地源热泵系统在校园建筑中的节能研究

张娅玲，侯亚祥



地源热泵系统在校园建筑中的节能研究

张娅玲，侯亚祥

（江苏城乡建设职业学院，江苏 常州 213147）

通过具体工程案例，介绍了校园建筑的空调负荷特点，分析地源热泵系统在校园建筑应用的适应性和经济性，分析运行管理规律和能耗数据，从设计角度和运行角度进行节能分析，并进一步挖掘地源热泵系统在校园建筑中应用的节能潜力，提出相关结论和建议，为地源热泵系统在校园建筑的应用提供参考依据，进一步提高能源利用率。

校园建筑；空调负荷；地源热泵系统；能源利用率

近年来，地球温室效应日益凸显，高温天气出现的频率也大幅上升，随着社会经济的发展和人们对室内环境舒适度要求的提高，空调已经成为生活必需品，校园建筑安装空调已经成为必然要求。目前我国高校数量超过2 000所，校园建筑数量庞大，建筑类型繁多，全国校园能耗占社会总能耗的8%[1]。校园内人员密集，建筑种类繁多，能源消耗量大，以夏热冬冷地区为例，经过13所高校的能耗调查发现，生均能耗为全国人均能耗的2~4倍[2]，高校处于耗能平台的前沿领域，能耗数量庞大，节能减耗潜能空间广阔。一方面是对空调的刚性需求，一方面是节能的必要性，地源热泵系统恰恰能解决二者之间的矛盾。目前很多高校使用地源热泵系统为校园建筑供冷供热并提供生活热水，地源热泵系统在校园建筑中具有综合节能优势和环保优势[3]，相比传统空调系统，地源热泵系统制热能效比有较大幅度提高，节能效率达34.4%[4]。我国对于公共建筑和住宅空调能耗的实测和研究已经取得一定进展，但对校园建筑的空调系统运行能耗的研究，则开展不多[5-7]。本文以某高校地源热泵空调系统为例，分析地源热泵系统在校园应用的适应性和经济性，并根据其投入使用两年多的运行管理规律和能耗数据，进一步挖掘其节能潜力，提出相关结论和建议，为地源热泵系统在校园建筑的应用提供参考依据。

一、工程案例分析

1.项目介绍

江苏城乡建设职业学院新校区位于江苏省常州市钟楼区，设地源热泵区域能源站，供能范围包括教学楼、行政楼、图书馆、研发楼、宿舍楼、食堂等区域，解决校内约13.5万m2建筑用房的供暖、供冷及部分生活热水问题，考虑使用特点，食堂、宿舍楼与其他建筑错峰使用，其中宿舍面积70 000m2，食堂面积14 690m2。

2.校园建筑空调负荷特点

学校建筑特色鲜明，根据使用功能分为教学区、生活区、行政办公区、活动区等。利用DEST软件对该校园建筑进行负荷模拟计算，空调逐时冷负荷和热负荷见图1和图2。

图1 空调逐时冷负荷（注：夏季典型日累计冷负荷10 0730.1kWh）

图2 空调热负荷（注：冬季典型日累计热负荷83441.4kWh）

从图1和图2可以看出，校园建筑数量多，人员集中，办公区及教学区和宿舍区的集中使用时间正好错开，因食堂负荷时间短，与教学楼、行政楼等用能也可以错时使用[8]。食堂冷负荷5 598kWh/d，热负荷4 152 kWh/d，不统计在总负荷中，运行时根据实际负荷余量情况进行调配，不足部分通过设置柜式空调进行补充。

校园建筑平均冷、热负荷按照典型日计算总负荷的70%计算，则夏季日平均累计冷负荷约为 7 0511kWh/天，冬季日平均累计热负荷约为58 409kWh/天；进行设备选型时，考虑建筑间同时使用系数，该校设计冷负荷为6 845.3kW，设计热负荷为4 682.2kW，总供能面积为120 122m2（不含食堂）；计算冷负荷指标为57W/m2，热负荷指标为39W/m2，远低于常规空调指标，通过错峰使用，在不增加装机容量的情况下，最大限度增加供能面积，实现能源的合理利用，提高能源使用效率。

