地源热泵技术作为一项新能源技术,自引进我国即得到迅速发展,从2004年开始年增长率超过30%。截至2016年底,浅层地热能应用建筑面积达到4.78亿m^{2 [1]}。

　　 然而,地源热泵技术在我国的发展也并非一帆风顺。在节能减排的大背景及相关补贴政策的激励下,地源热泵行业一度陷入“过热阶段”,由于缺乏因地制宜和科学统筹的规划设计理念,缺少专业化的实施团队,以及相关技术人员的技术水平参差不齐,一些项目实施效果偏离预期,出现的问题引起了市场对该技术的质疑、担忧,阻碍了地源热泵行业的健康发展。近年来,随着技术的愈加成熟,市场了解的不断深入,以及大多数工程项目多年良好运行效果的积极影响,地源热泵行业逐渐回归理性发展阶段。

　　 竖直地埋管地源热泵系统具有“取热不取水”、不破坏地下水资源、不受地表水资源限制、占地面积较小等特点,成为我国地源热泵发展的主导形式。我国地源热泵项目规模以1万～10万m²为主,该规模的技术应用也相对成熟。而近年来,地源热泵应用规模有大型化的趋势,出现了许多大型甚至超大型项目,对系统高效性能化设计,尤其是地埋管侧设计提出了挑战。

　　 此外,相比于常规冷热源系统,地源热泵系统除了需要更精细化的设计,还需要各实施环节科学、有序和紧密的开展,以保证实际运行效果达到设计初衷。按GB 50366—2005《地源热泵系统工程技术规范》(2009年版) ^[2](以下简称《规范》)等标准规范要求,地源热泵项目各实施环节的流程如图1所示。

　　 本文基于实际工程项目,按照上述流程图介绍大型地源热泵项目高效性能化设计理念要点,并对系统实际运行进行能效测评,供类似项目参考。

　　 济宁文化中心项目是济宁市政府重点打造的民生工程,该项目位于济宁市太白湖新区,是“文化、商业、旅游”高度融合、充满活力的“城市文化会客厅”“城市文化新地标”,更是展示济宁城市形象面貌的亮丽新名片。项目整体效果图见图2。

　　 济宁文化中心项目分两期建设,一期建筑均为公共建筑,包括群众艺术馆、图书馆、博物馆、艺术中心(美术馆、文化平台),二期包括4栋办公建筑、2栋住宅及1栋酒店。项目建筑布置总图如图3所示。

　　 该项目由集中设置的能源站作为各个建筑物冷热源,采用竖直地埋管地源热泵系统,满足该项目全年供暖空调需求。目前一期及能源站已经建设完成并投入使用,二期尚在建设之中。

　　 济宁文化中心项目总建筑面积29.91万m²,其中空调面积22.48万m²,供暖面积26.73万m²。建筑信息及供能需求见表1。项目建筑业态、供能需求分布环形图见图4。

　　 该项目采用地源热泵系统来承担所有冷热负荷,作为单一地源热泵系统,系统规模较大。项目建筑业态涵盖办公、文化场馆、住宅和酒店。一方面利用不同建筑业态运行时间不同的特点,可有效降低项目装机容量,提高系统经济性;另一方面,不同建筑业态冷热负荷特点不同,系统同时供应多种业态,利于提高项目整体“冷热负荷平衡度”,有助于改善地下岩土的冷热平衡。

　　 采用鸿业软件和TRNSYS软件,对设计负荷和全年逐时动态负荷进行分析计算,得到该项目建筑的总设计热负荷为16 200 kW,总设计冷负荷为19 800 kW;全年累计供冷量为1 570.60万kW·h,全年累计供热量为2 092.20万kW·h。并对不同使用方式的内热条件,作了不同情景的全年逐时动态负荷计算,确定了地下岩土不平衡率的变化范围,为后期长时间热平衡计算和冷却塔配置提供依据。

　　 地源热泵地埋管系统的配置一般需要经过以下步骤 ^[2](流程图见图1):

　　 1) 按《规范》附录C等要求进行岩土热响应试验,通过反算法得到岩土综合热物性参数;

　　 2) 根据系统设计负荷及岩土热物性参数进行地埋管换热器设计计算,得到钻孔长度、地埋管参数等,进而制定地埋管方案;

　　 3) 根据项目全年逐时动态负荷及地埋管设计方案,利用专业软件进行地源热泵系统模拟计算,校核地埋管换热器进出口水温及进行热平衡计算、系统运行性能分析等,指导优化地埋管设计方案。

