某办公建筑复合式地源热泵空调系统优化分析——基于济南地区

高 伟

(厦门合立道工程设计集团股份有限公司 福建厦门 361000)

0 引言

自1940年以来，人们开始对地源热泵系统的性能进行分析及研究。将太阳能集热器与地源热泵的地埋管进行组合，让富余的太阳能储藏在土壤中，是Penrod在1956年首次提出的设想，1962年彭罗德提出了太阳能-地源热泵复合系统的工作原理[1]。近年来，地源热泵在我国发展迅速，围绕着复合式地源热泵系统进行了大量的研究和探索，越来越多的工程也随之被投入使用[2]。考虑到不同地区建筑冷热负荷与太阳能资源的丰富程度不平衡性，地源热泵系统的设计常采用通过耦合不同的辅助供热或散热设备的措施来提高系统运行的经济性。比如，杨卫波等人进行了冷却塔复合式地源热泵系统研究[3]，王成勇等人进行了太阳能复合式地源热泵系统研究[4]。本文对济南地区某办公楼建筑的复合式地源热泵空调系统进行设计优化分析。

根据太阳能资源分布图显示，济南属于三类地区，太阳能资源较为丰富[5]。因此，该地区应用地源热泵系统的时候。通常考虑利用太阳能进行辅助供热。但是，由于该地区大多数建筑的夏季累计供冷负荷大于冬季累计供热负荷，若冬季使用太阳能辅助供热，会进一步加剧地下换热不平衡。因此，如何充分利用太阳能和地热能实现各个能源子系统之间的优化匹配，是其首要考虑问题。

济南地区的冷热负荷不平衡率相对南方地区较低，冬季太阳能资源较南方地区更为丰富，太阳能的复合使用虽然降低了热泵系统的供热能耗，但加剧了系统全年的地下换热不平衡现象。因此需要冷却塔夏季辅助散热，一方面减少了地埋管系统的设计容量，降低地埋管系统施工成本；另一方面充分利用了太阳能，降低了系统的整体能耗，还能实现各子系统互为备用的目的。

1 建筑负荷模拟计算

图1 建筑负荷模型模拟流程图

模拟结果显示，该办公楼的峰值热负荷117.2 kW，峰值冷负荷138.46 kW。热负荷集中在每年的11月～3月，冷负荷集中在5～9月，3～5月和9～12月处于过渡季节负荷较小。采暖时间取11月16日～3月15日，年累计热负荷为38 453 kwh。供冷时间取5月16～9月15日，年累计冷负荷为86 840 kWh。

2 空调系统模型建立

2.1 地源热泵空调系统

根据负荷计算结果显示，该建筑存在冷热负荷不平衡，采用独立地源热泵系统时，向土壤释放的热量远大于从土壤吸取的热量。因此，在地埋管式换热器的设计应采用夏季的最大排热量。根据负荷及岩土热物性测试结果，参照相关设计规范[6]，经计算：该地源热泵系统采用管径DN32的单U型地下换热器，竖直埋管深度100 m，夏季共需钻孔总长度3473.18 m，考虑富余量，确定该工程实际设计36口埋管深度为100 m换热井。系统模型如图2所示。

图2 地源热泵系统模型

2.2 冷却塔与地源热泵耦合系统

在实际工程应用中，冷却塔与地源热泵的耦合方式有串联和并联等方式。相关文献研究显示[7]，并联系统相比串联系统运行效率更高，因此该工程选用并联方式耦合冷却塔和地源热泵系统。TRNSYS模型如图3所示。

图3 冷却塔复合式地源热泵系统模型

根据地下最大换热量和钻孔长度计算结果，求比值后单位钻孔长度换热量为：制热季36.46 W/m，制冷季47.11 W/m。考虑到富余量，该工程选取冬季的单位井深换热量选取30 W/m，按照冬季的供热负荷，地埋管换热器的换热量为93.8 kW，需要钻孔长度约3127 m，共需要32口钻井深度100 m的换热井。若夏季平均单位井深的换热量取为45 W/m，32个换热井可负担的最大释热量为144 kW。根据负荷计算，夏季最大释热量为163.63 kW。所以，冷却塔需要承担约19.63 kW的换热负荷。冷却塔的额定容量约为系统最大排热量(下文称为“辅助冷却比例”)的12%。一般情况下，辅助冷却比例越大，所选取的辅助设备功耗也就越大。当冷却塔承担整个系统较大比例冷负荷时，冷却塔复合式地源热泵系统的运行性能可能低于常规地源热泵系统。因此，必须对不同辅助散热比例系统运行状况进行比较。冷却塔复合式地源热泵系统的设计方案如下：

Qcooler=η×Qsys

(1)

L=(1-η)×Qsys/q

(2)

