湖南某项目复合式地源热泵空调系统方案对比

邱昱榕

湖南省建筑设计院有限公司，湖南长沙 410082

在我国，历年冷热负荷统计均表明：大型办公建筑等公用建筑中夏季供冷负荷大多都大于冬季供热负荷[1]，尤其在南方夏热冬冷地区和夏热冬暖地区，冷热负荷的差距导致了土壤冬季吸热量远远小于夏季排热量，久而久之影响环境温度，降低了地下埋管的换热能力，导致热泵系统的循环效率下降，影响系统综合能效及使用寿命[2]。为消除地下换热不平衡现象，一个切实可行的方法就是在地源热泵系统基础上增加辅助换热设备及措施，构成复合系统。

1 地源热泵空调系统辅助换热系统主要形式

综合多年人们对地源热泵系统的研究及实践，其辅助换热系统形式主要有以下几种[3]：

（1）设置冷却塔等辅助冷却系统；

（2）设置生活热水系统等相关供热系统；

（3）太阳能地源热泵联合供冷供热系统。

其中，前两类系统主要应用于夏季负荷大于冬季负荷的情况。第一类系统是按冬季负荷或夏季部分负荷设计地下埋管换热器，当夏季高峰负荷下地下换热器换热量不够时，通过设定好的控制形式适时的开启辅助冷却系统，以达到设计要求（图1）。

图1 冷却塔和地埋管换热系统的组合方式

第二类系统的原理是空调系统承担更多的供热负荷，把空调热负荷以外的热需求系统纳入到冷热源系统当中，从而缩小夏季排热量和冬季吸热量的差距，实现冷热平衡。

最后一种系统主要应用于寒冷及严寒地区等冬季换热量大于夏季换热量的地区，它的原理是在地源热泵的基础上增加太阳能供冷或供热系统，控制太阳能辅助设备的供冷或供热比例，从而使热泵运行处于冷热平衡状态[4]（图2）。

图2 太阳能—地源热泵联合供热供冷系统原理图

2 复合式地源热泵空调系统实际应用方案

本文选用湖南省益阳市某办公楼作为实际案例，进行复合式地源热泵空调系统方案设计及可行性对比。该项目属于典型的夏热冬冷地区，该地区太阳能资源不足以支撑太阳能辅助功能系统。考虑到项目实际情况，本文主要对冷却塔辅助冷却系统及生活热水系统方案在此项目的应用进行多方面的对比分析。

该项目建筑类型为办公建筑，面积约10000m2，空调面积约为7400m2，建筑维护结构均选用节能材料，冷指标取为100w/ m2。按最不利工况计算，夏季冷负荷为740kW，冬季热负荷约400kW。根据项目情况，设置如下3个方案。

2.1 生活热水系统

冷热源采用单台制冷量400kW，制热量437kW的水源热泵螺杆式机组（地下环路式）两台，同时承担办公楼的冷热负荷及部分周边居住建筑的生活热水的热负荷。地下埋管系统的长度按照夏季制冷最不利工况进行设计。

2.2 水冷机组加冷却塔配地源热泵系统

空调冷热源选用制冷量400kW，制热量437kW的水源热泵螺杆机组（地下环路式）一台，制冷量为430kW的水冷螺杆冷水机组一台，冷却塔采用规格为100t的低噪开式冷却塔，匹配冷水机组运行。夏季时由冷水机组和热泵机组共同承担空调冷负荷，冬季由热泵机组单独承担系统热负荷（图3）。地下埋管系统的参数按夏季单台水源热泵螺杆机组满负荷运行下的换热量进行设计计算。

图3 冷水机组加地源热泵复合式系统

2.3 冷却塔与地埋管复合换热系统

选冷热源采用单台制冷量400kW，制热量437kW的水源热泵螺杆式机组（地下环路式）两台，共同承担大楼的空调冷热负荷，冷却塔与地埋管并联设置，冷却塔可采用开式冷却塔加板式换热器与地埋管间接连接，或闭式冷却塔直接连接的形式。本方案采用规格为200t的闭式冷却塔直接并联地埋管系统，共同负责夏季排热。地埋管参数按冬季最不利工况设计。

考虑当地气象参数及建筑使用特点，本项目夏季设计供冷季节计算时间为120d，冬季供热季节计算时间为60d，除制备生活热水，空调系统日使用时间为12h。

3 方案可行性分析

3.1 生活热水系统

本方案通过承担生活热水系统负荷，增加热负荷的方式实现冷热平衡，按照空调最大负荷工况，夏季最不利工况设计地埋管长度。此方案考虑到机组同时进行空调供冷及供生活热水的效率较低，因此设计系统提供生活热水的时段为过渡季节，及单台机组足以满足供冷供热负荷的冬夏季部分负荷工况，由不提供空调负荷的空闲机组承担生活热水的热负荷。