二、地源热泵空调系统适用性分析

1.技术适宜性

地源热泵是一种通过输入少量的高位电能，实现从岩土体、地下水、地表水等中低位热能向高位热能转移的热泵空调系统。由于冷热源常年温度保持恒定且受室外温度变化影响较小，其温度高于冬季室外温度，又低于夏季室外温度，因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍，大幅提高效率，达到节能的目的[9]。

根据学校供热、供冷及热水供应特点，利用地源热泵系统，可以集约校园用能规模，性价比高；通过运用智能化控制系统，在装机容量不增加的情况下，可最大限度增大服务面积；利用校区集中绿地及操场等非建筑区域打井，可合理布局校区管网；同时在一定程度上可减少电、燃气等能源的利用，实现节能环保；在运行阶段，采用高效管理手段，可降低成本，实现校园的低成本运行。

校园寒暑假，恰好处于建筑冷热负荷的高峰期，同时校园中教学楼、宿舍楼等各类建筑负荷错峰明显，各类建筑逐时负荷最大值的叠加远远大于其同一时刻负荷叠加的最大值，所以应根据后者选择热泵机组等设备容量。校园建筑这种负荷特点非常适合地源热泵系统的应用，从地埋管区域温度、压缩机耗功、系统能效比等指标分析，这种间歇运行的特点对地源热泵系统十分有利。

3.技术经济性

地源热泵空调系统相对其它空调系统，具有很好的节能效果。与传统冷水机组+锅炉系统进行对比，能耗计算见表1和表2。

计算依据：

（1）夏季供冷100天，冷负荷约7 0511kWh/天；冬季供热70天，热负荷为58 409kWh/天；热水量100吨/天。

（2）地源热泵主机夏季平均能效比6.90，冬季平均能效比4.73。

（3）冷水机组+冷却塔夏季主机能效比5.1，燃气锅炉供热效率为90%[10]。

（4）热水量100吨/天，夏季使用全热回收制备生活热水100天，冬季夜间地源热泵制备生活热水70天（该校热水供应以空气源热泵热水系统为主，地源热泵系统仅作为补充，为方便对比，取冬夏两季开地源热泵主机时段的用水量）。

表1 地源热泵系统与传统系统空调能耗对比

表2 地源热泵系统与锅炉制热水能耗对比

汇总表1和表2，两种冷热源形式相比，采用地源热泵系统，年节省标准煤可达447.2tce，节能效果显著，且能大量减少碳排放。

三、地源热泵空调系统节能性分析

1.设计节能分析

以行政楼学生服务中心（面积120m2）为例，用DEST软件进行全年逐时空调负荷计算，结果见图3。从图中看出最大冷负荷出现在七月至九月，最大热负荷出现在一二月之间，而此时正值学校寒暑假时期，其余时间逐时负荷最大值约为全年计算逐时负荷最大值的85~90%。

图3 学生服务中心全年逐时空调负荷

（1）主机选型。根据建筑物负荷特点，再考虑建筑内部同时使用系数，按照逐时最大负荷的80%配置主机，选用四台螺杆式地源热泵机组，3台制冷量1 162kW（其中一台为全热回收机组），1台制冷量1876kW。配置四台机组，在供冷或供热初末期，室外气温造成负荷递增或递减，改变主机开启台数，使热泵机组保持中高效运行，从源头上实现节能。

（2）水泵选型。冷冻水一次泵4台，与主机一一对应，定频控制；冷冻水二次泵10台，5个供能单体各2台，变频控制；冷却水泵4台，与主机一一对应，定频控制。管路设计保证循环水泵开启数量与热泵主机开启台数一致，冷冻水二次泵采用变频控制，适应末端系统的流量变化，减少频繁启动，降低启动损耗，同时避免水流冲击造成的管路、仪表、阀门、法兰等的损坏。

