浙江公共建筑地源熱泵系統設計優化研究

孫林娜 劉啟明 許抗吾 褚 賽 魏俊輝

（北京市勘察設計研究院有限公司 北京 100038）

0 引言

目前，地源熱泵作為一項可再生能源技術在長江三角城市群大力推進，其中浙江地區已于2020年發布地源熱泵應用規范文件，在浙江省的氣候地域等地方特色的基礎上，開展廣泛和深入的調查研究[1,2]。寧波地區的第四系地層主要分布在沿海平原區，第四系厚度從西北、東南平原兩側向平原區中心逐漸增厚，由30～40m 遞增至100～110m[3]。本項目所在場地0～35m 為淤泥質土層，地層巖性為細顆粒的粘性土、粉土和砂土，可鉆性較好，場地第四系厚度約為80m。

地源熱泵系統方案設計時需要對項目的全年冷、熱負荷特性進行分析，計算地埋管系統全年總釋熱量、總吸熱量、最大釋熱量和最大吸熱量[4]，浙江地區建筑空調全年累計冷負荷大于全年累計熱負荷，累計釋熱量遠大于取熱量[5]，而參照規范，地源熱泵地埋管系統的全年總釋熱量和總吸熱量應基本平衡，對于地下水徑流流速較小的地埋管區域，在計算周期內，兩者比值處于0.8～1.25 之間[6]。為了保證土壤全年冷熱平衡，辦公建筑一般采用地源熱泵與其他冷熱源相結合的復合系統，主要包括以下三種情況：

（1）冷負荷遠大于熱負荷

設計時以熱負荷決定地源熱泵裝機及埋管規模，由埋管數量反推地埋管系統的供冷能力，供冷不足時由其他常規空調冷源補足，通過調節地源熱泵與常規空調冷源開啟時間，可保證土壤冷熱平衡。

（2）冷負荷略大于熱負荷

設計時以熱負荷決定地源熱泵裝機及埋管規模，此時空調輔助冷源裝機較小，只通過調節地源熱泵與常規空調冷源開啟時間不足以維持土壤冷熱平衡，需設置輔助冷卻裝置，將過多釋熱量通過冷卻裝置排出。

設計時以冷負荷決定地源熱泵裝機，一般情況足夠滿足冬季熱負荷需求，以熱負荷決定埋管規模，通過設置輔助冷卻裝置，將過多的釋熱量排出。

綜上所述，適用于浙江當地的地源熱泵系統需充分考慮土壤冷熱平衡問題，保證系統運行的穩定性，否則在熱堆積的情況下難以達到設計的運行工況，無法滿足建筑負荷需求。本文通過對比各地源熱泵復合能源組合形式，探索夏熱冬冷地區地源熱泵技術應用的特征及適用性。

1 項目概況

本項目建筑為浙江省某公共建筑，位于浙江省寧波市象山縣，總建筑面積69773m2，其中地上為辦公場所和部分商場，建筑面積共49450m2，地下兩層為汽車庫，建筑面積為20323m2。根據業主所提供資料，當地可采用燃油鍋爐作為熱源，本項目空調夏季設計冷負荷為6232kW，冬季設計熱負荷為4523kW，冷熱源為“地源熱泵+冷水機組+燃油鍋爐”的復合能源系統，其中地源熱泵設計鉆孔深度為80m，冷水機組又分為兩臺離心冷機及1 臺螺桿冷機，裝機配置如表1 所示，總制冷量為6315kW，總制熱量為5326kW。

表1 原設計方案機組裝機配置Table 1 installation configuration of the original design scheme

上述能源形式存在以下3 點問題：

（1）控制較為復雜：機組設備包括地源熱泵、冷水機組及燃油鍋爐，其中冷水機組分為離心式冷機及螺桿式冷機，系統節能運行控制較為復雜。

（2）環保效益差：燃油不屬于清潔能源，有悖于國家“雙碳”政策，節能及環保效益差。

（3）浙江省燃油價格較高，如圖1 所示，近三年-10 號柴油價格最低為5902 元/噸，系統整體運行費用較高。

圖1 浙江省近三年-10 號柴油價格變化趨勢Fig.1 Zhejiang Province in recent three years-10 diesel price change trend

