“十三五” 国家发展规划纲要提出全面推动能源节约、推进节水型社会建设、大力发展循环经济、积极应对气候变化、倡导勤俭节约的生活方式等经济社会发展任务,以降低能源资源消耗、提高能源资源利用效率为目标,扎实推进节约集约利用资源工作 ^[1]。地源热泵技术因节能环保、高效利用可再生能源等优势,越来越多地在公共机构中得到应用,成为提升公共机构可再生能源利用率、实现高效环保目标的重要技术手段。我国地源热泵技术从技术引进到大规模应用历经20多年,截至2018年,地源热泵项目应用建筑面积已超过5.7亿m^{2 [2]}。虽然地源热泵技术在国内应用已基本成熟,但由于目前公开发布的实际项目运行数据较少,行业内少数从业者仍对大型地源热泵系统应用效果存在质疑,对行业健康发展造成了一定影响 ^[3]。目前我国大型地源热泵项目由于缺乏科学统一的理论指导和经验参考,部分项目存在系统配置不合理、设计运行脱节、未充分考虑系统全寿命周期过程环节的问题,导致实际运行效果未达到设计预期 ^[4]。

　　 针对以上问题,本文以某医院大型地源热泵应用项目为例,通过方案制定、设计优化、动态模拟和现场运行测试,分析运行中存在的实际问题,总结大型地源热泵全过程设计和运行经验方法,为今后大型地源热泵系统研究和应用提供案例参考和数据支撑 ^[5,6]。

　　 山东省某医院新院区(见图1)包括4栋建筑:病房楼、门诊楼、传染病房楼、后勤综合楼,占地157 733 m²,建筑面积11万m²,项目总供能面积10.33万m²。该项目利用以地源热泵为主的能源系统为建筑提供冷热源。

　　 准确的负荷预测是进行地源热泵系统设计的必要基础。根据该项目各单体建筑的围护结构、室内设计参数、内部人员、灯光、发热设备的参数及供暖空调运行时间表、典型气象年室外参数,采用TRNSYS软件建立了建筑负荷预测模型,进行了全年动态逐时冷热负荷计算,完成了系统全年动态负荷、累计耗热量和累计耗冷量的分析,计算结果见图2。

　　 夏季空调设计冷负荷为9 000 kW,累计冷负荷估算为1 050万kW·h;冬季供暖设计热负荷为8 300 kW,生活热水调峰负荷为850 kW,累计总热负荷需求为825万kW·h。

　　 岩土热响应试验数据:岩土导热系数为1.623 W/(m·K),单位体积热容为1 890 kJ/(m³·K),初始温度为15.6 ℃。按照GB 50366—2005《地源热泵系统工程技术规范》(2009年版)附录B推荐的IGSHPA算法和ASHRAE手册推荐的简化算法,采用中国建筑科学研究院有限公司开发的Gs Lab软件对地埋管系统进行设计计算(见图3,4)。

　　 IGSHPA算法下制热工况所需钻孔长度为293 847.84 m,制冷工况钻孔长度为239 707.06 m;ASHRAE算法下制热工况所需钻孔长度为279 745.58 m,制冷工况钻孔长度为247 623.83 m。在考虑生活热水需求的条件下,热需求稍高于冷需求,按照热需求进行地埋孔配置。

　　 综合以上2个算法的计算结果,该项目设计钻孔长度为293 847.84 m。室外共设2 449个地埋管换热器,地埋管换热器有效换热深度为120 m,钻孔间距为4 m,孔径为150 mm,钻孔内设置单U形地埋管换热器,U形管公称外径为DN32。地埋管系统布置在项目区域地下,上部地面使用功能为人行道路、停车场、绿化区,布孔区域如图5所示。

　　 该项目采用DN32的单U形PE100管材作为地埋管换热器,为了实现有效的水力平衡,各支路钻孔之间采用异径、同程式并联连接,根据布孔区域不同,并联孔数为5～9个。项目所设的2 449个埋孔划分为A,B,C,D共4个分区,每个分区各设有4个子分区(A区:A1,A2,A3,A4;B区:B1,B2,B3,B4;C区:C1,C2,C3,C4;D区:D1,D2,D3,D4。共计16个子分区)。每个子分区分别设置一个分集水小室,各大区通过枝状管网将各分集水小室的管路连接汇总后,进入能源站,同时室外共布置5个测温孔。

