寒冷地区某学校应用地源热泵空调系统方案优化及分析

文／李天爽 山东建筑大学热能工程学院 山东济南 250100

引言：

目前我国城镇每年集中供热导致的CO2间接排放量约为4.5 亿t，分散供暖设施导致的CO2排放量约为3 亿t，这两项CO2排放量就占到全国总排放量的7.5%[1]。由此可见降低北方供暖能耗、提升清洁能源占比对我国实现“碳达峰和碳中和”目标具有重要的推动作用。在各类清洁能源利用中，地热能以其较好的稳定性与大体量的蓄能特性，在北方建筑供暖中占有一定的比例。截止 2020年，我国目前地热能建筑利用装机容量已达 2.65 万兆瓦，位居世界第一[2]。因此地热能供暖发展前景广阔。地埋管地源热泵以埋管方式通过循环水的封闭循环实现与地下岩土之间的热量交换，该技术目前在国内建筑暖通空调领域应用较为广泛[3-6]。随着市场应用的快速发展，许多地埋管地源热泵项目也暴露出一些问题，比如地下冷热不平衡的问题，系统运行效率地下甚至无法启动的等问题。这些问题的出现多与项目立项时缺乏方案可行性论证，及未进行科学合理的优化设计等因素有关。因此，本文以寒冷地区某一学校建筑为例，对地埋管地源热泵系统进行方案优化设计，并对该方案的初投资及运行费用进行计算，与传统空调系统相比较，预测该方案的节能及环保潜力。

1、项目概况

本项目位于山东省潍坊市。根据学校的教学，生活要求，考虑建设场地用地的实际情况及消防、绿化等要求，整个校区规划为教学区、综合功能区（包括综合楼与中心广场）、体育运动区、生活服务区、绿化区等几部分。该项目总建筑面积63929m2。容积率0.52，建筑密度16.8%，绿地率为42.7%，道路广场面积 23653m2，运动场地面积22276m2。

2、建筑动态负荷模型

根据建筑设计图纸，并结合学校空调使用时间，利用建筑负荷计算软件Dest 模拟出建筑物的全年动态逐时负荷，见图1。设计冷负荷为4017kW，设计热负荷为3516kW。

图1 建筑全年动态逐时负荷变化曲线

根据逐时负荷累计所得建筑月累计冷热负荷，其中年累计采暖热负荷约为3185MWh，年累计空调冷负荷为2430MWh。由于学校的暑假期间正值夏季最热的7月与8月，约55 天；寒假期间为冬季的2月份，约28 天。从负荷计算结果可知，该建筑物的年累计热负荷要略大于冷负荷。

3、地埋管地源热泵方案设计

3.1 地埋管地源热泵技术可行性分析

潍坊市处于北温带季风区，背陆面海，气候属暖温带季风型半湿润大陆型气候。潍坊市所处地质构造部位较特殊，处于我国东部新华夏系第二隆起带和第二沉降带的衔接部位，鲁西、鲁东型地层均有分布，且发育齐全。项目所在地属于沿海地区，相同地质条件下，沿海地区的地下岩土热物性参数要优于内陆地区。

该学校位于山东潍坊，属于冬冷夏热地区，不仅要求冬季供热，亦要求在夏季提供空调系统。如果采用传统的水冷机组加城市热网系统，则需要两套设备，不仅增加运行费用，同时从环境保护方面看，城市集中供热系统消耗大量的一次能源，排放的有害气体则对大气环境造成污染。而冷水机组则是在制冷时将室内的热量以废热形式排放到室外大气中，该系统的性能随室外空气温度升高而显著降低，机组制冷性能及效率较低，耗能较高。同时排放到环境中的废热无疑更加剧了夏季城市热岛效应。

由于学校一年有1 个月的寒假与近两个月的暑假，大大减少了年冷热负荷的需求，初步估计该工程的年累计的冷负荷与热负荷相当，适合采用地源热泵空调系统。同时校区内有足够的运动场地及绿化地带，建筑容积率较低，地埋管空间较大。

从地埋管热泵的工作原理可知该系统在冬冷夏热的地区（即全年冷热负荷较为均衡的建筑物）可以充分发挥大地储能的作用，具有较高的运行效率。因此该项目具备地源热泵空调技术应用的基本气候条件及建筑负荷较为均衡的条件。

3.2 设备选型

根据建筑物的冷热负荷初步估算热泵机组的容量。考虑到该工程为学校建筑，宿舍区与教学区的使用时间不同，负荷具有错峰特征，同时使用系数较低，建议配置两台地源热泵机组。当冷热负荷需求很少时，可仅启动一台机组，降低系统的运行费用。每台机组制冷量约2100KW、制热量：2000KW。机组设置在独立的制冷机房内。夏季机组为制冷工况、提供供回水温度为7℃～12℃的冷水；冬季机组为供热工况、提供供回水温度为：40℃～45℃热水。主要设备见表1。

