郭海明

(中国煤炭地质总局水文地质局，河北邯郸 056004)

0 引言

近年来，伴随着中国经济的高速发展，公共建筑数量急剧增加。大型公共建筑中，空调系统的能耗占整个建筑能耗的比例为40%～60%，空调系统的节能是建筑节能的关键[1]。

土壤源热泵系统是以土壤、岩土体为冷热源，由热泵机组、地埋管换热系统、建筑物内末端系统组成的制冷供热系统，其中地埋管换热系统需要埋管区域并且容易出现土壤热不平衡问题，故土壤源热泵系统的使用存在局限性。

空气源热泵系统提取空气中的能量，通过热泵机组的转化为建筑提供制冷供热，根据空气源热泵的工作特性，环境温度是制约空气源热泵机组能效的关键因素，即冬季环境温度越低和夏季环境温度越高空气源热泵的能效比越低，而系统的能耗越大运行费用越高，若完全应用空气源热泵供热，势必造成整个系统的运行费用偏高。

土壤热平衡问题影响因素众多，在不采用补热措施时，地埋管地源热泵系统在寒冷地区长期运行将导致土壤温度持续降低，采用辅助冷热源、复合式系统是解决土壤热失衡问题的较好途径，可减缓土壤热不平衡的影响[2-4]。柔性热泵系统可以解决传统空气源热泵、地埋管地源热泵等系统应用过程中存在的问题，通过不同品位能源的合理搭配实现优势互补，具有节能潜力[5-6]。空气-土壤双源热泵系统比单一的土壤源热泵系统运行更加稳定，经济可靠节能高效，利于土壤源系统在北方地区的应用[7-8]。严寒地区采用土壤源热泵系统与常规的冷热源系统相比具有较好的节能效益[9]。太阳能-土壤源热泵系统中，合理确定运行工况，利于系统运行的经济性、可靠性[10]。空气源热泵机组属于生态供暖的范畴，在我国应用十分广泛[11]。在公共建筑中对地热能、空气能的开发利用可以减少传统化石能源的使用、缓解能源供应紧张、保护环境，利于公共建筑节能工作的开展。

河北某科技中心(以下简称科技中心)属办公型公共建筑，是公共建筑中应用土壤源-空气源复合式热泵系统进行采暖制冷的实例，本文以该科技中心作为案例，分析土壤源-空气源复合式热泵系统在公共建筑中的应用优势和运行效果。

1 复合式热泵系统

1.1 系统结构

土壤源-空气源复合式热泵系统如图1所示。

1.2 工作原理

冬季运行：优先启动土壤源热泵系统，地源侧循环水泵和室外埋管换热器通过介质水把浅层土壤中的热量提取出来，经土壤源热泵机组提高温度后由末端循环水泵输送给室内采暖，当土壤源热泵系统提供的热量不足以满足建筑所需的热负荷时，启动空气源热泵系统，将空气中的能量提取出来与土壤源热泵系统联合运行共同完成供暖。

夏季运行：优先启动土壤源热泵系统，地源侧循环水泵和室外埋管换热器通过介质水把浅层土壤中的冷量提取出来，经土壤源热泵机组降低温位后由末端循环水泵输送给室内制冷，当土壤源热泵系统提供的冷量不足以满足建筑所需的冷负荷时，启动空气源热泵系统将空气中的能量提取出来与土壤源热泵系统联合运行共同完成制冷。

冬、夏季运行前均通过管道转换阀门切换，实现冬季供暖、夏季空调功能。

1.3 系统优势

1)复合式热泵系统可降低系统的初投资；

2)复合式热泵的联合运行可调节埋管区域的吸热量和排热量，以避免冷热堆积现象的产生；

3)通过调整土壤源热泵系统和空气源热泵系统的负荷比例和运行时间，不断优化运行方式，可提高系统的运行效率，降低运行费用。

2 工程实例

2.1 相关项目概况

科技中心位于河北省某地级城市，主楼为高层办公建筑，总建筑面积95 887m2，地下3层、地上25层，高度98.9m。主楼夏季总冷负荷为9 680kW、冬季总热负荷为6 830kW；项目地面可提供的室外埋管面积约9 923m2。根据热物性测试结果，地埋管所提供的冷热负荷不能满足主楼冷热负荷需求。

科技中心所处位置属于东部冲积平原，第四系松散岩孔隙含水岩组。根据对项目所在地地层热物性测试数据的分析，夏季释热量推荐值为55W/m，冬季取热量推荐值为35W/m。