（3）冷却塔选型。考虑夏热冬冷地区夏季向土壤放热量大于冬季从土壤取热量，因此系统按冬季设计总制热量设置地埋管换热器，在夏季峰值负荷或冷负荷较大时，启用冷却塔装置辅助散热，既减少了地埋管的数量，也避免了土壤热量失衡问题。

（4）灵活空调形式。针对学校工作性质，周末仅开启宿舍和食堂支路，考虑有加班情况，在行政楼局部办公区域另设计多联机空调系统，人员少时仅开启多联机满足供冷供热需求，避免了远距离输送带来的输配能耗，也减少了主机的开启台数，很大程度上实现节能。

2.运行节能分析

一套系统能否达到良好的节能效果，更多取决于运行管理水平，经过两年多的使用，管理团队也总结出一些经验。

（1）热泵机组节能运行。主机能耗往往是空调系统能耗的重要组成部分，在许多实际工程中，主机的电耗占到空调系统总电耗的一半甚至更高，其运行效率对空调系统的整体效率有显著影响。以负荷为依据对热泵机组开启台数作出调整，使热泵机组在负荷区中高效运行；主机开启台数应同循环泵开启的数量一致，当部分主机开启时，相应循环水泵也应部分开启，且关闭未开启主机的进出口阀门，从而避免因循环水无效旁通所导致的水流量不足，供热能力下降等现象；也能避免主机频繁性启动，降低主机开机能耗。在夏季根据地埋管出水温度和室外空气的温湿度判断是否优先使用冷却塔，同时地埋管系统和机组匹配进行分区运行，使机组的能效比达到最大化。

（2）调节回水温度应对负荷变化。地源热泵空调系统夏季供回水温度为7/12，冬季供回水温度为45/40。根据相关数据显示，合理设定机组回水温度具有5%左右的显著节能效果；运行时结合负荷需求对回水温度设定值进行实时调整，当负荷小时，适当降低回水温度，如此，在低温供暖时，热机具有较高的能效比，同时可避免因室温过高导致的开窗现象，进而促进系统节能性能的提升。

（3）关注电压的变化。运行中发现电压的波动对能耗有很大影响，电压偏高将直接导致设备能耗增大，380V额定电压的用电设备在410V电压中运行时，整体的系统能耗增加约8%；电压偏高不但会增大地源热泵系统设备的耗电量，而且长时间在超负荷条件下运行，还会造成设备使用寿命的降低。

（4）能耗监测平台。引入建筑能源管理系统，实时显示各分项计量系统的数据，通过对能耗、费用数据的分析，及时发现用能设备是否存在能源浪费现象，从而发现节能潜力、排查节能故障、提出改进意见。

3.实际使用效果

该校园空调系统于2015年冬季正式投入使用，经过严格测试，精心管理，地源热泵空调系统（包含主机、输配和末端系统）用电情况见表3：

表3 校园地源热泵空调系统实际耗电量

从表3可以看出，该校地源热泵空调系统的实际电耗很低，有几方面原因：一是天气最冷最热时，学校放寒暑假，实际使用时间短；二是该系统不同建筑错时使用，装机容量小但供能面积大，性价比高；三是高效管理，该系统由专业的运管团队进行管理，及时根据实测数据进行调控，保证机组高效运行。

四、结论

校园建筑安装空调系统，提升师生的生活品质是社会经济发展的要求，同时校园又是耗能大户，地源热泵系统是一种适合校园建筑特点、比较节能的空调方式。通过以上分析可以看出：

（1）根据校园建筑使用特点，通过运用智能化控制系统，错峰填谷，减小装机容量，实现能源合理利用，经过对校园建筑冷热负荷规划分析，主机配置只需按最大负荷80%考虑，大大降低了初投资。