　　 很多工程中常采用每延米换热量的方法估算地埋管换热器埋管长度,但由于每延米换热量方法将地埋管换热器与岩土的传热过程视为一个稳态导热过程,这不符合实际情况。因此,每延米换热量方法只能反映短时间(如一两天到几天)内一定输入温度对应的连续负荷,无法反映实际运行时的长时间、不稳定负荷输入下的地下换热情况,也无法反映间歇运行时负荷瞬态变化的影响。无法体现地埋管换热器实际运行中季节性蓄热放热的特性,进而无法考虑制冷制热周期地下岩土热平衡的问题。这种方法往往来源于技术人员自身的经验或估计,是一种粗放的经验性设计 ^[3]。因此,每延米换热量方法只能用于前期估算,而不能用于地埋管长度设计计算 ^[2]。

　　 该项目按照《规范》要求进行了岩土热响应试验。测试孔深120 m,成孔深度范围内为第四系地层,地质结构以砂层和砂质黏土为主。主要含水段为砂层,共36.50 m,含水层孔隙率为31.50%。

　　 对岩土热响应试验测试数据采用Gs Lab软件进行了反算法分析,推导出该项目所在地的地下岩土综合热物性参数,如图5所示。

　　 最终获得岩土热响应试验主要结果,见表2。

　　 根据前文得到的岩土热响应试验结果及项目负荷信息,按照《规范》附录B ^[2]及ASHRAE推荐算法,采用Gs Lab软件进行地埋管换热器设计计算。计算得到济宁文化中心项目地源热泵系统竖直地埋管换热器所需钻孔总长度(见表3)。

　　 根据计算结果,确定济宁文化中心项目供冷供热的地源热泵系统所需的钻孔总长度取319.6 km(按制热工况)。地埋管系统承担该项目全部热负荷(设计热负荷、累计热负荷),以及基础冷负荷,不足的冷负荷由辅助冷源(冷却塔)承担。

　　 设计地埋管换热器配置方案如表4所示。

　　 按照《规范》 ^[2],对地埋管换热系统设计进行全年动态负荷计算。根据项目全年逐时动态冷热负荷,采用TRNSYS软件对地埋管换热器配置方案进行动态模拟计算,以校核前文计算的地埋管长度、进出口水温及系统性能系数,判断前文配置方案的可行性和经济性。

　　 地埋管换热器进出口水温波动曲线如图6,7所示。

　　 由图6,7可以看出,供暖季地埋管最低进水温度在6.00 ℃左右,制冷季地埋管最高进水温度在31.20 ℃左右,计算结果较为理想。最终确定该项目采用表4的竖直地埋管换热器配置方案。

　　 考虑该项目建筑规模较大、建筑业态多、使用模式多样、项目分期建设、地埋管换热器孔数多等因素,为保证低负荷工况运行性能,实现地埋管侧灵活调节,根据地埋管换热器孔群分布,划分为A,B,C,D,E 5个片区(与机房五供五回,地埋管分区参见图8),各片区分别设置地源侧二级泵,片区间可独立运行调节。地埋管换热器分区及孔数见表5。

　　 为实现钻孔间水力平衡,地埋管换热器采用三级连接,并主要采用以下措施:

　　 1) 多个钻孔采用同程式并联连接构成一个支路,实现同一支路内各钻孔间流量平衡。

　　 2) 多个支路设置一组分集水器,在支路集管设置静态平衡阀,用来实现各支路间水力平衡。此外,后期若出现钻孔损坏、漏水问题,可关断阀门,切断该支路,不影响其他支路正常使用。

　　 3) 多组分集水器采用枝状管网连接后进入能源站。各组集水器总管上设置静态平衡阀,用来实现各组分集水器间水力平衡。

　　 4) 按能源站与分集水器管路分别设置对应的地源侧输配二级泵,采用变频水泵,根据需要调节水泵流量,确保整个地源侧的水力平衡。此外,各片区的地源侧二级泵可以根据冬夏季地源侧运行流量不同进行变频调节。

　　 在项目设计时,充分利用了现场永久构筑物布置分集水器,有效降低土建施工费用。

　　 此外,该项目地埋管换热器孔数多、布孔区域大,为保证地下岩土冷热平衡,提高地源侧供能可靠性,该项目设置地温监测孔(深度与供能孔相同),实时监测地下岩土温度变化。根据地埋管分区,在地埋管换热器孔群集中区域设置测温孔,共设置了18个测温孔,每个地温监测孔埋管内沿深度方向设有多个测温探头,测温孔不承担负荷,管内水常年静止,仅用于监测岩土温度。地温监测数据实时传入智能监控系统(见图9),依据地温数据,进行地埋管与冷却塔间的轮换,以及各片区供能轮换,有效保证岩土冷热平衡。

