地源热泵系统在校园建筑中的应用分析

文/庞治霞、刘乃玲 山东建筑大学 山东济南 250000

庞治霞 山东水立方建筑设计有限公司 山东潍坊 261000

曹银生 山东工业技师学院 山东潍坊 261000

利用浅层地热能的地埋管地源热泵系统具有绿色环保、污染小、节能、并且可以供冷供暖兼制卫生热水“一机三用”的特点，有“绿色空调技术”的美誉[1]。校园内由于学校课程和作息时间的安排，教学类建筑和宿舍楼同时使用率较低，空调负荷存在明显的错峰、间歇使用的现象，这种负荷特点适合地源热泵系统的运用。本文运用工程实例分析了地源热泵系统设计和运行管理并提出可行性措施。

1、工程概况及建筑冷热负荷

潍坊市某体育学校，位于潍坊滨海开发区，学校用地面积442225㎡，建筑总面积167192㎡。校园内建有21栋楼，包括综合办公楼，教学楼4栋，图书馆，食堂，学生公寓5栋，训练竞技场馆7栋，能源中心，康复中心及教职工公寓。教职工寓采用低温热水辐射供暖，其余建筑采用风机盘管+新风系统。总建筑冷负荷14830kW，热负荷14044kW。

学校各个建筑的使用时间严重错峰：教学类建筑如教学楼与训练竞技场馆在白天上课训练用，学生公寓午休和晚间使用，食堂仅为间歇性早中晚就餐时间使用，综合楼白天使用，教职工公寓全天使用。建筑分时段使用决定了建筑的负荷特点——逐时叠加负荷的最大值比各个建筑负荷相加的最大值小的多[2]。

按照逐时叠加负荷的最大值选配地源热泵机组，增大了热泵机组的装机容量；负荷错峰的建筑共用一套地埋管系统，从根本上降低地埋管的数量且有助于地下回灌的热量与提取的热量保持相对平衡，对维持地下岩土长期温度平衡有利。故而从地源热泵机房和地埋管系统两方面都可减少工程造价与运行费用。学校建筑规模大，从系统后期易操作好维护管理考虑，分为三个独立的地源热泵空调系统置于各区。各系统负担建筑及逐时叠加后冷热负荷如下表1：

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2、地源热泵机房设计

机组采用高压螺杆式地源热泵机组，机房一采用两台SM(LM)-500DG；机房二、三各采用三台SM(LM)-500DG，单机制冷量/制热量：1629kW/1560kW,夏季空调供回水7℃/12℃，冬季空调供回水45℃/40℃；地源侧夏季冷源水25℃/30℃，冬季热源水8℃/3℃。热泵机组与空调水循环泵、地源水循环泵一一对应设置，循环泵冬夏共用。空调侧采用循环泵压差旁通控制变流量系统。地源热泵系统原理图如图1示。

3、地埋管换热系统设计

本项目系统开机运行份额较小，根据岩土热物性实验，每米孔深按释热量ql= 52w/m，取热量qr=42w/m确定地埋管数量。

作为一所体育学校，具有占地11万平方米的运动场，可将地埋管换热器群布置在运动场，并分为三个区域。区域一位于竞校网球场，钻孔数量672孔，承担系统一冷热负荷；区域二位于篮球训练场与足球训练场，钻孔数量804孔，承担系统二冷热负荷；区域三位于橄榄球训练场，钻孔数量762孔，承担系统三冷热负荷及系统二部分冷负荷；总计钻孔数量2238孔。地埋管水平主干管与室外各分集水器相连后接往机房。由于各集分水器所负担地埋管数量基本一致，主管道进入机房路数和热泵机组数量一致，每路地埋管所负担可满足一台热泵机组对冷热源的要求。

