地源热泵水蓄能复合空调系统运行分析

苏 莘 博，张 林 华，2，3*

（1.山东建筑大学 热能工程学院，山东 济南250101；2.山东建筑大学可再生能源建筑利用技术省部共建教育部重点实验室，山东 济南 250101；3.山东建筑大学山东省建筑节能技术重点实验室，山东 济南 250101）

地源热泵水蓄能复合空调系统运行分析

苏 莘 博1，张 林 华1，2，3*

（1.山东建筑大学 热能工程学院，山东 济南250101；2.山东建筑大学可再生能源建筑利用技术省部共建教育部重点实验室，山东 济南 250101；3.山东建筑大学山东省建筑节能技术重点实验室，山东 济南 250101）

复合空调系统是实现建筑节能的有效途径。文章针对济南市某办公楼工程实例，介绍了该建筑的地源热泵水蓄能复合空调系统，通过分析实际的监测数据，研究该系统的运行效果以及能耗。结果表明：采用地埋管直供及蓄能技术的复合系统运行效果良好，夏季能够使室内温度保持在24～26℃；在建筑面积、层高、办公人数类似、围护结构材料相同的条件下与同类建筑相比采用该系统后的用电量及电费都明显降低，2013年度空调系统单位面积用电量为16.82 kWh／（m2·a），单位面积电费为6元／（m2·a）。复合空调系统对实现绿色建筑有着一定的借鉴意义。

水蓄能；地源热泵；节能；低品位能源

0 引言

目前，我国建筑能耗的比例已占到全社会总能耗的27.5%，与同气候地区发达国家相比单位建筑面积采暖能耗要高出2～3倍，建筑节能已经势在必行［1］。随着能源和环境问题变得日益突出，Zoelly提出的 “地热源热泵”［2］，自上世纪 80年代后期在世界范围内开始发展，尤其是近些年来在全世界以每年20%以上的速度增长［3］。尽管如今对地源热泵的研究已经比较成熟，但因其在实际应用中仍面临着取、蓄能难以平衡，不能有效利用电力峰谷差价等 问题［4］。

近年来，国内外投入了大量的人力物力来研究地源热泵蓄能技术。Wakayama等基于实际运行数据对桩基短期蓄能的地源热泵系统进行了研究，结果表明：采用白天供冷与夜间供生活热水结合的运行模式，会使地源热泵系统运行效率更高［5］。齐月松针对一个工程案例介绍了地源热泵组与水蓄冷（蓄热）复合系统，该系统能够满足冬季供暖和部分夏季供冷，夏季剩余的冷负荷由冷水机组结合冷却塔的系统形式承担，将该系统与不采用水蓄能的系统相比较，发现初投资降低了1878万元，年运行费用可节省30万元，并指出了地源热泵系统与水蓄能系统的应用前景［6］。钱堃分析了在没有峰谷电价的地区，采用地源热泵蓄能系统的经济性，结果表明：与常规地源热泵系统相比采用水蓄能系统节省了初投资的7%［7］。赵海国通过对宁夏高速公路管理中心办公大楼地源热泵结合水蓄能技术的应用进行分析，认为水蓄能具有削峰填谷和节省运行费用的优点，并与采用冰蓄冷的系统进行了比较，分析了水蓄能系统的优越性和不足之处［8］。这些研究虽然分析了地源热泵系统与水箱蓄能系统结合后的运行效果，但并没有根据工程的实际情况，分析利用末端设备蓄能以及夏季采用室外地埋管直接供冷的可能。对于常年平均气温在15℃左右的山东地区来说，夏季地埋管深层区域的温度仍可维持在10℃左右［9］，在这种情况下，夏季制冷的初期，可以直接使用温度较低的土壤作为冷源，通过循环泵将土壤埋管内的冷水直接供入室内得楼板埋管，以此进行供冷［10］。文章结合济南市某办公楼的实际工程，提出了利用峰谷电差制冷（制热）、楼板蓄能以及冷负荷较低时采用土壤蓄能体直供冷水的运行方案，并分析了方案的实际效果及全年运行能耗，可为同类建筑的地源热泵蓄能空调系统设计提供参考。