　　 由集中能源站作为各个建筑物冷热源,满足该项目全年供暖空调需求。

　　 热泵机组供/回水温度满足末端建筑用能参数需求,夏季供冷为6.5 ℃/13.5 ℃,冬季供暖为47 ℃/40 ℃。考虑运行调试阶段及部分负荷阶段的运行需求,机组配置采用“大小机组搭配”的方案,每台机组均能实现15%～100%负荷调节,使部分负荷运行时仍能处于高效区。最终能源站配置4台离心式热泵机组和1台螺杆式热泵机组。离心式热泵机组单台制冷量为4 600 kW,制热量为4 500 kW;螺杆式热泵机组单台制冷量为1 689 kW,制热量为1 743 kW。

　　 该项目能源站负荷侧、地源侧输配半径较大、阻力大,负荷侧和地源侧输配系统均采用二级泵系统。一级泵仅满足机房内阻力要求,负荷侧二级泵满足末端建筑资用压差需求及能源站至末端建筑的输配阻力损失需求,地源侧二级泵满足能源站至地埋管换热器的输配阻力损失需求。

　　 负荷侧及地源侧一级泵与热泵主机一一对应配置,避免在共用母管形式下过多水泵并联造成流量衰减,以及单台水泵运行时电动机过载。负荷侧二级泵与末端建筑单体一一对应配置,以便某个文化场馆有单独运行需求时(即仅运行的场馆需要供能),只需开启与场馆对应的二级泵,系统可以稳定高效运行。地源侧二级泵按地埋管片区对应设置,以便实现不同地埋管区域的切换运行。考虑冬夏负荷需求的不同,负荷侧及地源侧一、二级泵均采用变频控制。

　　 对不同情景的全年逐时动态负荷进行了计算分析,确定了地下岩土不平衡率的变化范围,配置辅助冷却塔作为后期调节手段、保险措施,以保证地源热泵运行过程中地源侧的累计吸、排热量平衡,实现长期高效稳定运行。能源站布置三维设计图见图10。

　　 能源中心设有智能自控系统,该控制系统包括:物联网监测模块、数据在线采集模块、数据存储模块、故障识别与报警模块、节能数据分析模块、集中优化控制策略模块、前馈控制模块、传感器、控制器、数据传输设备等。在各个功能模块中嵌入系统运行下各工况的工作逻辑,实现系统的无人值守控制功能。

　　 智能自控系统对每台热泵主机、地源侧水泵、负荷侧水泵、地源侧和负荷侧各支路流量、地埋管分区地下岩土温度等实现常年实时监测、数据存储。并对热泵主机、水泵实时运行状态、运行效率、设备能耗、负荷情况、系统性能系数、节能环保等常年连续运行数据进行自动分析,便于优化系统运行控制策略。智能自控系统界面如图11所示。

　　 2019年7月25日,建筑能源与环境检测中心对济宁文化中心地源热泵系统进行了性能检测。

　　 测试期间,根据系统的实际运行负荷,开启1台离心式热泵机组和1台螺杆式热泵机组,机组稳定运行时间持续6 h以上,机组负荷率保持在70%以上。

　　 测试期间,热泵主机对应负荷侧一级泵、地源侧一级泵投入运行。用户侧图书馆、文化平台、群众艺术馆、美术馆开馆运行,对应负荷侧二级泵开启。地源侧运行B,C 2个片区,开启对应片区的地源侧二级泵。冷却塔不开启。测试期间图书馆供回水温度见图12,地源侧供回水温度见图13。

　　 由图12可知,测试期间图书馆平均供水温度为7.16 ℃,平均回水温度为12.89 ℃,平均供回水温差为5.73 ℃。由图13可知,测试期间地源侧平均供水温度为23.58 ℃,平均回水温度为28.95 ℃,平均供回水温差为5.37 ℃。

　　 冷源系统实际运行工况性能测试结果见表6。

　　 选取B片区,测试各小区分集水器总流量,结果见表7。

　　 对室外地埋管B片区流量进行测试,分析地埋管分区内各支路间水力平衡情况。测试得到,B片区地埋管支路流量最大为7.39 m³/h,最小为6.94 m³/h,支路间流量不平衡率为6.00%,说明地埋管换热器间水力平衡情况良好。

　　 根据监控平台,2019年7月1—31日全月运行数据如图14～16所示。

　　 由图14可知,图书馆全月供水温度基本维持在7～8 ℃,回水温度基本维持在12～13 ℃,供回水温差约为5 ℃,二级泵变频调节效果较好。供水温度稍高于原设计温度(6.50 ℃)。

　　 由图15可知,全月地源侧供水温度基本维持在25～27 ℃,回水温度基本维持在30～32 ℃。地源侧运行工况优于设计工况,实际运行换热效果与二级泵调节均较为理想。

　　 对2019年7月1—31日全月能源系统运行数据分析可知,地源热泵系统全月累计供冷量为89.72万kW·h,累计耗电量为20.31万kW·h,能源系统平均性能系数为4.42。