2 優化方案分析

通過上述分析可知，本項目能源系統擁有較大的節能空間，本文重點分析系統能源形式變化對初投資及運行費用的影響，探索地源熱泵系統節能方向，上述項目可優化得出以下三種能源組合形式。

（1）地源熱泵+冷水機組+燃氣鍋爐系統

由于項目原方案采用燃油鍋爐的經濟效益及環保效益差，將燃油鍋爐更換成同等裝機容量的燃氣鍋爐可有效減少運行成本，節能環保效益好，下述簡稱優化方案1，如圖2 所示。

圖2 地源熱泵+冷水機組+燃氣/燃油鍋爐系統Fig.2 Energy system combining ground source heat pump and chiller and gas/oil fired boiler

（2）地源熱泵+冷水機組系統

由于本項目冷負荷大于熱負荷，地源熱泵系統夏季排熱量遠大于冬季取熱量，為了解決土壤冷熱平衡問題，可加入冷水機組承擔部分冷負荷，此方案去掉鍋爐的同時增加了部分地埋孔的數量，地埋孔數量按照冬季熱負荷進行選擇，下述簡稱優化方案2，如圖3 所示。

圖3 地源熱泵+冷水機組系統Fig.3 Energy system combining ground source heat pump and chiller

（3）地源熱泵+輔助冷卻系統

根據相關規范[1,2]，浙江省推薦地源熱泵與常規空調冷熱源組成復合冷熱源，為了節省工程造價，一般只需采用輔助冷卻裝置，地埋管數量按照熱負荷選擇，冷卻塔排熱負荷為夏季空調冷負荷與地埋管的最大供冷能力之差，充分發揮地源熱泵節能優勢，同時降低部分地埋管初投資費用，下述簡稱優化方案3，如圖4 所示。

圖4 地源熱泵+輔助冷卻系統Fig.4 Energy system combining ground source heat pump and auxiliary cooling device

3 方案對比分析

3.1 參數設置

3.1.1 運行時間

根據相關規范[6]，寧波供暖季自12 月8 日至來年3 月5 日止，共計78 天，系統設計供回水溫度為45/40℃，每日早8 時至晚18 時按室內設計溫度18℃運行，晚18 時至次日早8 時低溫運行。項目設計制冷期時間為6 月1 日至9 月30 日，共計122 天，系統設計供回水溫度為7/12℃，每日早8時至晚18 時按室內設計溫度26℃運行，其余時間關閉。

3.1.2 能源價格

燃油價格取自2019 至2021 三年期間的平均價格7398 元/噸，當地燃氣價格為4.15 元/Nm3，電價按照浙江省電網銷售電價表一般工商業用電價格。如表2 所示。

表2 浙江省工商業電價表（自2021 年1 月1 日執行）Table 2 Zhejiang industrial and commercial electricity price table

根據上述設置的運行時間及能源價格，計算三種優化方案與原方案的初投資及運行費用，分析各系統在夏熱冬冷地區應用的經濟性及適用性。

3.2 結果對比分析

3.2.1 各方案設備裝機

優化方案1 將燃油鍋爐替換成同等裝機容量的燃氣鍋爐，其余設備裝機基本一致，優化方案2與方案3 的設備裝機情況如表3 所示。

表3 優化方案2 及方案3 機組裝機配置Table 3 Optimize the unit installed configuration of scheme 2 and scheme 3

3.2.2 土壤冷熱平衡說明

對于地源熱泵而言，最不容忽視的問題便是調節土壤冷熱平衡，維持系統平穩正常運行。

（1）冷熱平衡計算

根據建筑逐時負荷統計結果計算地源熱泵系統承擔冷熱負荷需要向土壤取出或排入的熱量，瞬時取排熱量計算公式如下所示。

式中：q0為建筑瞬時冷負荷，kW；qc為向土壤釋放的瞬時熱量，kW；q1為建筑瞬時熱負荷，kW；qh為從土壤取出的瞬時熱量，kW。

累計取排熱量計算公式如下所示。

式中：Qc為年累計釋熱量，kW；Qh為年累計取熱量，kW。

土壤不平衡率計算公式如下所示。

式中：η為土壤冷熱不平衡率，%。

（2）方案調平衡說明

原方案與優化方案1 中均以地源熱泵作為基礎負荷，燃氣/燃油鍋爐作為調峰熱/冷源，若不進行冷熱平衡調節，則會出現土壤熱堆積現象，不利于系統高效運行。上述兩種系統在調節前的土壤不平衡率為49.72%，如圖5 所示。通過分季節控制機組開啟的方式，當室外濕球溫度較低時，冷水機組優先運行，充分發揮冷卻塔向低溫環境排熱的優勢，給予地埋管土壤溫度恢復的時間，避免埋管周圍熱量堆積，其余冷負荷由地源熱泵承擔。調節后土壤不平衡率為14.80%，如圖6 所示。