1 工程概况

本工程是位于山东省济南市的一栋办公楼，地下一层地上五层，楼高20.7 m。地下一层为空调设备用房和配电间等，地上五层为办公用房。总建筑面积 5450 m2，地上面积 4583 m2，总空调面积3815 m2；夏季供冷、冬季供暖，空调系统的日运行时间区间为7：00～18：00；外墙采用25 mm厚聚氨酯保温板，外窗的玻璃采用 Low-E中空玻璃，建筑的体形系数为0.21。在楼的北侧及南侧埋管，设计时室内采用了温湿度独立控制，有效的提高了空调系统的能源利用效率，避免了常规空调系统热湿耦合处理带来的问题［11］，室内采用地板辐射供冷（供热）与置换通风相结合的系统，通过现场测试表明：室内热湿环境良好，地板没有出现结露现象，而且垂直温度梯度也比单纯辐射供冷时低［12］，夏季冷负荷较低时利用楼板蓄能体与地下岩土通过循环水系统直接耦合，并配备热泵机组用于在冬季供暖以及在夏季对新风除湿及在负荷较高时辅助供冷。

经模拟计算，建筑物最大热负荷为35.5 W／m2，建筑物最大冷负荷为63.6 W／m2；全年累计耗热量为82.2 MWh，全年累计耗冷量为135.4 MWh。通常，热泵消耗1 kW的电，可以得到4～5 kW的热量或冷量［13］，从模拟结果来看，夏季对冷量的需求要大于冬季对热量的需求，如果只采用地源热泵系统，则夏季向地下排放的热量大于冬季从地下吸取的热量，长时间运行会造成地下温度的不平衡进而影响地源热泵的运行效果［14，26］，所以在夏季冷负荷高峰时采用冷却塔进行辅助供冷，其全年累计冷却负荷为54 MWh，通过实际运行发现采用冷却塔辅助供冷能够使室内温湿度满足人员需求，并使地埋管的取热、放热达到平衡。办公楼的空调处理设备和冷热源都是由复合系统构成的，建筑的负荷由辐射地板及全空气机组承担，其中，建筑的最大热负荷全部由辐射地板供应，最大冷负荷由辐射地板承担26.3 W／m2，全空气机组承担37.3 W／m2；辐射地板承担全年的耗热量，并且承担55 MWh的耗冷量，其余的80.4 MWh由全空气机组承担。

2 复合系统运行方式

2.1 夏季运行方式

由于夏季室外温度随时间的变化，使得在供冷季的前期和后期冷负荷较小，采用蓄冷优先的控制策略，能充分利用谷段电力，减少运行费用，由蓄冷量满足尽可能多的冷负荷，不足部分有冷水机组直接供冷［15］。通过实际运行发现，采用室外地源井直供给楼板埋管冷水的方法，让楼板埋管系统承担全天的空调负荷，可以满足人员工作时间的需求。而且由于不开制冷机组，主要由循环水泵耗电，所以节省了用电量；在供冷的中后期，冷负荷和湿负荷都比较大，于是需要开启热泵机组，为系统提供冷冻水，新风系统除提供新风外，还需要承担室内湿负荷和部分显热负荷。在热泵启用时，结合了“谷电”制冷和夜间楼板蓄冷（在 23：00—7：00使用）两种方案，与传统的在白天上班时间制冷的空调运行方式比较，使其减少了用电量。

2.2 冬季运行方式

冬季供暖采用与常规地源热泵运行方式不同的方法，以地源热泵制热，并结合了蓄能系统，室内主要由楼板埋管系统提供热量，利用新风系统控制室内空气湿度和空气品质，仍旧以热泵机组作为新风系统的加热热源，机组冬季制热功率为 108.9kW。实际运行显示热泵机组只需提供较低的水温（28～32℃）［28］，就能保证室内供暖效果达到 18～20℃，提高了热泵的 COP［16］，节能效果明显。在热泵启用时，利用“谷电”制热及楼板蓄热（在23：00—7：00使用）在夜间将热量蓄存在楼板及蓄能水箱中，从而使人员在第二天早上进入室内时就能有一个比较舒适温度。在热负荷的高峰期，根据监测结果，如果发现蓄存的热量不能够满足上班时间的热负荷，则开启地源热泵机组进行补热。通过以上方法减少了白天上班时间热泵的开启时间，与常规的热泵运行方式比较，使其节省了用电量及电费。

