集中设置空气源热泵在学校建筑中的应用分析

王 海 亮

(中铁十七局集团有限公司勘察设计院，山西 太原 030032)

1 概述

近年来，随着新的压缩机技术、变频技术的技术革新，已经把空气源热泵的适用范围扩展到-20的低温环境，这使得空气源热泵在绝大多数地区都可以作为高效的电热转换方式，为建筑提供热源[1]，同时在清洁取暖趋势的大潮下，空气源热泵在北方寒冷地区的利用率越来越高[2]。近期，笔者对太原周边的几个空气源热泵的项目进行了回访，业主反映效果良好，但也发现空气源热泵在单栋建筑分散设置的较多，集中设置的较少，集中设置仅供热的多，兼顾供冷的少，即使兼顾了供热供冷，也实现不了循环水泵与热泵机组的联动，不能节能运行。针对这些问题，本文对学校的空气源热泵进行了分析研究。

2 学校概况及负荷分布

学校总图示意如图1所示，项目位于山西太谷，总用地面积131 958.01 m2，总建筑面积127 736.77 m2，其中改建建筑面积7 373.75 m2，新建建筑面积120 363.02 m2(含地上建筑面积为118 869.12，地下建筑面积1 493.90)，容积率为0.99，地块内一栋既有L型建筑，建筑功能为既有食堂和小学活动用房，面积分布详见表1，校区内建筑高度最高的公寓楼为39.45 m，其次为7层的行政办公楼30 m，其余层数均不大于6层，建筑高度均小于24 m，建筑节能均满足现行建筑节能标准[3]。根据功能区的不同，把学校分成教学区、公共服务区、食堂区、宿舍区、公寓区与配套用房区。宿舍、公寓仅考虑供热，教室、行政办公、体育馆、图书馆、食堂、教室在供热的同时考虑夏季供冷，按单体进行负荷计算，具体冷热负荷详见表1。

表1 学校面积分布及负荷分布表

学校附近无市政热源，经权衡判断采用低温空气源热泵冷热水机组(以下统称机组)作为校区的冷热源。单台机组规格为：额定制冷量为134 kW(环境温度35 ℃，冷水出水温度7 ℃)，额定制热量为156 kW(环境干球温度7 ℃，湿球温度6 ℃，热水出水温度45 ℃)，工况一制热量为96 kW(环境干球温度-12 kW，湿球温度-14 ℃，热水出水温度41 ℃)。太谷处于寒冷A区(冬季室外空气调节温度-12.8 ℃，相对湿度为50%，冬季室外供暖温度-11 ℃)，机组制热量折减系数较大，通常在0.65左右，可以采用工况一制热量作为选型依据。

3 分散设置方案

分散布置是在每栋楼屋顶单独设置机组及水泵房，流程图见图2，该方案可实现每栋楼单独控制及时间段控制，并能满足不同楼栋的供暖和供冷需要。方案采用变流量一级泵系统，由机组自带控制系统通过回水温度控制机组个数启停，循环水泵在系统运行时需连续工作，不能根据负荷变化调整循环水泵的运行台数。学校单体机组台数详见表1，总计101台，去除公寓区和配套用房，共计86台。

4 集中设置方案

考虑到公寓区和南部配套用房区需24 h供暖，寒假期间不停暖，用电、水单独计量，若统一热源，节能将大打折扣，因此两个区域分别单独设置空气源热泵系统。其余区域统一在行政办公楼楼顶设置集中能源站，由于冬季教学区、公共服务区、食堂区与宿舍区不同时使用，可以将宿舍区和教学区的热负荷进行折减，不使用区域热负荷按室内温度5 ℃的值班采暖进行计算。于是形成了四种工况的四种负荷，分别为：1)夏季工况，教学区、公共服务区、食堂区供冷，宿舍区不供冷，冷负荷为7 602.9 kW。2)冬季白天工况，教学区、公共服务区、食堂区供暖，宿舍区值班供暖，热负荷为6 108.4 kW。3)冬季夜间工况，宿舍区供暖，教学区、公共服务区、食堂区值班供暖，热负荷为3 372.1 kW。4)冬季防冻工况，宿舍区、教学区、公共服务区、食堂区值班供暖，热负荷为2 753.0 kW。为满足不同工况1～4的需求，依次需要机组为57台，64台，36台，29台，因此考虑最不利工况，采用64台机组作为热源，流程详见图3。