该地域属暖温带大陆性季风气候，四季分明。春季风多干旱，夏季炎热多雨，秋季温和凉爽，冬季寒冷干燥，年平均气温13.5℃，最冷月份(一月)平均气温-2.3℃，极端最低气温-19℃，最热月份(七月)平均气温26.9℃，极端最高气温42.5℃。

2.2 设计原则与思路

依据国家有关节能政策，合理利用能源，提高经济效益；实事求是，尊重科学，积极采用新工艺、新设备、新材料，符合生态文明建设要求；从实际出发、因地制宜，选择合理科学的设计方案，确保供暖效果，满足建筑采暖、空调舒适度需求；保持土壤冷热平衡与系统稳定，综合能效高，使用寿命长。

1-土壤源热泵机组；2-空气源热泵机组；3-1-空气源热泵系统末端循环泵；3-2-土壤源热泵系统末端侧循环泵；4-土壤源热泵系统地源侧循环泵；5-软化水装置；6-水箱；7-末端侧定压补水装置；8-地源侧定压补水装置；9-室外埋管换热器；10-1-末端系统分水器；10-2-末端系统集水器图1 土壤源-空气源复合式热泵系统Figure 1 Ground source-air source hybrid heat pump system

因土壤源热泵系统比空气源热泵系统更加节能高效，设计充分利用地面可利用面积，尽可能多的应用土壤源热泵系统，不足部分应用空气源热泵系统进行补充，两个系统互为补充、联合运行，即土壤源-空气源复合式热泵系统。

2.3 系统设计与设备参数

1)地埋管换热系统。室外地埋管采用垂直埋管形式，水平集管采用同程连接。根据现场情况及热物性测试结果，配置钻孔625口，钻孔孔径为150mm，管材HDPE,采用双U型，管径25mm；孔间距4m×4m，下管深度140m，钻孔总延米87 500m；将625个钻孔分为4个子系统，14个小系统，布置在科技中心主楼四周。系统按此配置供暖季吸热量约3 062kW，制冷季排热量约4 812kW。

2)土壤源热泵系统。机房布置在主楼地下室3层。根据地埋管热物性测试结果，选择地源热泵系统机组3台，总制冷量为4 101kW，总制热量为3 870kW；机房附属设备配备有4台末端侧循环水泵和4台地源侧循环水泵，室外埋管换热系统和空调末端系统分别配置2台定压补水装置，实时对系统进行补水，配备一套全自动软水器和一个玻璃钢补水箱。地源热泵机组参数见表1。

表1 地源热泵机组参数Table 1 Ground source heat pump set parameters

3)空气源热泵系统。按照负荷互补原则，采用空气源热泵模块化组合，布置在主楼楼顶，空气源热泵需要承担的夏季冷负荷为5 579kW，冬季热负荷为2 958kW；选用空气源65M/D模块机组84台，总制冷量为5 460kW，总制热量为5 880kW；机房附属设备包括6台循环水泵，热泵机房设备参数见表2。

表2 空气源热泵机组参数Table 2 Air source heat pump set parameters

3 系统运行效果分析

该系统总体运行策略是夏季冬季均优先运行地源热泵机组，不足时运行空气源热泵机组。该复合系统安装有监控系统，监测参数包括末端侧流量，末端供回水温度，地埋管侧流量，地埋管侧进出水温度，空气源热泵供回水温度与流量，地源热泵机组耗电量、空气源热泵机组耗电量，末端侧、地源侧等水泵耗电量等，数据记录间隔为5min。

监测系统获得两年的科技中心主楼土壤源-空气源复合型热泵系统运行数据，相关运行时间、供暖制冷面积、总运行能耗、单位面积运行能耗情况见表3。

表3 系统运行情况Table 3 System operational statuses

3.1 夏季工况数据分析

2018夏季(06月18日至09月03日)，系统运行的末端供回水温度(日均值)，地源侧进出水温度见图 2。

图2 夏季工况地源侧、风冷侧及末端流体温度Figure 2 Summer operation mode ground source side, air cooling side and terminal fluid temperatures

由图2可见，地源侧进水温度20.7～33.5℃，出水温度在21.0～29.3℃，基本稳定在设计范围内，个别时段出现水温偏高，是因为水泵出现短暂停泵。出水温度与进水温度基本保持同样趋势，温差0.6～1.7℃。地源热泵机组侧末端供水温度基本在10.0～14.6℃，回水温度10.7～15.7℃，温差在1℃左右，从总体情况看，系统温差偏小，可能与室内负荷偏小，部分房间关停有关。室内温度维持在24～28℃，达到设计要求。

