夏热冬冷地区地源热泵空调系统节能降碳策略及评价方法

孙宏伟，李法善 [.常州市建筑科学研究院集团股份有限公司，江苏 常州 23000；2.中维建研（江苏）设计有限公司，江苏 常州 23000]

实施能耗、碳排放的总量和强度调控，推动能源低碳、高效利用是建筑领域转型的重要途径。在夏热冬冷地区，地源热泵系统作为能源低碳、高效利用的重要方式，在住宅、办公、商业等类型建筑中得到推广应用。受建设条件有限、运行维护水平不高等因素影响，对地源热泵系统进行运行优化的项目偏少，未能进一步挖掘节能降碳的潜力。此外，国内外对地源热泵的节能评价方法的研究多数局限于一次能源利用率等方面，未能从整体、分项和费用等方面进行系统研究[1]。本文结合夏热冬冷地区某公办学校地源热泵空调系统项目（以下简称“学校项目”），研究地源热泵空调系统的节能降碳优化策略及评价方法。

1 项目概况

夏热冬冷地区某公办学校采用集中供冷供热空调系统，地源热泵供能总建筑面积约5万m2，冷热源采用双U地埋管420口，配置3台螺杆式地源热泵机组，总制冷量约1.8 MW。根据学校建筑空调系统用能特点，设计时采用办公楼与宿舍楼错峰供能方式，不仅有效降低了地源热泵空调系统的建设初投资，还提高了系统运行利用水平。

2 节能降碳优化策略

2.1 设计优化策略

笔者认为，地源热泵空调系统需要进行节能降碳设计优化。在项目前期方案策划、可行性研究阶段，根据项目条件，从技术经济层面考虑空调系统采用何种技术形式，将决定节能水平。如：低位热源的选择，是地表水源、土壤源还是空气源；冷热源设备的布置形式是集中式布置，还是分散式布置；建筑类型及建筑用能负荷是否错峰；等等。在项目初步设计、施工图设计阶段，满足室内温度、湿度的条件下合理降低系统的空调设计负荷，同时考虑水泵变频、风机变频和热回收装置应用情况等[2]。

2.2 运行优化策略

学校项目在制定节能降碳运行控制策略时，考虑地源热泵机组根据用户负荷侧进行台数调节及机组自身机头调节、滑阀调节等。地埋管水循环系统为两管制闭式一次泵水循环系统水泵定流量控制，二级泵变流量控制可根据末端负荷变化要求及时调整水泵运行台数或水泵转速来调节循环水量，并保持水泵在高效区运行达到最大节能效果[3]。风输送系统节能运行主要是送风、回风及排风中在达到调节和控制空调房间空气参数要求的前提下，尽可能减小风机电耗。综合考虑学校寒暑假期、供冷供热负荷变化等因素，地埋管冬季取热量和夏季释热量的差别可能导致土壤源温度场冷热不平衡。因此，设计时在地源侧管道设置了能量计，在不同地埋深度分别设置5个土壤温度监测探头，夏季释热量过高时采用冷却塔辅助散热调节，维持地埋管温度场冷热趋于平衡[4-5]。

3 节能降碳评价方法

笔者在地源热泵空调系统现有的各种评价方法的基础上，从用户使用角度出发，并结合学校项目的实际运行情况，提出事先评估、事中控制和事后评价这3个节能降碳评价阶段，并提出包含整体评价指标、分项评价指标和费用评价指标的节能降碳评价体系。

3.1 评价阶段

地源热泵空调系统的节能降碳评价阶段，主要包括事先评估、事中控制和事后评价。事先评估是在建筑能耗模拟软件冷热负荷模拟的基础上，通过对不同备选方案的评价指标作对比分析，在优选方案中进一步深化设计，得到最终的设计方案。空调系统因前期方案不合理、设计不科学等原因造成的高能耗很难通过后期的运行管理来弥补，因此事先评估工作十分重要。事中控制是指对地源热泵空调施工验收过程进行控制，通过统计资料和现场活动信息与控制目标作对比分析，及时做出纠偏措施，执行有力，回查监督，保证项目施工满足设计目的和使用功能要求。事后评价要有针对性地采集能反映系统运行现状的参数，通过测定系统运行中的特性参数才能确定系统的性能，比如温湿度、流量、压力、电力参数等。每个测试参数反映出的是系统设备各部分的特性状况，可以将模拟值和实测值进行对比，评估系统运行工况水平，最终实现空调系统节能降碳的目的。

