豫北某项目地源热泵中央空调冷热源方案建议

文／秦圣权 安徽华冶新能源科技有限公司 安徽合肥 230000

引言：

近年来，随着我国社会经济的发展及人民生活水平的不断提高，建筑中用于供暖和制冷的能耗比重显著增加。地源热泵系统在建筑热舒适度得到改善的条件下降低建筑耗能，减轻大气污染，已经越来越受到关注。本文以河南省安阳市游客集散中心为例，对中央空调冷热源进行方案比选，最终确定采用地源热泵空调系统。

1.项目概况

安阳市游客集散中心项目位于河南省安阳市白璧镇龙山大道与新安路交叉口西南，占地面积为21781.2m2。项目规划总建筑面积72533.37m2，其中1-2 层为商业，3-9 层为办公，地上供能面积42764.93m2。其夏季冷负荷为5542kW，冬季热负荷为4068kW。

2.中央空调冷热源方案

根据项目自身建筑特点和周边可利用的能源资源条件等情况，本项目可采用的中央空调冷热源方式主要有以下三种方案：

方案一：集中供暖+冷水机组系统；

方案二：燃气锅炉+冷水机组系统；

方案三：地源热泵+空气源热泵系统。

由于以上三种方案从热力站到末端系统的管网和室内内末端系统基本一致，这里不做比较。以下仅对制冷供热能源站房和室外系统比较。

2.1 集中供暖+冷水机组系统

集中供暖+冷水机组系统即冬季采用市政供暖，夏季采用三台螺杆式冷水机组制冷，需安装两套系统。

（1）根据当地集中供暖政策，初投资包含以下费用：

①城市基础设施配套费（集中供热部分）为30 元/m2，需128.3 万元。该费用由热力公司一次性收取。施工范围：城市热力管网起至用热小区进院一米处。

②项目内部管网工程建设费：根据工程项目经验，站前一级网、热力站：30 元/m2。包含从热力公司提供的热力接口到热力站的供热管网、热力站的站内设备安装、站房建设等。需128.3 万元。

③夏季空调制冷系统，造价约80元/m2，需342.1万。

以上可知，集中供暖+中央空调系统共计投资约598.7 万元。

（2）集中供热使用时按热力公司规定的时间使用，当冬季提前或停暖后出现倒春寒时，无法满足供暖要求。夏季制冷机需要在屋顶配套安装冷却塔。换热站、制冷站需要500m2。

（3）运行费用估算：

冬季供暖38.4 元/m2，计164.8 万元；

夏季制冷20 元/m2，计85.8 万元；

全年运行费用250.6 万元。

2.2 燃气锅炉+冷水机组系统

冷热源采用“燃气锅炉+冷水机组”系統形式，冬季采用燃气锅炉供暖，夏季采用螺杆式冷水机组制冷，需安装两套系统。

（1）燃气接口费+施工费按30元/m2，需128.3万元；燃气锅炉、烟囱、泄爆等投资需180万元，合计308.3万元。

（2）夏季空调制冷系统建设与方案一相同，造价约80 元/m2，需342.1 万。

以上可知，燃气锅炉+冷水机组系统共计投资约650.4 万元。

（3）燃气锅炉需要单独设锅炉房，需要采取泄爆措施，烟囱出屋面，必须采用低氮排放锅炉，可能存在气荒，燃气价格上涨。夏季制冷机需要在屋顶配套安装冷却塔。锅炉房、制冷站需要1000m2。

（4）运行费用估算：

冬季供暖48 元/m2，计205 万元；

夏季制冷20 元/m2，计85.8 万元；

全年运行费用合计290.8 万元。

2.3 地源热泵+空气源热泵系统

在大型公共建筑中采用复合式地源热泵系统制冷、供暖符合国家节能环保方面的要求，但是热物性测试以及建筑动态负荷计算对于大型建筑地埋管地源热泵系统稳定高效运行尤其重要[1]。

2.3.1 地埋管换热器埋管量设计

计算原则

项目夏季冷负荷为5542KW，冬季热负荷为4068 KW，夏季冷负荷大于冬季热负荷，夏季空调制冷时间相对采暖时间相对较长，因此夏季的累计散热量大于冬季累计吸热量。这样，势必引起恒温带温度发生改变。土壤温度每升高1C，取同样冷量时能耗增加3%～4%。如果处理不当，5 年或10 年后的温升会较高，造成系统运行情况明显恶化[2]。在设计地源热泵系统时,冷热负荷的不平衡程度对系统的设计有重要的影响。为保证地源热泵系统在长期运行当中能有足够的制热(或制冷)能力,在系统设计选择时应力求减小冷热负荷的不平衡程度。否则,可考虑采用混合系统[3]。由此本项目设计地埋管的数量（换热量）满足冬季取热量即可，保持夏季的排热量基本接近冬季取热量，多余的冷热量采用风冷热泵作为辅助冷热源。