（2）经过计算分析，本案例地源热泵系统，相比传统冷水机组+锅炉的空调系统，每年可减少447.2吨标准煤的使用，不但节能效果明显，而且对室外空气没有污染，清洁环保。

（3）注重设计节能，合理选择主机台数，根据负荷变化开启，保证高效运行；选用变频水泵，适应末端系统的流量变化，减少频繁启动，降低启动损耗；配置冷却塔辅助散热，减少埋管数量，避免土壤热量失衡；选用灵活空调形式，满足局部需求，降低输配能耗。

（4）注重运行节能，以负荷为依据对热泵机组开启台数作出调整，使热泵机组在负荷区中高效运行；调节回水温度应对负荷变化，促进系统节能性能的提升；关注电压的变化，减少设备耗电量；建立能耗监测平台，实时监测并分析，及时发现问题并改进，挖掘节能潜力。

（5）经过两年多的使用，本案例地源热泵空调系统单位面积耗电量为9.33KWh/(m2.a) ，大大低于办公建筑能耗指标引导值55KWh/(m2.a)[11]。当然这其中存在校园建筑的寒暑假是冷热负荷高峰期的因素，但也足够证明地源热泵系统的节能性。

校园建筑应用地源热泵系统具有独特的优势，不但能实现节能环保和校园的可持续发展，也为校园师生提供参与保护环境的实践机会，提供了环境教育的资源，具有广泛的教育意义。

[1]谭洪卫，徐钰琳，胡承益等.全球气候变化应对与我国高校校园建筑节能监管[J].建筑热通风空调，2010，29（01）：36-40.

[2]高彪，谭洪卫，宋亚超.高校校园建筑用能现状及存在问题分析——以长三角地区某综合型大学为例[J].建筑节能，2011，（02）：41-44.

[3]陈铁，王建忠，刘永强.地源热泵空调系统在唐山学院的应用[J].暖通空调，2007，37（02）：76-78.

[4]蓝杨虹，唐峰，陈海波.夏热冬冷地区学校建筑空调系统设计方案节能效果比较分析[J].建筑节能，2014，03：4-8+14.

[5]薛志峰，江亿.北京市大型公共建筑用能现状与节能潜力分析[J].暖通空调，2004，34（02）：8-10，24.

[6]李兆坚，江亿，魏庆芃.北京市某住宅楼夏季空调能耗调查分析[J].暖通空调，2007，37（04）：46-51.

[7]李兆坚，刘建华，田雨忠等.福州市某小区住宅夏季空调能耗调查分析[J].暖通空调，2014，44（01）：65-69.

[8]朱炜亮.地源热泵系统学校类建筑应用的冷热源规划探讨[J].山西建筑，2016（01）：138-139.

[9]GB 50366-2005，地源热泵系统工程技术规范[S].2009.

[10]DGJ32/J 96-2010，江苏省公共建筑节能设计标准[S].江苏省住房和城乡建设厅，2010.

[11]GB/T 51161-2016，民用建筑能耗标准（第1版）[S]..北京：中国建筑出版社，2016.

Energy Saving of Ground Source Heat Pump System in Campus Building

ZHANG Ya-ling，HOU Ya-xiang

（Jiangsu Urban and Rural Construction College, Changzhou, Jiangsu 213147, China）

This paper introduces the characteristics of the air conditioning load of the campus buildings, introduces the adaptability and economy of the ground source heat pump system in the campus construction application, analyzes the operation and management rules and energy consumption data, carries on the energy saving analysis from the design angle and the operation angle, further explores the energy-saving potential of the application of the ground source heat pump system in the campus building, and puts forward the relevant conclusions and suggestions for the ground source heat pump system in the campus building application to provide a reference basis and further improve energy efficiency.

campus building；air conditioning load；ground source heat pump system；energy efficiency

2018—09—01

江苏省建设科技项目资助,项目编号：2017ZD217。

张娅玲（1971—），女，河北无极人，江苏城乡建设职业学院，高级工程师，副教授。

TU201.5

A

1008—6129（2018）05—0090—06