　　 为保证同一支路各个地埋管换热器之间水力平衡,各个支路接入分集水小室后,在分集水器各支路回水侧均安装静态水力平衡阀,以保证各个支路之间水力平衡。各子分区由分集水器汇集入分区枝状管网,在枝状管网之间安装水力平衡阀门,以保证每个大区各个分支管网间水力平衡。根据各分区水力计算,选择地源侧输配泵,根据需要变频调节水泵流量。

　　 该项目地埋管系统排热量大于取热量,不平衡率约为110%,因此采用增设冷却塔的方式保证地下热平衡和系统的长年运行效果,并对系统进行了土壤温度10 a热平衡模拟。模拟结果如图6所示,土壤温度长年稳定。

　　 能源系统同时为项目供暖、供冷和生活热水需求提供相关冷热源,若采用地源热泵单一系统,将对热泵系统的可靠性、安全性等提出较高要求,考虑到不同建筑物的功能需求存在差异,且具备较好的太阳能资源和燃气条件,因此采用复合式地源热泵系统以满足区域供冷供热需求,一方面削减地源热泵的装机容量和埋孔数量,另一方面形成多种能源形式互连互通、灵活匹配、互相保障的耦合系统。因此,该项目采用地源热泵+太阳能+燃气锅炉(承担部分医疗等功能需求)+辅助冷源的复合式热泵系统。

　　 采用地源热泵为主的复合式能源系统,系统容量配置原则如下:

　　 1) 为满足建筑供冷供热负荷和末端温度需求,热泵机组供/回水温度,夏季供冷时为7 ℃/12 ℃,冬季供暖时为45 ℃/40 ℃;

　　 2) 热泵机组配置可实现在部分负荷运行时仍处于高效区,特殊负荷需求时仍可以安全运行;

　　 3) 热泵机组性能满足GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》的相关要求,且能够实现高效节能运行;

　　 4) 系统容量配置设计过程中充分考虑系统全寿命周期的经济性,能实现与辅助冷热源设备的灵活匹配,保障地源热泵系统冷热平衡;

　　 5) 负荷侧及地源侧循环泵均采用变频控制。

　　 系统仿真模拟是对复合式地源热泵系统进行分析的有效手段 ^[5],基于上述原则,采用中国建筑科学研究院有限公司开发的“公共机构多能源系统优化配置软件”,对能源系统的容量配置进行优化分析,软件模型如图7所示。

　　 该软件基于TRNSYS动态模拟软件进行开发,利用能源系统动态能耗模拟和最优化数学算法相结合的方式,以系统全寿命周期成本(整个寿命周期内,从能源系统建造开始到拆除为止,整个阶段消耗的初期建设、运行、维护管理等费用折算到现值之和减去可回收得到的费用现值)为优化目标,对系统容量配置进行优化模拟计算,容量配置优化路线流程见图8。

　　 初始设计按照一般工程经验配置系统容量,地源热泵系统按照冷负荷需求配置,承担60%的设计冷负荷,采用传统燃气锅炉和冷水机组进行补充,太阳能热水保障率按照60%的比例进行设计,此方案下,地源热泵机组总设计制热量为5 200 kW,总设计制冷量为5 400 kW,同时配置600 m²太阳能集热器用于产生生活热水,燃气锅炉用于补充供热和生活热水需求,同时配置总设计制冷量为3 600 kW的冷水机组,系统设计负荷承担情况如表1所示。

　　 根据初始设计方案条件信息,利用优化模拟软件进行容量配置优化,优化方案下地源热泵系统按照最大承担冷热负荷能力进行配置,承担100%的暖通空调系统设计冷热负荷和部分生活热水热负荷,太阳能光热系统承担主要生活热水热负荷,燃气锅炉仅作为保障使用。此方案下,地源热泵机组总设计制热量为8 300 kW+850 kW(配置用于保障生活热水),总设计制冷量为9 000 kW,同时配置1 386.9 m²太阳能集热器用于产生生活热水,燃气锅炉仅用于保障使用,系统设计负荷承担情况如表2所示。

　　 根据软件优化配置模拟计算信息,初始设计方案条件下系统年运行费用为26.10元/m²,系统可再生能源利用率达到36.63%,系统全寿命周期成本达到4 006.25万元。优化设计方案由于增加了地源热泵容量,同时提高了太阳能热水的应用比例,整体系统可再生能源利用率和能效有所提升,年运行费用约为22.86元/m²,可再生能源利用率达到50.82%,全寿命周期成本达到3 546.15万元,全寿命周期成本通过容量配置优化降低了11.5%。容量配置优化前后效益对比情况如表3和图9所示。随着热泵容量配比的逐渐增加,全寿命周期成本先快速降低,然后逐步趋于稳定。