　　 同理,对制热工况运行性能进行分析。运行时间为2019年11月15日08:00至11月19日12:00。主机运行模式为15,16日白天开启1台离心机,夜间不供能;17～19日白天开启1台离心机和1台螺杆机,夜间开启1台螺杆机。运行数据如图17～19所示。

　　 由图17可知,11月15—19日期间,负荷侧供水温度比较稳定,基本维持在45 ℃左右,回水温度维持在39～40 ℃,二级泵变频调节效果较好。

　　 由图18可知,11月15—19日期间,地源侧供水温度基本维持在12.0～13.5 ℃,回水温度维持在9.0～10.5 ℃,供回水温差约为3 ℃。

　　 不同运行模式系统性能见表8。由表8可知:

　　 1) 2019年11月15日08:00至11月19日

　　 12:00 期间,系统累计供热量为20.76万kW·h,累计耗电量为6.47万kW·h,主机平均性能系数为4.19,能源系统平均性能系数为3.21,系统运行性能水平较高。主机能耗占比为77%,循环泵能耗占比为23%。

　　 2) 15—16日离心机单独运行和17—19日夜间螺杆机单独运行时主机和系统性能系数较高。

　　 3) 17—19日白天1台离心机和1台螺杆机联合运行时,主机和系统性能系数较低,与平均值偏差较大,此时主机能耗占比达到80%。后续建议对多台主机联合运行工况进行优化调试,充分发挥系统节能效果。

　　 根据济宁文化中心监控数据分析及制冷性能现场检测评估,对项目整体情况汇总。

　　 1) 通过制冷工况测试可知,测试数据与智能自控系统监测数据一致性整体较好。

　　 2) 地源热泵系统供能运行稳定,系统整体性能系数较高,系统制热性能系数达到3.20,系统制冷性能系数达到4.40以上。国家空调设备质量监督检验中心近年对国内部分可再生能源示范项目(地源热泵)的检测结果为:地源热泵系统冬季性能系数为2.50,大部分项目在2～3之间;夏季性能系数为3.20,大部分项目在2.70以上 ^[4]。此外,与已发表的国内部分地源热泵测评项目相比 ^[5,6,7,8],该项目机组与系统冬夏季性能系数均明显高于国内平均水平。

　　 3) 系统供冷供热负荷侧供水温度与原设计温度均存在一定的偏差,建议后续对机组进行系统调试,直至达到设计工况。确保随着项目逐渐达产、负荷增大,保证末端供能效果。

　　 4) 通过对供热工况运行性能分析可知,建议对多台主机联合运行工况进一步调试,以达到设计初衷,充分发挥系统高效节能优势。

　　 5) 地埋管供冷工况运行效果较好,供冷能力大于原设计。

　　 6) 室外地埋管换热器支路间水力平衡较好。

　　 1) 对大型地源热泵项目,设计时需充分考虑项目低负荷工况运行情况。如热泵机组可采用“大小机组搭配”的方案,地埋管换热器可划分多个片区,根据负荷率实现分片区运行灵活调节。避免出现地埋管换热器只能“全开全关”“大马拉小车”等情况。

　　 2) 地埋管换热器作为永久性工程,为保证地源侧常年高效稳定运行,需重视地下岩土热平衡问题。根据不同的用能情景进行全年逐时动态负荷计算,兼顾不同的使用情况,提高可靠性,设置相应的辅助冷(热)源,提供完备的调节措施。

　　 3) 需重视地埋管换热器间水力平衡措施,充分发挥地源侧整体供能能力,可采用同程连接、设置阀门等方式。

　　 4) 地埋管换热器孔数较多时,建议在孔群集中分布典型区域设置地温监测孔。以地温数据作为地埋管与辅助冷(热)源、地埋管各片区间轮换的依据,充分发挥地源侧供能能力,避免出现某些片区负荷过载、地温失衡情况。

　　 5) 制热工况地埋管内循环水与岩土温差整体小于制冷工况。建议设计地埋管换热器时,制冷工况可适当提高地源侧供回水温差,制热工况应适当降低地源侧供回水温差。

　　 6) 地源热泵系统相比于常规系统的最大优势在于系统运行性能系数高、运行成本低,合理的运行策略对地源热泵系统显得格外重要,所以要重视从设计到检测、调试全过程。此外,项目运行后,要重视总结归纳负荷特点规律,进行系统再调试,调试应涵盖从低负荷到高负荷多种情景,包括单台主机运行、多台主机联合运行多种工况,不断优化完善运行策略,以最大限度发挥系统高效节能优势。