圖5 原方案與優化方案1 土壤調平衡前示意圖Fig.5 Schematic diagram before soil balance adjustment of original scheme and optimization scheme 1

圖6 原方案與優化方案1 土壤調平衡后示意圖Fig.6 The original scheme and optimized scheme 1 after soil regulation and balance

優化方案2 中去掉了鍋爐配置，地源熱泵裝機按照冬季熱負荷選擇，冷水機組作為補充冷源。此方案雖配有冷水機組承擔冷負荷降低土壤排熱量，但由于冷水機組裝機較小，即使以冷水機組承擔夏季基礎負荷，其余時間開啟地源熱泵機組仍出現熱堆積現象，此時土壤不平衡率為49.6%，如圖7 所示。為了進一步調整土壤冷熱平衡，為地源熱泵機組配備冷卻塔，將多余的熱量通過冷卻塔排掉，采用分階段開啟冷卻塔的方式，盡可能保證在室外濕球溫度較低階段開啟冷卻塔，使其高效運行，優化方案2 中冷卻塔在7 月30 日至8 月30 日期間關閉，其余時間開啟，土壤不平衡率為15.25%，如圖8所示。

圖7 優化方案2 土壤調平衡前示意圖Fig.7 Schematic diagram before soil balance adjustment in optimization scheme 2

圖8 優化方案2 土壤調平衡后示意圖Fig.8 optimization scheme 2 after soil regulation and balance

優化方案3 也采用上述方法進行調節，由于埋管數量根據冬季熱負荷決定，故地埋管系統夏季制冷能力有限，此時出現兩種情況：

①冷卻塔集中在7 月30 日至8 月26 日關閉，期間運行過程中若地埋管制冷能力不足，則依然開啟冷卻塔進行排熱。

②其余時間冷卻塔承擔基礎排熱量，其余熱量排入地埋管系統中。

上述策略運行后的土壤不平衡率為14.42%。

3.2.3 方案對比分析

（1）經濟效益分析

根據地源熱泵裝機，各方案設計地源熱泵打孔數如表3 所示，本方案單米吸熱量為37W/m，單米釋熱量為55W/m。

表4 打孔數量統計Table 4 Number of buried holes

①初投資對比

本項目涉及的設備包括地源熱泵、冷水機組、鍋爐、水泵及板換等，經測算，各方案初投資費用如表5 所示，由于優化方案2 及優化方案3 中地埋孔數量較多，故其初投資相比其他兩方案費用較高。

表5 初投資費用統計Table 5 Preliminary investment cost statistics

②運行費用對比

原方案與優化方案計算的運行能耗及運行費用分別如表6、表7 所示，優化方案1 的電耗與原方案相同，由于當地燃油及燃氣價格相差較大，運行費用較低。優化方案2 與優化方案3 相比于原方案夏季電耗降低，冬季電耗增加，運行費用顯著降低。

表6 能耗統計Table 6 Energy consumption statistics

表7 運行費用統計Table 7 Operating cost statistics

③靜態投資回收期

各方案初投資及運行費用如圖9 所示，相比于原方案，優化方案1 的靜態投資回收期為0.72 年，優化方案2 的投資回收期為15.05 年，優化方案3的投資回收期為13.26 年。

圖9 靜態投資回收期分析Fig.9 Static payback period analysis

（2）環保效益分析

根據相關規范，新建燃油鍋爐和燃氣鍋爐的SO2及氮氧化物排放限值如表8 所示。從表中可知，使用燃氣鍋爐的環保效益更好，遠遠優于燃油鍋爐。

表8 新建鍋爐污染物限值統計[7]Table 8 Statistics of pollutant limits of newly-built boilers

根據相關規范[8,9]，各方案能源折合成排放標煤量如圖10 所示，相比化石能源，地源熱泵對環境影響較小，地源熱泵裝機越大，節能環保效益越好。

圖10 各方案排放標煤量Fig.10 The amount of standard coal discharged by each scheme

3.2.4 適用性分析

（1）原方案

原方案采用“地源熱泵+冷水機組+燃油/燃氣鍋爐”系統，地源熱泵設計裝機較小，需要設置其他冷熱源，此時冷水機組及燃油鍋爐設計裝機較大，從整體看，冷水機組的能效不及地源熱泵，且燃油的運行單價較貴，運行費用整體高于后續增加地源熱泵裝機的優化方案2/3。僅適用于燃油價格較低的項目。