3 实时数据监测及分析

在室内安装实时的监测设备，不仅能够监测室内的温湿度、风速、风量等，而且也能够将空调系统的能耗实时的采集出来，如能够记录热泵机组、水泵、风机等空调设备逐时的耗电量。为了验证采用该系统之后的空调效果，2014年夏季对室内温度、空调系统水流量及温度进行了监测分析。由于2014年冬季电耗的数据还不全，而且 2013年及2014年楼内的设备以及人员都没有大的变化，所以下文采用了2013年夏季及冬季的电耗数据来分析系统运行时的能耗。在每层的室内不同区域安装的温度测点，能够每隔 15 min采集记录一次室内温度，采集了2014年7月28日00：00—23：45这一时间段内一层至五层室内温度随时间变化的数据，温度变化规律如图1所示。

由室内温度实际采集的数据图1（a）～（e）可以看出一至五层上班时间的室内温度都在 24～26℃之间，能够满足人员在夏季办公的需求，室内温度在早晨6：00—7：00时达到最低温度 22～23℃，能够使人员在早晨上班时进入一个比较凉爽的办公环境。根据7月28日实际测量，室外温度在12：40达到最高值38.2℃，此时办公楼室内温度为 26℃左右，制冷效果明显。由图1（f）可以看出热泵主要在夜间启动，冷冻水的供回水温差为5℃，将冷量储存在蓄能水箱以便在白天供冷。夜间由于楼板的辐射供冷作用，能够将室内的墙壁、桌椅、办公设备等的温度降低，将冷量储存在了室内，当第二天人员进入室内开始工作时，储存的冷量能够慢慢释放出来，抵消一部分人员及设备等散发出的热量，从而可以推迟启动制冷机组的时间，降低了空调系统的电耗。

由图2可以看出，该办公楼的空调系统在2014年 7月 28日全天的水流量，北地源井流量为6.7 m3／h左右，南地源井流量为 13.7 m3／h左右，南北地源井全天流量很稳定；空调机组的表冷器主要负责为新风除湿降温以及为室内提供新鲜的空气，该设备在 8：00—18：00时间段运行，8：00—15：15其流量稳定在6.6 m3／h附近，但由于室外日晒和室内冷负荷减小的原因，进入表冷器的水流量从15：30—18：00降低到了6 m3／h；在夜间23：00—次日7：00这段时间，热泵机组制取的冷冻水输入蓄能水箱，流量为 12 m3／h左右。南北地源井分集水器的温度，如图3所示，当天供入楼板埋管的温度为18～19℃，回地源井的水温为20～21℃，全天运行数据显示南北地源井分集水器供回水温度的波动很小，说明系统能够稳定的承担室内的冷负荷，使室内温度保持在合理的波动范围，提高了室内的舒适度。

图1 室内及热泵供水温度图

4 空调系统运行能耗

4.1 夏季能耗

根据记录的数据，可得到2013年夏季5月 8日至9月 11日空调系统的运行电耗，并计算了整个夏季该空调系统各设备的用电量，各设备中热泵机组及楼板埋管系统闭式泵所占耗电比例最大，其中南地源热泵用电量为6421.19 kWh，北地源热泵用电量为9471.43 kWh，楼板埋管系统闭式泵用电量为5006.52 kWh。在实际运行中，充分利用了济南市现行的阶梯电价政策，根据不同用电时段的电价差别来进行制冷和制热，由于谷电电价为0.327元／kWh远远低于其他时段的电价，而且该系统充分利用了谷电制冷，所以很大程度上节省了电费，图4中所示夏季总用电量为25733.35 kWh，总电费为13058.96元，用电时段主要集中在谷电和平电时段，其中谷电用电量为18879.39 kWh占夏季总用电量的73.37%，电费为6173.56元。由以上数据可算得夏季空调单位面积用 电 量为 5.72 kWh／m2，单 位 面积 电 费 为2.9元／m2。

