王春蕾
摘 要：該文以北方寒冷地区工程为例，通过总结设计施工经验，分析运行数据，旨在阐明公共建筑项目中，地源热泵系统配合辅助系统，可获得更加理想的节能效果。据此，提出配置太阳能系统的复合式地源热泵系统，实现空调、采暖、热水需求，有效提高系统的项目适用性及合理性。
关键词：地源热泵 太阳能 复合式 高效节能
中图分类号：TU995 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）09（a）-0072-03
随着国家大力推动及相关节能环保政策出台，寻找替代 “高消耗、高投入、高污染”传统落后用能的新型节能方案，已成为共识。
此项目作为首个国家级救援基地项目，定位于：“运行经济可靠，设计低碳环保，体现技术先进”的建设目标，前期考证多种能源系统形式，以空气为热源，冬季低温环境机组会出现频繁融霜与运行不利。使用锅炉采暖不符合环保要求。同时建设地周边无可用地表水及处理污水，且城区内打井审批困难。在综合分析可行性后，提出采用地源热泵+太阳能的系统形式。
利用地源热泵技术冬季吸收土壤及岩层蕴含的热量，营造温暖的室内环境。夏季将室内热量排入土壤中，实现室内温度的降低。太阳能热水系统，在晴好天气时，可满足全部热水需求。当其无法运行，热水机组自土壤取热提温后供生活热水。太阳能系统运行中可实现污染零排放。
通过以上系统建设，可满足救援基地项目夏季空调、冬季采暖及全年生活热水需求，经运行测算是一种较为经济的系统形式。
1 项目概况
项目建设地河北省唐山市，占地面积122 948.15 m2，建筑面积59 872 m2。地埋管可用地面积为32 142 m2，包括体育场跑道、草坪、路面等区域。现有培训楼、办公楼、训练馆等为平顶建筑，可布置太阳能集热模块，且周围建筑无遮挡，存采光及场地条件好。项目为新建，建筑功能涉及办公楼、培训楼、地下演练场、体育馆及宿舍楼等。末端设备为风机盘管，有空调、采暖、日常生活热水等需求。
2 系统方案介绍
2.1 负荷计算
夏季空调室内计算参数为温度24 ℃～26 ℃，湿度40%～50%。冬季采暖计算参数为温度18 ℃～23 ℃，湿度30%～40%。计算得冷负荷为5 988.4 kW，热负荷为4 365 kW。
生活热水主要满足培训楼接待及厨房使用，根据《建筑给水排水设计规范》GB 50015-2003（2009年版），按照不同功能选择用水定额，且培训楼与厨房用水时段独立无叠加。计算得培训楼小时热水量qrh=9760 L，厨房qrh= 1771.9 L，所需日热水量为Qd=102.47 t，最大小时热负荷为1 340.7 kW。
2.2 系统形式
选用系统型式：离心式热泵机组+螺杆热水机组+太阳能集热板+储热水箱。
夏季离心式机组为空调供冷，冬季离心式机组为采暖供热，当负荷低于单机容量30%，从经济性考虑启动螺杆式热泵机组采暖。
生活热水全年优先采用太阳能系统满足，夏季离心机组热回收作为补充，当受环境影响太阳能无法运行时，启动热泵机组供应热水。
（1）空调（采暖）机组，2台离心式热泵机组，单台制热量3 106 kW，制冷量2 992.12 kW，用于夏季供冷冬季供暖，夏季可部分热回收生产生活热水。
（2）热水机组，2台螺杆式热泵机组单台制热量为927 kW，可制热水，冬季也可作为供热调峰机组使用。
（3）地埋管换热器，地埋管换器以岩土热物性试验数据为设计依据，勘测结果如下。（见表1）
说明：表1中的参数是根据冬季工况推算获得，所选机组夏季标准工况为冷却水，出水温度35 ℃，测试过程按照国家规定执行。