该方案下夏季埋管换热量计算为：

式中：Q冷—空调系统夏季地埋管总换热量（kJ）；

q冷—夏季地埋管换热单位时间换热量874kW；

C季—空调供冷季平均系数，取0.6；

C日—空调供冷日平均系数，取1.0；

T—空调系统供冷年运行时间（h）；

将数据代入公式（1）可得全年夏季地埋管换热量为2.72×109kJ。

冬季埋管换热量计算为：

式中：Q热—空调系统夏季地埋管总换热量（kJ）；

q热—夏季地埋管换热单位时间换热量400kW；

C季—空调供热季平均系数，取0.6；

C日—空调供热日平均系数，取1.1；

T—空调系统供热的年运行时间（h）；

将数据代入公式（2）可得全年夏季地埋管换热量为6.8×108kJ。

计算可得空调冬夏季换热量的差值为2×109kJ。则单台热泵机组生活热水工况下的开启时间为：

其中，q热水为机组在生产生活热水的工况下，地埋管的单位时间换热量400kW。

计算得出单台机组制备生活热水的开启时间约为1388h，假定机组生活热水工况下为24h运行，则机组运行天数约需要57d，小于空调过渡季节天数，因此在生活热水需求量足够大的情况下，此方案可以实现地埋管冬夏季换热平衡。

本方案通过增加系统热负荷的方式实现冷热平衡，除空调系统外，还承担了部分生活热水负荷，充分地利用了地下换热形式，能量利用较为高效，在很多大型地源热泵项目中得到了普遍应用。但针对本项目而言，冬夏季冷热负荷相差太大，夏季换入地下的一半热量都要通过机组生活热水工况下取出。但生活热水的一次换热温度要求较高，制备的热水仍需要一个再加热的过程。本系统地埋管长度是按冬季工况计算的2倍，而在地源热泵系统中地埋管的成本占空调系统的初投资的一半以上。因此本方案为实现冷热平衡，造成系统初投资过大，且生活热水作为辅助工况，相对而言能效并不太高，较其他方案而言多出的成本并不亚于单独设置一套高效的热水生产系统的成本。因此该方案针对本项目并不适用。

3.2 水冷机组加冷却塔配地源热泵系统

该方案下冬季的地埋管换热量计算同方案一，为6.8×108kJ。根据冬季地埋管换热量反算冷热平衡工况下夏季热泵机组的开启时间。由公式（2）计算可得水源热泵螺杆机组夏季工况的开启小时数为720h，办公楼每天运行时间按12h计，则热泵机组在夏季需运行60d才能达到冷热平衡，若运行时间超出很多，则该方案无法实现冬夏季冷热平衡。

综合上述结果，此方案实现冷热平衡的前提是在夏季高峰负荷下，两台机组同时开启的时间不大于60d，否则夏季打入地下的热量可能会大于冬季取出的热量。益阳地区属于夏热冬冷区域，夏季温度较高，夏季高峰负荷的天数是有可能大于60d的，由此可见该方案并不能完全的保证冬夏季冷热平衡。

该方案较上一种方案相比，地埋管用量减少很多，初投资较低。但由于本项目冬夏季负荷相差过大，采用冷水机加冷却塔复合系统虽然能够减小夏季地源热泵系统地埋管换热量，但并不能完全保证冬夏季冷热平衡，若考虑余量加大冷水机组比重，则一定程度上丧失了地源热泵系统的优势，且造成能源浪费。

3.3 冷却塔与地埋管复合换热系统

该方案两台主机共同承担冬夏季冷热负荷，在冬季供热工况下单台机组供热量满足冬季热负荷需求，两台机组可交替运行，使得机器充分保养。在夏季制冷工况下则可以根据室外环境及室内负荷，分别控制地埋管及冷却塔换热。

由前两个方案的分析可以得出，本方案在冬季换热量确定的情况下，若要满足冬夏季地埋管换热量平衡，需要单台机组夏季工况下利用地埋管换热60d。而本方案的冷却塔规格匹配两台机组同时换热，因此只需要夏季供热工况的天数大于60d，即可满足冷热平衡的要求，夏季多出的换热量均可通过冷却塔换热。

本方案与前两个方案相比，初投资比方案一减少很多，与方案二相差不大。但与方案二相比，可以相对更精确的保证系统的冷热平衡，本方案可以通过能量计检测每年地埋管换热器排入及取出的热量，通过热量差反馈控制冷却塔开启时间，保证土壤温度恒定，使系统具有更好的能效和更长的使用寿命。

综上所述，综合考虑各种系统方案的经济性、能效性、可调性等可行性，在该项目中应用方案三最为合理，并在实际运行中得到印证。

4 结语

本项目综合现场条件、气候特点及负荷特性等，采用复合式地源热泵系统的空调形式，并设计对比了多套复合式地源热泵系统方案，采用了最优的方案，并较好的满足了使用要求。项目采用了复合式地源热泵（冷却塔+地埋管换热器）系统，该系统中冷却塔不仅在峰值负荷下减小了地埋管换热压力，也很好的调节了冬夏季地埋管对土壤换热平衡，从而提升了系统的能效及使用寿命，并且该系统可以减少地埋管换热器的数量，减小初投资消耗，值得推广应用。