式中，Qcooler——辅助散热量，kW；

η——辅助冷却比例，η小于70%；

Qsys——设计的系统最大排热量；

L——对应η的钻孔设计长度；

q——单位钻孔长度换热量。

尽量了解目标动物的习性。简单的网络搜索就能让你获得丰富的信息，如常见栖息地、繁殖行为和进食习惯等。这些关键信息可以大大节省你在野外花费的时间。

上文所求得的冷却塔换热量近似为辅助冷却比例10%时的换热量。通过调整钻孔数量和冷却塔容量设定不同辅助冷却比例，相应的复合系统设计参数如表1所示。

表1 冷却塔设计容量和埋管数量及地埋管换热器内流速/辅助设备功率

2.3 太阳能/冷却塔/地源热泵复合系统

考虑到辅助冷却比例为30%、50%和70%这3组模型时，地埋管设计容量无法满足冬季换热需求，因此需要对这3个模型进行太阳能集热器的耦合，以利用太阳能承担部分供热负荷。

太阳能集热器与地源热泵的之间耦合方式同样选择并联，建模如图4所示。该工程选取的集热器类型为平板式集热器，根据设计经验，每平方米太阳能集热器所匹配的水箱容量80-100 (L/m2)。取均值90L/m2。将3组数据中的太阳能集热器面积留有一定余量，与之相匹配的水箱容量见表2。

图4 太阳能/冷却塔/地源热泵复合系统模型

表2 不同辅助冷却比例下的太阳能集热器面积及水箱容积

3 技术经济分析

3.1 技术性分析

建立①地源热泵系统、②冷却塔复合式地源热泵系统(辅冷比例10%)和太阳能-冷却塔复合式地源热泵系统(辅冷比例③30%、④50%、⑤70%)等5个模型，并进行对比分析。对比数据详见表3。

由表3可看出：①、②两组土壤温度上升明显，存在较为严重的热堆积现象，使得随着运行时间增加，机组运行性能出现衰减。相比之下③、④、⑤组的复合系统地下换热较为平衡，机组运行性能较为稳定，尤其在后期，机组性能高于①、②组。就系统功耗而言，③组的机组和系统功耗均为最低，其因在于：一方面该系统匹配合理，使机组始终保持高能效运行；另一方面，过低的辅助散热设备无法起到降低系统能耗作用，而过高的辅助散热设备会增加辅助系统的运行功耗。所以，进行适当的辅助散热及供热(30%)，可以保证系统的总能耗最低。

表3 各系统模型运行相关数据

3.2 经济性分析

(1)初投资成本分析

系统初投资成本，主要由机组、地埋管式换热器、冷却塔、太阳能热水系统、水泵等组成。表4为地源热泵系统及冷却塔辅助系统初投资概算表，辅冷比例为30%～70%的系统投资需考虑太阳能集热器、集热泵、蓄热水箱等投资。计算得到30%、50%、70%三种系统的初投资分别为55.83万元、60.37万元和65.25万元。

表4 地源热泵系统及冷却塔辅助系统初投资概算(冷热源部分)

相较于常规地源热泵系统，冷却塔复合式地源热泵系统在耦合冷却塔情况下减少了部分地埋管的设计容量，因此投资成本下降6.16万元；在太阳能-冷却塔-地源热泵复合式地源热泵系统中，随着冷却塔比例增大，地埋管设计容量相随之减少，但太阳能面积逐渐增大，辅助冷却比例30%、50%、70%与常规地源热泵系统初投资分别增长-2.77万元、1.77万元、6.65万元。

(2)运行费用分析

济南地区商业运行电费为0.7796元/kW·h，根据表3各系统累计总功耗，计算出各系统20年累计运行电费分别为：45.83万元、45.75万元、42.02万元、48.98万元、57.27万元。相比较而言，系统③虽然初投资高于系统②，但增加的投资成本在后期运行过程可以回收。此外，系统③增加了太阳能系统,可以在全年提供免费热水，尤其对于民用建筑或者对于存在热水需求的商业建筑，具有明显的经济效益，其地温增幅也在合理的变化范围内，因此综合效益远高于其他系统形式。

4 结论

本文针对济南某办公建筑的空调系统设计了5种不同的复合式地源热泵系统形式，并进行了综合对比分析，主要结论如下：相比于冬夏负荷全部由地埋管系统承担的常规地源热泵，夏季辅助一定比例(10%)的冷却塔，可以有效降低系统的初投资和运行成本。若进一步增加冷却塔的辅助散热比例，则需要在冬季耦合太阳能进行辅助供热。经比较发现，当辅助冷却比例为30%时候，该太阳能/冷却塔复合式地源热泵系统在五种系统模型中的综合经济效益最高，因此选定该系统为建筑物的空调系统，系统具体配置为：钻孔数量26个，冷却塔水流量8.4 m3/h，集热器面积100 m2,水箱容量9 m3。