（2）優化方案1

優化方案1 采用“地源熱泵+冷水機組+燃氣鍋爐”系統，此方案對比的目的在于判斷浙江地區在同樣工況下燃油和燃氣的運行費用差異，計算結果顯示，在同等裝機條件下，燃氣鍋爐的運行費用低于燃油鍋爐，而二者的初投資相差不大。在同時擁有燃油及燃氣資源的條件下應優先采用燃氣鍋爐。

（3）優化方案2

優化方案2 采用“地源熱泵+冷水機組”系統，地源熱泵裝機按照冬季熱負荷設計，夏季冷負荷不足部分由冷水機組補足，本項目熱負荷與冷負荷相差較小，冷水機組的裝機較小，即使將冷水機組作為基礎負荷運行時仍不能保證土壤冷熱平衡，需要為地源熱泵機組設置冷卻塔排掉多余熱量，額外增加投資費用，此方案更適用于冷熱負荷差值較大，采用冷水機組即可調整冷熱平衡的項目。

（4）優化方案3

優化方案3 采用“地源熱泵+輔助冷卻”系統，地源熱泵系統裝機按照夏季冷負荷進行設計，調整土壤冷熱平衡主要靠冷卻塔實現，系統形式較為簡單，由于地源熱泵裝機依照冷負荷值，所選機組對于冬季熱負荷而言裝機容量過大，初投資增加，更適用于冷熱負荷差值較小，冷卻塔需排熱量較少的項目。

整體而言，原方案與優化方案1 適用于現場打孔空間有限，無法增加地源熱泵裝機的情況，而二者相比，若同時擁有兩種熱源，由于燃油鍋爐的價格稍貴且環保效益差，應優先采用優化方案1。優化方案2 及優化方案3 適用于現場打孔空間充裕的情況，若冷熱負荷差值大，應優先采用優化方案2，若冷熱負荷差值小，應優先采用優化方案3。

4 結論

本文致力于探究夏熱冬冷地區地源熱泵技術應用方向，具體項目選用地源熱泵系統應用形式時應充分考慮場地打孔條件，場地布孔區域面積，由此確定地源熱泵孔數上限，再結合冷熱負荷設計值及建筑周邊能源分布情況判定項目可用的能源系統形式及各設備裝機比例。具體結論如下：

（1）場地布孔區域

布孔區域面積決定地源熱泵的裝機范圍，若布孔區域較小，單一的地源熱泵無法滿足建筑冷熱負荷需求應配套采用其他輔助冷熱源，如冷水機組、鍋爐等，若布孔區域足夠，由于夏熱冬冷地區的冷負荷大于熱負荷，應根據熱負荷確定埋孔數量，減少不必要的初投資費用及能源浪費。

（2）土壤冷熱平衡

夏熱冬冷地區地源熱泵應用大多存在熱堆積的情況，若布孔區域不足，冬季一般以地源熱泵作為基載，鍋爐等輔助熱源作為調峰，夏季控制地源熱泵及冷水機組運行時間維持土壤冷熱平衡。若布孔區域充足，由冷熱負荷差值決定地源熱泵系統形式，冷熱負荷差值較大，可采用“地源熱泵+冷水機組”的系統形式，若冷熱負荷差值較小，可采用“地源熱泵+輔助冷卻”的系統形式。

（3）能源應用分析

項目的能源應用需評估能源站建設資金及當地能源價格波動情況。本項目場地周邊可用化石能源包括柴油及天然氣，但由于當地油價較高且環保效益較差，測算結果顯示采用天然氣能夠進一步降低運行費用，完全可以由燃氣鍋爐替代燃油鍋爐。此外，地源熱泵系統由于初投資較高，應用時需充分考慮當地逐時電價，電價越低，項目的靜態投資回收期越短，地源熱泵系統能源應用的優勢越大。