表1 主要的设备设计容量

3.3 地埋管优化设计

在地源热泵系统中，实际地埋管换热器的散热与取热负荷与建筑物的冷、热负荷并不直接相等，它还与采用的热泵机组的能效比有关，其关系如下。

地热换热器的取热量：

地热换热器的散热量：

地埋管地源热泵主机 COP（能效比）冬季取 4.0，夏季取 5.0。则有：

Q取热=2390MWh;Q散热=2916MWh

式中：Qheat和Qcool表示建筑物的热负荷和冷负荷；P表示系统输入的功率，此处近似认为是热泵机组的功率；Q取热和Q散热表示地埋管侧的取热量和散热量。由上式可知，在考虑了机组的耗电量后地埋管换热器的年累计散热量略大于年累计取热量，经初略计算，地埋管的散热量与取热量比值约为1.22:1。这说明，如果地埋管系统承担建筑物所需的全部冷热负荷，一个采暖空调周期后，地下的冷热负荷不平衡率较低，用户可以通过适当延长采暖时间或增加采暖负荷的调节方式来平衡地下年冷热负荷。

采用地热换热器设计模拟软件-地热之星V3.0（Ge ostar）对本项目进行模拟优化设计分析，给出初步设计方案。本项目设计的基本参数：

●钻孔回填材料采用专用的高性能回填材料，导热系数为2.1 W/m·K。

●进入热泵循环液的最高和最低温度分别是：33℃，5℃；

●钻孔直径为150mm；

●满足的系统运行时间为20年。

单U 型管与双U 型管的方案比较：

目前工程上采用垂直埋管地热换热器的结构形式主要有两种。一种就是在钻孔内埋设一组U 型PE 管，另一种形式是在一个钻孔埋设两组U 型管，可称作双U 型埋管地热换热器。由于双U 型在钻孔内具有较高的换热面积，其换热效率要优于单U 型管的换热效率。根据理论计算可知，双U 型管的换热效率要比单U 型管高约5～30%。因此在相同的冷热负荷需求的情况下，双U 型管换热器需要的钻孔长度较少，但同时系统所需的管材将增大。一般来说，工程所处的地质条件，即钻孔费用，在很大程度上决定了二者的经济性。

本节对并联双U 型管与单U 型管这两种地埋管换热器进行初步的经济性比较，确定最佳的埋管方式。表2列出了采用单U 管与双U 管所需的总钻孔长度与钻孔总费用。根据岩土热物性测试报告可知，该地埋管区域主要地质构成为粉砂与粘土，钻孔难度小，每米钻孔费用相对较低，暂按40 元每米计算。

由表2可以看出，与单U 型管相比，双U 型管所需的钻孔长度减少了5.5%（即换热效率提高了5.5%），钻孔费用相应降低，但综合来看，该方案所节省的钻孔费用远小于增加的管材、管件费用。经估算可知，采用双U型管的地热换热器的初投资比单U 型管的方案高出100多万元。同时采用双U 型管还会增加施工难度，又考虑到该工程附近有足够的空地作为地埋管的换热空间，因此推荐该工程采用单U 型管方案。

表2 单U 与双U 埋管设计方案比较

4、经济效益及环境效益分析

通过上述模拟分析可知，在该工程中采用单U 型竖直地埋管的地源热泵系统为最佳的设计方案。本节仅对单U型地源热泵系统与传统的空调系统冷水机组加城市管网采暖方式进行初投资及运行费用的比较，基本费用列于表3。其中运行费用是指系统运行20年内的机组的耗电量，冷水机组的平均效率取4。表中的数据来自于系统运行模拟的结果与工程经验，与实际运行状况会有一定的差别，在此仅作为定性的分析。

由表3可以看出，地源热泵比传统空调系统的初投资高约50 万；每平方米造价约高8 元。而地源热泵的运行费用却远远低于传统空调系统的运行费用；每平方米可节省28.6 度电，折合节省20 元的运行费用。每年可节省运行费用约124 万元，以运行周期为20年计算，地源热泵空调系统可节省2480 万元。

表3 地源热泵空调与传统空调经济性比较（63929 平方米的建筑，未考虑空调末端的投资）

根据综合能耗计算通则 GB/T2589-2020 的折算系数计算可知，该项目每年可节省标准煤590 吨/年，减排二氧化碳1472 吨/年，节能减排效益显著。

结语：

本文对寒冷地区学校建筑进行负荷预测，对单U 及双U 地埋管地源热泵系统进行方案比选，然后又通过与传统空调系统进行经济性与环保性对比，得出如下结论：

无论是从系统运行的经济可靠性考虑，还是从节能环保角度考虑，采用单U 型地埋管空调系统为本项目的最佳方案。初步的设计方案为：钻孔布置形式为矩阵排列，共900 个钻孔，竖直单U 埋管。每个钻孔深度为90m，总钻孔深度为81000m。孔间距与排间距均为5m，所需地埋管面积约2.25 平方米。与传统空调系统相比，该系统每年可节省运行费用约124 万元，以运行周期为20年计算，地源热泵空调系统可节省2480 万元。

根据综合能耗计算通则 GB/T2589-2020 的折算系数计算可知，该项目每年可节省标准煤590 吨/年，减排二氧化碳1472 吨/年，节能减排效益显著。

考虑到地埋管冷负荷略微大于热负荷，建议用户可通过适当延长采暖的运行时间或增加供热的负荷的控制方式来调控地下冷热负荷均衡，降低土壤温度场。