地源热泵系统在建筑中的应用与经济性分析*

李颜颐， 李玉幸， 刘 芳， 张晓彤， 翁 宇， 狄彦强

(1. 中国建筑技术集团有限公司，北京 100013；2. 中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

节能降耗的要求随着全球能源的日趋紧张而日益紧迫，而在我国所有能源消耗中，建筑能耗占有较大比重。建筑中节能减排也就成为了缓解能源压力、解决能源污染环境问题的强有力方案。在建筑能耗中，空调能耗大概占据整个建筑能耗的60%，因此关注建筑空调的节能减排，极力推广可再生能源替代的发展、应用，具有非常现实的重要意义[1]。地源热泵系统是一种新型清洁能源设备，目前，在我国虽然还未大面积普及，但已经受到了广泛关注。

地源热泵系统主要是利用浅层地能来进行供热制冷的一种新型能源利用技术。该系统热量的蓄存器为土壤，冬取夏蓄，同时在夏季利用空调的冷凝热加热生活热水，很大程度上避免了夏季空调热污染；规避了夏季开式冷却塔的耗水，避免了冷却塔的湿污染。该系统以年为周期形成冷热循环，从而实现了节能减排的功能。

本文针对具体项目，分析了地源热泵项目在设计阶段出现的问题及解决方法，并根据当地项目的具体气候条件提出了适合当地情况的智能控制方案，最后针对本项目的投资费用与常规供冷供热系统的投资费用进行对比分析，得出地源热泵系统的经济性优势。

1 工程项目设计分析

1.1 工程概况

本工程为江苏某建筑科技系统工程地源热泵项目，该项目统一采用集中地源侧分户地源热泵系统，为各公寓户内供应空调冷热源及整年24h生活热水。末端冬天采用低温热水地板采暖，夏天空调采用风机盘管，以及全年采用新风换气机提供新风。本工程利用土壤作为室外冷热源，采用集中地源侧分户地源热泵系统，共设计地埋孔1 232个，有效埋深100m，全部布置于地下室范围内。

1.2 集中泵房供配电设计分析

依据JGJ 16-2008《民用建筑电气设计规范》第3.2.6条文规定：区域性采暖锅炉房、换热站等用电负荷，应根据规模及重要性等因素确定负荷等级，负荷等级不低于二级。本项目集中泵房中供热设备用电负荷定义为二级负荷，在配电所处采用母联互投。集中泵房负荷计算表如表1所示。

用电设备负荷计算表 表1

采用放射式供电，由于条件的限制，变配电所距离集中泵房大约180m，由于供电半径较大，应根据电压损失校验电缆截面。

在配电设计中，应满足用电设备端子电压处的电压偏差不超过规范规定值，并根据低区电网电压偏差的情况，确定电压损失允许值，当缺少相关资料时，根据规范要求，变压器二次侧母线开始计算，低压线路允许电压损失为5%[2]。

三相平衡负荷线路中，电压损失计算公式如式(1)。

ΔU%=(Pr+Qx)l/10Un2

(1)

式中，Un为系统标称电压，kV；l为某一个集中负荷至线路末端的线路长度，km；P为负荷有功功率，kW；Q为负荷无功功率，kvar；r、x分别是三相电力线路单位长度的电阻、电抗，Ω/km。

根据《工业与民用配电设计手册》表9.4-19，查找相应电缆对应的相关参数，因压降随线路长度增加而增加，故只需计算最远处设备线路压降，末端设备线路压降计算电压损失计算如图1所示。

图1 最不利条件下线路电压损失计算电路

在此次设计中，配电箱内各元件造成的电压损失忽略不计，电缆的型号满足电压损失校验。但是，在方案阶段仍应尽量缩短供电半径，以便保证负荷末端电能质量、减少节约一次性投资及有色金属消耗。

1.3 集中泵房群控设计

根据当地气候条件，本项目提出最优控制方法：根据室外温度对冷却塔能效的影响，优化控制冷却塔与地埋管之间交替耦合运行。在初夏和末夏室外温度相对较低时，优先运行冷却塔，此时冷却塔运行能效比中夏时高；在中夏时，室外温度相对较高，冷却塔能效偏低，节能优势不显现，此时优先运行地埋管系统，通过该运行策略达到冷却塔与地埋管高效耦合节能运行。系统运行策略详见表2。

水泵、阀门及电动仪表控制原理如下文所述。

(1)根据供回水的压力，计算出供回水压差，根据该压差调节循环泵频率，达到节能目的。

(2)根据供回水的温差控制循环泵启/停台数:只开一期时，二次侧水泵温差取T1-T2；只开二期时，二次侧水泵温差取T1′-T2′；一二期同时开时，二次侧水泵温差取(T1+T1′)/2-(T2+T2′)/2。

(3)根据板换二次侧的温度，调节一次侧的电动阀门开度。

(4)冷却塔进水管路处的电动阀V3～V6与冷却塔联锁，随着冷却塔的启闭而启闭。

(5)监视循环泵变频器输出状态、控制启/停，变频控制、故障报警。

系统运行策略 表2

(6)监测地源侧回水管的压力及温度，当压力值低于设定值时应报警。

集中泵房中所有机电设备应根据自动控制系统及最优控制程序和预设时间程序进行集中管理和监控。以安全、可靠、节能、节省人力和综合管理为目的，在满足控制要求的前提下，实现全面节能，减少平时的工作量，从而减少由于维护人员的误操作而造成的设备失控或损坏。

2 经济效益分析

本项目(集中泵房控制原理图如图2所示)空调夏季供冷冷负荷为9 092kW，冬季热负荷为 4 849kW，建筑面积14.7万m2，本项目应用能耗分析软件eQUEST对建筑全年8 760h进行全年动态能耗模拟分析计算，根据模拟结果总结各种系统下的用电量情况，如表3～6。表7是地源热泵系统与常规冷热源系统经济性对比表。

图2 集中泵房控制原理图

相对于常规电制冷、燃气锅炉制热、燃气锅炉制生活热水系统分户地源热泵系统(地埋管集中)投资回收期为(3 675-1 764)/(833-396.7)=4.38年，由此看出，地源热泵系统经济性明显优于常规电制冷、燃气锅炉制热、燃气锅炉制生活热水系统，整体投资回收期均可在5年内收回。两种形式总投资情况对比如图3所示。

地源热泵夏季制冷工况费用分析 表3

地源热泵冬季制热工况费用分析 表4

常规电制冷、燃气锅炉制热、燃气锅炉制生活热水系统夏季制冷工况费用分析 表5

常规电制冷、燃气锅炉制热、燃气锅炉制生活热水系统冬季制热工况费用分析 表6

3 结束语

(1)供配电方面。因为地源热泵属于较为集中的设备，因此在此类工程中可以在集中泵房就近位置设置专变，减小供电半径，提高供电质量，方便集中管理。

(2)智能化方面。根据当地具体气候及条件，设置最优化控制，不仅可以提高设备能效，还能减少故障率。

(3)高效节能方面。由于地表浅层地热资源温度相对稳定，土壤与空气的温差一般在17°，基于冬季较环境温度高、夏季较环境温度低的特点，地源热泵系统比常规空调系统运行效率高40%～60%，因此在运行费用和节能上是常规空调系统的40%～50%左右。

表7 经济性分析对比表

图3 两种形式总投资情况

(4)技术方面。地源热泵系统的COP值较其他的空调系统要高，节能性好，且具有一机多用功能，有良好可行性。