3.2 冬季工况数据分析

2018—2019年冬季，末端供回水温度，地源侧进出水温度见图 3，地源侧进水温度为6.1～10.8℃,出水温度8.4～12.9℃。地源热泵末端供水温度35.5～41.7℃，回水温度33.7～40.4℃，供回水温差约为1℃。空气源(风冷)热泵侧末端供水温度34.7～41.1℃，回水温度29.6～38.9℃，室内温度维持在18～23℃，达到设计要求。

图3 冬季工况地源侧、风冷侧及末端流体温度Figure 3 Winter operation mode ground source side, air cooling side and terminal fluid temperatures

3.3 系统节能减排效果

系统的供冷能效比与供热性能系数按以下公式计算[12]：

(1)

(2)

(3)

(4)

qc(h)i=ViρiciΔti/3600

(5)

式中：EERsys为系统的供冷能效比；COPsys为系统的供热能效比；Qsc为系统测试期间的累计供冷量,kWh；Qsh为系统测试期间的累计供热量,kWh；∑Ni为系统测试期间，所有热泵机组累计消耗电量,kWh；∑Nj为系统测试期间，所有水泵累计消耗电量,kWh；qc(h)i为热泵系统第i时段供冷(热)量,kW；Vi为第i时段用户侧平均流量,m3/h；Δti为系统第i时段用户侧供回水温差,℃；ρi为第i时段冷媒介质平均密度,kg/m3；ci为第i时段冷媒介质平均定压比容,kJ/kg·℃ ；ΔTi为第i时段持续时间；n为测试期间采集数据组数。

2018年06月01日至09月30日，系统总运行能耗为1 390 920kWh,总供冷量为4 868 238kWh,计算获得夏季系统综合能效比EER为3.5。2018年11月15日至2019年03月15日，总运行能耗为1 633 432kWh,总供热量为5 553 682kWh,计算获得冬季系统综合性能系数COP为3.4。根据《可再生能源建筑应用评价标准》(GB/T 50801—2013),该系统夏季与冬季均达到国家标准的能效比要求。

节能量计算如下：

整个供暖季(供冷季)系统年耗能量根据实测系统能效比和建筑全年累计冷热负荷(供冷量供热量)按以下公式计算：

(6)

(7)

(8)

式中：Qrc为系统年供冷总能耗,kgce；Qrh为系统年供热总能耗,kgce；D为每度电折合所耗标准煤量,kgce；Qc为系统全年累计冷负荷(供冷量),MJ；Qh为系统全年累计热负荷(供热量),MJ；Qt为传统系统的总能耗,kgce；ηt为传统能源为热源时的运行效率；q为标准煤热值，为29.307 MJ/kgce。

常规制冷空调系统能效比取2.8(因机组容量大于1 163kW)[12],一度电耗标准煤为0.36kg/kWh。常规系统耗能量为173 866kgce，复合系统耗能量为139 093 kgce，计算得夏季系统节能率为20.0%。

冬季供热工况，以传统能源为热源时采暖系统运行效率ηt，能源类型为天然气时取0.8[12]，计算得常规系统耗能量为216 531kgce，复合系统耗能量为149 315 kgce，冬季系统节能率为31.04%。

可计算出全年系统节能率26.12% (燃气锅炉为常规能源)。计算CO2减排量为251 912kg/a。总体看，该系统有较明显的节能减排效果。

4 结语

对土壤源-空气源热泵复合系统在公共建筑中的应用进行研究，以某科技中心作为案例，分析了复合系统在公共建筑中的应用优势，以2018—2019年科技中心供暖制冷实际运行数据为基础，得出以下结论：

1)在进行空调系统设计前对于项目所在地水文地质条件、地层热物性情况、气候条件的分析必不可少，根据建筑功能、空调负荷、场地条件设计供暖制冷采用土壤源-空气源复合热泵系统。

2)土壤源-空气源复合式热泵系统的有效组合，既相互独立又相互补充，可以充分发挥土壤源、空气源热泵的各自优势，同时保持岩土体的换热量平衡，利于土壤源热泵系统的长期高效运行；在埋管场地不足情况下，更是一种值得考虑的方案。

3)基于对科技中心复合式热泵系统2018、2019年实际运行数据的分析，复合热泵系统设计的总设备容量有盈余，导致运行时末端温差偏小。但在公共建筑中总体运行效果仍较好，具有明显的节能减排效果。

4)科技中心主楼空调设计结合实际，采用土壤源-空气源复合式热泵系统，可以解决土壤源热泵系统的冷热堆积问题，提高系统的运行效率，促进节能减排，可为以后大型公共建筑采用复合热泵系统提供设计和运行参考。