4、主要运行问题分析及解决办法

4.1 主要运行问题分析

工程专门配置一套能源管理监测系统，可以运用计算机对系统中各部分设备以及软件进行智能化控制和实时测控。对2018年7月份及2019年1月份各时间点空调供回水采集数据进行汇总分析发现，空调水及地源水大流量小温差的现象一直存在。测试结果反映出整个空调水系统，实际供回水温差比设计的5℃温差低得多。对空调进出水温分析也发现，夏季供水温度比设计值高，而冬季回水温度比设计值低。热泵机组地埋管冬季最低进水温度6℃，夏季进水温度最高31℃，且运行过程中供回水温差小于3℃。在冷热源温度范围合理的情况下产生这样的结果说明空调末端使用负荷小且空调水流量偏大。

图2 冷冻水供、回水温差运行时间百分比

图3 热媒水供、回水温差运行时间百分比

存在较为严重的大流量小温差的原因在于：

（1）负荷配置大，学校现有在校师生1300余人。远未达到5800余人的设计规模，而空调系统按照满负荷配置，现在并未达到满负荷运行。

（2）运行设备配置不合理：设计要求是按照设备一对一原则来运行空调系统。由于很多空调房间未开，不进行空调。机房热泵机组及循环水泵只运行一半，即可满足负荷要求。

而实际运行过程中出现了一台热泵机组对应多台循环泵的情况——机组按照使用要求开启，而循环泵全部开启，违背了安全运行的原则又浪费了能源，不经济。且热泵机组进、出口阀门处于开启状态，部分循环水旁通到未开启机组不仅没能被制冷，反而增加了另外一台循环泵的能耗，运行配置不合理。

从检测数据分析, 循环水泵能耗占得比例非常大，占系统总用电量的40%～50%。与合理运行相比, 两年来多耗费电160万kWh。

4.2 问题解决办法

对运行设备进行合理配置，严格要求按照设备一对一原则来运行空调系统；空调末端满足使用要求的状况下，夏季提高空调供水温度、冬季降低空调供水温度、减少通过热泵机组空调侧的水流量、调整热泵机组在高效负荷区（非满负荷）运行。因为空调系统的各同类设备是按照同型号并联配置的，并且都可以正常运行，所以开、关设备不用考虑设备型号来选择关闭哪台。且只运行一台热泵机组时，地源侧集分水器周期性关闭其中一支循环管路，便于地温恢复，提高热泵机组的工作效率。

5、工程造价及运行费用分析

5.1 工程造价分析

本工程地源热泵机房系统造价781.37万元，地埋管换热系统造价367.42万元，工程共计1148.79万元，总建筑为167192m2，故单位面积造价68.71元/m2。远低于常规设计的造价水平。

5.2 运行费用分析

从图4三年纵向分析，地源热泵系统总用电量逐年增加，符合学校师生数量逐年增加，所需空调负荷不断增大的现状；从每年每月用电量分析，每年1月及7月或8月是用电高峰期，这与潍坊市外气候有很大关系。

为便于比较分析运行费用，按照每年6月～9月为制冷季，11月15日～下年3月15日供暖季，学校电费为0.54元/KWh。如下表。循环水泵的开启数量如按运行设备合理配置，两年可节约电费84.6万元。

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5.3 用水量分析

学校水费为3.2元/m3,2017～2018制冷采暖季用水量3812m3/h，用水费用12199元；2018～2019制冷采暖季循环水泵总用水量为5167m3/h，用水费用16534元。

从水量变化可以看出：系统用水量增加趋势明显，用于冷热水季节转换、管件及阀门强度不够等因素，漏水点增加，需配备专职维修人员定期巡检，避免影响使用效果。

结论：

本项目从2017年1月开始运行至今已历经两个采暖季和两个制冷季。得出以下结论：

①空调系统整体运行较平稳、正常，室内空调各项性能指标均达到或优于设计要求，冷热源主机设备及地埋管换热器系统运行良好。

②学校建筑使用错峰的负荷特点适合采用地源热泵供冷供暖，其工程造价明显优于其他常规建筑地源热泵系统造价。

③在系统未满负荷运行的情况下，运行费用明显尤于其他供冷、供暖形式，地源热泵系统是值得大力推荐的节能、环保、低碳的技术。

④地源热泵系统的运行过程中应按照运行策略合理匹配运行设备。

⑤加强提高管理人员的专业技术水平，完善系统管理制度，最大程度的发挥系统的节能潜力。