3.2 评价体系

地源热泵空调系统节能降碳评价体系分为整体评价指标、分项评价指标和费用评价指标3类，共9项（如表1所示）。地源热泵空调系统能耗高的主要原因包括设备运行效率低和系统无用功耗大，该评价体系可全面地反映系统运行能耗和运行能效情况。业主和用户更为关心的是费用评价指标，COE和CCE指标能够准确反映地源热泵空调系统的费用情况。

表1 地源热泵空调系统节能降碳评价指标体系

3.2.1 整体评价指标

（1）单位面积用电量CPC：整个地源热泵空调系统所有能耗（按不同供能季分类统计，折算成用电量）与系统供能建筑面积之比。

式中：ΣW——热泵主机、循环水泵、冷却塔、水处理设备、定压补水装置、空气处理机组、新风机组、风机盘管、电动阀等系统用电设备能耗之和（按不同供能季分类统计，折算成用电量），kW·h；

S——供能建筑面积，m2。

（2）单位面积碳排放量CTC：整个地源热泵空调系统所有碳排放量（按不同供能季分类统计）与系统供能建筑面积之比。

式中：ΣW——热泵主机、循环水泵、冷却塔、水处理设备、定压补水装置、空气处理机组、新风机组、风机盘管、电动阀等系统用电设备能耗之和（按不同供能季分类统计，折算成用电量），kW·h；

n——所在区域电网排放因子，无量纲；

S——供能建筑面积，m2。

（3）空调系统单位能量用电量CEC：评价地源热泵空调系统实际能量利用效率的指标，评价各种节能措施的综合节能效果。CEC值越小表明系统能源利用率越高。

式中：W——热泵主机、循环水泵、冷却塔、水处理设备、定压补水装置、空气处理机组、新风机组、风机盘管、电动阀等系统用电设备能耗之和（按不同供能季分类统计，折算成用电量），kW·h；

Q——不同季节供能量，kW·h。

3.2.2 分项评价指标

（1）热泵主机制冷工况能效比SEER。SEER值越大表示制取单位冷量所需消耗的电量越少，机组运行效率越高，经济性越好。

式中：Qs——热泵主机在整个制冷季的制冷量，kJ；

Ws——热泵主机在整个制冷季的耗电量，kJ。

（2）热泵主机制热工况能效比WEER。WEER值越大表示制取单位热量所需消耗的电量越少，机组运行效率越高，经济性越好。

式中：Qw——热泵主机在整个供暖季的制热量，kJ；

Ww——热泵主机在整个供暖季的耗电量，kJ。

（3）水系统输送能效比ER。测得水泵电机的实际电功率、供回水温差、流量参数，即可确定水系统输送能效比。ER值越小，表示单位能量所消耗的电量越少，水输送系统越节能。

式中：ER——单位能量所消耗的电功率，W/J；

U——电压值，V；

I——电流值，W；

cosφ——电机功率因数，无量纲；

V——水泵实际流量，m3/s；

ΔT——供回水温差，℃。

（4）风系统单位风量耗功率Ws。测得风机电机的实际电功率、风量参数，即可确定风系统单位风量耗功率。Ws值越小，表示单位风量所消耗的电量越少，风系统就越节能。

式中：Ws——单位风量实际耗功率，w/（m3/h）；

U——电压值，V；

I——电流值，W；

cosφ——电机功率因数，无量纲；

Vs——实际风量，m3/h。

3.2.3 费用评价指标

（1）单位面积运行用电费用COE：地源热泵空调系统年能源消耗费用与系统供能建筑面积之比。

式中：M——年能源消耗总费用，元；

S——系统供能建筑面积，m2。

（2）单位面积综合费用CCE：地源热泵空调系统年综合费用与系统供能建筑面积之比。

式中：M——年能源消耗总费用，元；

MT——地源热泵空调系统总投资，元；

n——地源热泵空调系统折旧使用年限，a；

MY——地源热泵空调系统年管理维修费用，元；

S——系统供能建筑面积，m2。

4 结 论

（1）地源热泵空调系统节能降碳策略主要包括设计优化策略和运行优化策略。在满足室内温度、湿度的条件下，合理降低系统的空调设计负荷，维持地埋管温度场冷热趋于平衡等。

（2）地源热泵空调系统节能降碳评价阶段主要包括事先评估、事中控制和事后评价，其中事后评价的测试环节要有针对性地测试容易反映系统运行现状的参数。通过测定系统运行中的特性参数才能确定系统的性能。

（3）地源热泵空调系统节能降碳评价体系主要包括整体评价指标、分项评价指标和费用评价指标。地源热泵空调系统能耗高的主要原因包括设备运行效率低和系统无用功耗大，该评价体系可全面地反映系统运行能耗和运行能效情况。业主和用户更为关心的是费用评价指标。