考虑到室外地埋管施工场地的限制，最多可布置地埋管换热器数量约500 口。只能就现有场地进行冷热源设备选型的倒推复核。根据《安阳市游客集散中心场地浅层地热能勘查报告》，群井换热量冬季取值为41.8W/延米，群井换热量夏季取值为58.75W/延米。

（1）单井按孔深150m,场地可布置的地埋管换热器数量约500 口，冬季制热工况地埋管换热器所能承受的最大设计热负荷如下：

Q2=Q2'×[1-（1/COP2）]——式1[4]；

Q2——冬季对土壤的吸热量，KW；

Q2'——冬季设计热负荷，KW;

COP2——设计工况下地源热泵主机的制热性能系COP=5.0。

Q2'=Q2/[1-（1/COP2）]=150＊500＊41.8/[1-（1/5）]/1000=3919KW。

与项目冬季热负荷4068KW 相比，还有149KW 缺口，由空气源热泵补充。

（2）夏季制冷工况下地埋管换热器所能承受的最大设计冷负荷如下：

Q1=Q1'×[1+（1/COP1）]——式2

Q1——夏季对土壤的放热量，KW；

Q1'——夏季设计冷负荷，KW；

COP1——设计工况下地源热泵主机的制冷性能系数COP=6.0。

Q1'=Q1/[1+（1/COP1）]=150＊500＊58.75/[1+（1/6）]/1000=3777KW

注：①夏季运行工况为：25℃/30℃；

②冬季运行工况为：10℃/5℃。

（3）夏季制冷工况下地埋管换热器所能承受的最大设计冷负荷（根据工程经验，考虑1.2 倍的突然热不平衡自恢复系数，夏季换热量取值按冬季取值的1.2 倍计）如下：

Q1'=Q1/[1+（1/COP1）]=150＊500＊41.8＊1.2/[1+（1/6）]/1000=3225KW。

500 口地源井夏季所能承受的最大冷负荷为3225 KW。与项目夏季冷负荷5542KW 相比，还有2217KW缺口，由空气源热泵补充。

2.3.2 机房系统设计及运行模式

（1）机房设计Q 冷=1345KW，Q 热=1380KW 螺杆式地源热泵主机3 台，Q 冷=130KW，Q 热=140KW模块式风冷热泵主机18 台。配置相应的水泵、配电自控系统等。

（2）运行配置原则

运行策略制定原则及优先顺序为：①满足负荷需求；②保证土壤源热泵机组有效利用及土壤的热平衡；③尽量保证主机在高效区间运行。

（3）夏季制冷运行模式

由于3 台地源热泵主机配置夏季最大出力需控制在3225kW，其余冷负荷部分由18 台空气源热泵补充，可以满足夏季100%负荷需求。在60%负荷工况及以下，3 台螺杆式地源热泵机组单独运行即可满足全天负荷需求。

（4）冬季供热运行模式

由于3 台地源热泵主机配置冬季最大出力控制在3919kW，基本满足冬季的使用，不足的热负荷部分可由其中1～2 台空气源热泵补充，可以满足冬季100%负荷需求。在96%负荷工况及以下，3 台螺杆式地源热泵机组单独运行即可满足全天负荷需求，空气源热泵基本可以不做辅助，最大程度利用地源热泵的冬季节能特性。