由地勘实验可知，地质层超过100 m为大块鹅卵石，从工期及成本分析，打井深度定为100 m。综合冬夏热量平衡，计算得成孔数量为1 090口。采用垂直埋管方式。为采用三角形排布，井间距4 m。
2.3 太阳能系统
唐山地区太阳能全年辐射总量可达5 768 MJ/（m2·a），日照2 600～2 900 h。据现场条件，建筑顶部可布置太阳能集热器约1 200 m2，理论运行天数为223 d（扣除雨雪阴天），计算日产热水量为116 t，满足日热水用量。选用192组SLL-1500/50联集管式太阳集热器模块，并配置专业PLC智能控制装置。地源热泵系统和太阳能系统的原理如图1、图2所示。
2.4 问题及解决措施
项目难点主要存在于系统设计和施工管理两方面，负荷功能多变、控制距离远、工期紧张成为突出矛盾，为此提出相应措施如下。
2.4.1 系统形式灵活，实现多功能备用
核心机组及输配水泵均为同型，变频运行一一对应。离心式机组与太阳能系统均可产生热水，热水机组供暖调峰，并备用。
2.4.2 PLC控制实现远程切换，保证太阳能优先运行
PLC控制系统由太阳能系统和机房群控两部分组成。
太阳能系统控制包括：（1）设备手动/自动切换功能；（2）定温出水功能；（3）温差循环功能；（4）自动上水功能；（5）漏电保护、防干烧、故障报警等。
机房控制包括换季阀门切换、设备联动、系统间运行切换。通过检测太阳能循环水泵在设定时段的运行情况，确定热泵机组是否启动。
2.4.3 离心机组热回收合理运行
离心式机组采用三级变频高效压缩机，较高负荷运行时，可实现部分热回收，有效回收冷凝器热量，补充生活热水，大大减少太阳能运行时间。
2.4.4 优化设备运行，提高经济性
空调采暖工况：高负荷时优先采用离心式热泵机组，低负荷时优先启动螺杆机组，保证机组始终在较高负荷率运行。
热水工况：优先运行太阳能系统，当不具备集热条件时，启动螺杆机组提供热水，夏季离心式机组热回收作为补充。
2.4.5 机房合理选址，地埋管换热器分区布置
机房定在体育场看台地下一层，贴临配电中心，位于负荷中心。地埋管换热器分为6个区，各区埋孔数量基本一致。由室外分集水器连接并设置独立井室。水平连接管路采用同程布置。
2.4.6 实行一天双会制度
由项目负责人组织召开，时间为7：00和22：00。早会安排当天工作内容，讨论待解决问题。晚会听取汇报，确定当天工程完成进度，为第二天工作安排提供参考。
2.4.7 人员配置严格遵循标准
项目组人员构成完备，制度严明。建立从上至下管理流程，保证问题及时反馈，不得越权处理，与考核、项目进度奖励挂钩。
2.4.8 采用先进设备技术缩短工期
地埋侧打孔制定三班制24 h连续作业，选择专业镶齿钻头破碎成孔设备结合管径De32单U埋管形式，降低施工难度及潜在压瘪隐患，并减少占地面积。
3 经济性分析
按照电费0.7元/kWh计算运行费用。（见表2）
4 结语
地源热泵系统是发展较为完善的节能系统，期间不断吸收新的技术，以适应更加复杂的工况环境要求，通常冷热负荷相对平均的地区适宜采用，对系统建设限制因素较少。在寒冷北方地区，系统建设时要充分考虑土壤热平衡、冻结等问题，从保证换热器换热效果、系统稳定性角度出发，采取太阳能系统作为辅助系统，可有效提高系统运行能效，降低运行费用。
参考文献
[1]孙洲阳，陈武.太阳能—地源热泵联合循环技术研究[J].流体机械，2011，39（10）：67-71.
[2]余鑫，王如竹，翟晓强.竖直埋管地源热泵系统研究进展[J].暖通空调，2010，40（2）：1-9.
[3]建筑给水排水设计规范（GB 50015-2003）[S].2009.