5 集中设置节能运行策略

集中设置方案采用变流量一级泵系统，将64台机组设置为8组，每组8台，设置9台水泵，8用1备，水泵与机组组数一一对应，当旁通管内水量达到一组水泵的流量时，停止一组机组和一台循环泵工作，当旁通管内水量未达到一组水泵的流量时，由机组自带控制系统通过回水温度控制机组启停。宿舍区、公共服务区、食堂区、教学区分成不同的回路，以实现分时段控制和制冷制热工况控制，具体工况1～4运行策略如下：1)夏季工况：关闭宿舍区的阀门，其余回路全开，开启7组的水泵和机组，并根据实际使用时间，开闭其余回路(分时段控制)，并根据旁通水量、回水温度开启或关闭相应组数的水泵和机组。2)冬季白天工况：减小宿舍区的阀门开度，其余回路全开，开启8组水泵和机组，并根据实际使用时间，开闭其余回路(分时段控制)，并根据旁通水量、回水温度开启或关闭相应组数的水泵和机组。3)冬季夜晚工况：全开宿舍区的阀门，减少其余回路开度，开启5组水泵和机组。并根据旁通水量、回水温度开启或关闭相应组数的水泵和机组。4)冬季防冻工况：全开各回路阀门，进行值班供暖，开启4组的水泵和机组。该运行策略不仅考虑了不同典型工况下的运行，还考虑了部分负荷下，机组与水泵的联动启停，在满足使用要求的情况下，最大限度的减少了能源的消耗。

6 集中设置优势分析

1)初投资方面：集中设置需要敷设室外供暖管网，相较分散设置需增加室外管网费用，但集中设置减少了22台机组，减少了机组费用，同时分散设置需要循环水泵、软化水设备、水箱、补水定压装置均要在每栋楼上配备，综合考虑学校建筑单体间距较小，因此在初投资方面集中设置略低于分散设置。2)维护管理方面：分散设置方案维修较为分散，不便于管理，而集中设置机组集中控制，便于学校统一管理，同时机组互为备用，增加了系统运行的安全系数，减少维护频次，因此采用集中设置较为合理，优势明显。3)节能运行方面：分散设置系统水容量较小，机组需要频繁启动，节能性能降低。分散设置同时开启泵较多，即使值班供暖也需要水泵全开，不能调节水泵的开启数量。和集中设置运行策略对比，集中设置较分散设置更为合理，优势明显。4)建设方面：分散设置不受楼栋施工前后顺序的影响，而集中设置受此方面影响严重。就该项目而言，学校首先建设行政办公楼，因此集中设置同样适合该项目。从以上这四个方面对比可知，该学校项目更适合使用集中设置方案，优势明显。

7 总结及不足

1)机组集中设置能实现机组与水泵的联动启停，在满足使用要求的情况下，最大限度的减少了能源的消耗。2)针对该项目，机组集中设置较为适合，优势明显，但在不同的项目中，要综合考虑建筑单体之间的密度、管理模式、建设顺序等情况，合理选择不同的机组设置方式。3)该项目仍有很大的初投资节省空间，因为冬天白天运行工况室外气温较高，若采用能耗软件进行能耗模拟，可进一步减少机组的设计台数，进一步减少初投资。4)由于热量在传递过程中存在滞后性，因此机组集中设置需要经过几个供暖季和供冷季的运行，才能总结出阀门开度及开启的时间，以达到节能与舒适之间的平衡，因此机组集中设置对运维人员的要求较高。