图2 空调系统水流量图

图3 南北地源井分集水器温度图

4.2 冬季能耗

对2013年9月15日至2014年3月15日冬季空调系统的运行能耗进行了统计分析，计算发现空调系统主要设备为热泵机组及楼板埋管系统闭式泵，其中南热泵机组耗电为 20487.41 kWh，北热泵机组耗电为18900.62 kWh，楼板埋管系统闭式泵用电量为 4086.48 kWh。冬季空调系统总用电量为50036.4 kWh，总电费为 20832.25元。冬季充分利用谷电制热，整个冬季的分时电量及相应的电费可从图5中看出，其中谷电用电量为 42475.92 kWh，占总电量的84.89%，谷电电费为13889.63元。经计算冬季空调单位面积用电量为 11.1 kWh／m2，单位面积电费为3.1元／m2。

图4 夏季分时电量及电费图

图5 冬季分时电量及电费图

4.3 与同类建筑的比较分析

将本建筑与其周边的一栋面积、楼高及外形相似，围护结构的材料相同，室内人员数量相差不大的办公楼作比较，作为比较的办公楼位于本建筑西侧，建筑面积4300 m2，夏季供冷采用VRV空调系统，冬季供暖热源采用市政蒸汽。

表 1 与其他办公楼比较／（kWh·m-2）

由表1可知，本楼空调系统运行一年的单位面积耗电量要比附近的办公楼节省50%左右，这是由于附近的这栋办公楼采用了以VRV机组及市政蒸汽为冷热源的空调方法，夏季运行时VRV机组及水泵都需要耗电，本楼在夏季冷负荷较小时采用地埋管直接供冷，只开启楼板埋管系统闭式泵，同时VRV属于属于风冷行机组，其 COP在 3左右，低于地源热泵机组的COP，而本楼则是采用复合空调系统，冬夏季都采取了比较合理的控制策略，充分的利用了地下浅层地能这种低品位的能源，并且在谷电时为建筑蓄冷（蓄热）既满足了供冷、供热的需求，又使得系统的运行费用及能耗明显降低。

5 结论

通过研究可知：

（1）本建筑所采用的地源热泵水蓄能复合系统与其他系统相比耗电量低且运行费用也较低，夏季直接利用地埋管群在冬季蓄的冷，从而节省了夏季空调电力的消耗。同时充分利用谷期电力，将部分峰期的用电需求转移到谷期，对缓解高峰时段电网压力，提高低品位能源利用率和保护环境都将有巨大的社会经济意义。

（2）通过实际监测使用该方案可以满足办公人员的空调需求，夏季办公时间室内温度在24～26℃，湿度在60%左右，空调系统单位面积用电量为16.82 kWh／（m2·a），单位面积电费为6元／（m2·a），远低于同类建筑。对办公类建筑空调系统的设计及运行提出了新的思路和方法，采用该复合系统可以作为办公类建筑空调系统实现节能减排一个很好的借鉴。

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（学科责编：李雪蕾）

Analysis of combined ground-source heat pump and water energy storage systems operation

Su Shenbo1，Zhang Linhua1，2，3*
（1.School of Thermal Energy Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Renewable Energy Utilization Technology in Building of National Education Ministry，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；3.Shandong Provincial Key Laboratory of Building Energy-Saving Technology，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

Composite air conditioning system is the effective way to realize the energy-saving of buildings.Taking an office building in Jinan City as an example，the paper introduces the combined ground-source heat pump system in the building，analyzes the monitoring data，and studies the operation effect of the system and the energy consumption.The results show that the operation effect of the composite system is good by using ground sink direct cooling system and energy storage technology.In summer the indoor temperature can be kept at a temperature of 24-26℃.Compared with a similar building in the similar area，floor height，number of office staff and same building envelope materials，the electricity consumption and electricity are significantly reduced.In 2013，the electricity consumption of air conditioning system is 16.82 kWh per unit area and the charge of electricity is 6 yuan per unit area.This composite air conditioning system has a certain significance reference for the realization of green building.

water energy storage；ground-source heat pump；energy conservation；low grade energy

TU83

A

1673-7644（2015）03-0249-06

2014-12-08

山东省科技发展计划项目（2012GGX10416）

苏莘博（1990-），男，在读硕士，主要从事空调蓄能方面的研究.E-mail：sushenbo＠163.com

*：张林华（1965-），男，教授，博士，主要从事建筑节能及可再生能源利用技术研究.E-mail：zhth0015＠sdjzu.edu.cn