2.3.3 地源热泵+空气源热泵系统管网机房工程概算

（1）室外部分：包括垂直井、检查井施工、水平管连接，施工费按100 元/m2，需427.6 万元。

（2）机房部分：设备采购施工费按80 元/m2，需342.1 万。

室外地源侧+机房侧总造价概算为769.7 万元（不含室内末端及自动控制的投资）。

2.3.4 运行费用计算

（1）冷热负荷分布天数

供冷时间每年5 月15 日至9 月15 日，供暖时间为每年11 月15 日至次年3 月15 日，供暖、供冷天数均为120 天。每天运行时长按12 小时估算。

表1 冷热负荷分布天数表（参考郑州地区）

（2）运行费用计算公式

①热泵运行费用计算

热泵运行费用=热泵额定功率×运行时间×负荷系数×电价；

②循环水泵运行费用

循环水泵运行费用=水泵额定功率×运行时间×负荷系数×电价；

③冷水机组运行费（万元）

冷水机组运行费用=机组额定功率×运行时间×负荷系数×电价。

（3）运行费用计算结果

地源热泵系统+空气源热泵系统运行费用（按每天运行12 小时计算）。

表2 全年运行电费计算表

夏季运行电费799464 元，折合面积18.6/m2,冬季运行电费704531 元，折合面积16.5/m2。

综上，地源热泵+空气源热泵系统工程造价为769.7万元，全年运行费用150.2 万元。

2.4 三种冷热源方案对比分析及建议。

从表3 可以计算出，虽然地源热泵+空气源热泵系统初始投资分别比其它两个方案分别多出92.3 万元和144 万元；但是年运行费用与其它两个方案相比均显著减少，分别减少140.6 万元和100.4 万元。此外，地源热泵+空气源热泵系统机房面积比燃气锅炉+冷水机组节约500 m2。

表3 冷热源方案投资、运行对比分析表

综合投资和运行费用，本项目空调冷热源方案建议优先选用地源热泵+空气源热泵系统。

3.供热节能效益及主要能耗指标分析

3.1 本地区供热能耗现状

每供1 度电可按消耗标准煤0.307kg 计算。

3.2 年运行电费电能与标准煤能耗计算

将用电量折算成一次能源（标准煤），即标准煤消耗量=消耗电量（度）×0.307（kg）。

3.3 燃料与标准煤能耗计算

我国规定1kg 标准煤的发热量为7000 大卡，燃气锅炉所用的燃气热值（在运行费用计算假定）为8500 大卡，可以将消耗的燃气量折算成标准煤，即标准煤消耗量=燃气消耗量×燃气热值（8500 大卡）/标准煤热值（7000大卡）。

3.4 标准煤能耗计算

地源热泵系统+空气源热泵方案：年能源消耗量电235 万度，折合标煤720.2 吨；燃气锅炉供暖+冷水机组供冷方案：年能源消耗量电235 万度，燃气555060 Nm3，折合标煤1085.4 吨。

经比较计算，地源热泵系统+空气源热泵系统相比于燃气锅炉+冷水机组系统每年节约365.2 吨标准煤。

4.环境保护分析

由第三章知，地源热泵系统+空气源热泵系统相比于燃气锅炉+冷水机组系统每年节约365.2 吨标准煤。根据当地标准煤的参考相关污染物排放标准[5]计算如下：

（1）二氧化碳减排量（吨/年）按以下公式计算：

2.66－标准煤的二氧化碳排放因子，无量纲。

（2）二氧化硫减排量（吨/年）按以下公式计算：

0.02－标准煤的二氧化硫排放因子，无量纲。

（3）粉尘减排量（吨/年）按以下公式计算：

0.01－标准煤的粉尘排放因子，无量纲。

（4）氮氧化物减排量（吨/年）按以下公式计算：

0.0375－标准煤的氮氧化物排放因子，无量纲。

由3.4 得知，地源热泵系统+空气源热泵系统相比于燃气锅炉+冷水机组系统每年节约365.2 吨标煤。由此得出CO2减排量971.4 吨/年，SO2减排,7.3 吨/年，粉尘减排量3.7 吨/年，氮氧化物减排量13.7 吨/年，环境效益显著。

5.结论与建议

本项目采用地源热泵+空气源热泵形式能够满足用能需求，为改善居民生活和环境质量的提高创造了条件，具有节约能源、减少污染、改善环境等显著社会效益和一定的经济效益。从技术上和经济上都是可行的。

（1）冷热源方案采用地源热泵系统，系统投资建成运营后，政府会有一定的资金补助，符合国家及地方绿色节能及“碳达峰、碳中和”政策。

（2）机房位于地下二层且空间有限，且部分消防管线已施工，建议施工时优化施工工序，保证施工空间的有序化，并注意对各个设备的保护。

（3）因地埋管位于单体建筑外的空余场地内，对施工进度有一定的影响，必须在室外雨污水、管综管网施工前进行地埋管施工，以防对施工进度及竣工交付造成影响。

（4）只有加强系统优化设计、施工质量以及后期运行管理进行全过程控制，才能更好的保证地源热泵系统的长期有效节能运行。