的時(shí)間，以達(dá)到節(jié)能與舒適之間的平衡，因此機(jī)組集中設(shè)置對(duì)運(yùn)維人員的要求較高。