　　 离心式机组容量较大且能效较高,以离心式主机为主能够保障系统设备数量较少,同时设置螺杆式机组,主要考虑其调节性能好,在单独生活热水供热和辅助空调供暖时均可增加系统的灵活性,避免“大马拉小车”。因此能源站机房内设置3台离心式水源热泵机组,热泵机组总额定制热量8.3 MW,制冷量9 MW;同时设置1台螺杆式水源热泵机组,用于生活热水制备,兼做空调供暖备用。冷却塔作为辅助冷源,保证地下岩土冷热平衡。燃气热水锅炉额定容量2.0 MW,工作压力1.0 MPa,供/回水温度80 ℃/60 ℃。屋顶设置太阳能集热器面积约1 386.9 m²(全玻璃真空集热管),作为生活热水的热源,当太阳能资源不足时,启动螺杆式地源热泵机组。项目地源热泵系统主要设备参数如表4所示。

　　 设计工况下,地源热泵系统热泵主机夏季供/回水温度为7 ℃/12 ℃,地埋管侧设计进/出水温度为35 ℃/30 ℃;冬季供暖供/回水温度为45 ℃/40 ℃,地埋管侧设计进/出水温度为3 ℃/8 ℃。空调水系统为二级泵系统,一级泵承担机房阻力定流量运行,二级泵变流量运行,在分集水器间设压差旁通阀。地埋管侧循环泵采用变流量系统,根据负荷需求调节,最低流量不低于机组允许流量下限。生活热水方面,优先利用太阳能集热器制取热水;当水箱内水温较低时,开启螺杆式地源热泵制热;系统制取生活热水能力不足时,采用燃气锅炉进行辅热,以保证生活热水水箱温度。

　　 系统工艺流程见图10。

　　 能源站机房内设有智能自控系统,对每台热泵主机、地源侧水泵、空调侧水泵、地源侧和空调侧各支路流量、地埋管分区地下岩土温度等实现常年实时监测、存储,并对热泵主机和水泵的实时运行状态、运行效率、设备能耗、负荷情况、系统能效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。此外,系统可根据末端负荷、设备运行情况等,实现无人值守、自动控制。

　　 自控系统设计阶段对热泵机组的运行控制逻辑进行了动态模拟分析,对比了用户侧供回水温差大于4,5,6,7 ℃作为热泵机组开启不同临界条件下系统的运行能耗模拟数据。图11显示了不同供回水温差条件下的系统能耗对比,可以看出,将供回水温差大于5 ℃作为控制条件时系统能耗最低,主要原因是该项目供冷供热建筑分布较集中,系统采取大温差时输配能耗减少量有限,最终导致整体系统能效不增反降。因此,在用户侧供回水温差大于5 ℃时开启第2台机组,此时2台机组联合运行,当用户侧蒸发器供回水温差大于5 ℃时开启第3台机组。当负荷降低时,若机组用户侧供回水温差小于2 ℃时关闭1台机组,以此类推。

　　 生活热水箱设置3组温度传感器,优先利用太阳能集热器的热水,当水箱中上层温度低于40 ℃时,开启螺杆式地源热泵机组制取生活热水,水箱中温度达到50 ℃时关闭,当水箱中温度持续较低时,启动热水锅炉进行辅助制热。

　　 螺杆式生活热水机组具备供冷供热能力,当遇到极端天气时,可开启螺杆式机组和3台离心式机组联合供能。

　　 变频循环泵从25%～100%的转速范围进行调节,热泵机组蒸发器最小水流量限值不低于设计流量的60%。

　　 国家建筑节能质量监督检验中心于2019年7月23—25日对该项目地源热泵系统的夏季性能进行了现场测试,于2020年1月6—8日对其冬季性能进行了现场测试。夏季性能测试过程中,根据系统的实际运行负荷,3#离心式热泵机组运行。用户侧循环水泵开启2台、源侧循环水泵开启1台。冬季性能测试过程中,根据系统的实际运行负荷,2#离心式热泵机组和4#螺杆式热泵机组运行,用户侧冷水泵开启1台、源侧循环水泵开启1台。

　　 现场测试的具体内容包括:室外温度测试和地源热泵系统性能测试。

　　 地源热泵系统性能测试主要包括:

　　 1) 源侧循环水供、回水温度;

　　 2) 用户侧循环水供、回水温度;

　　 3) 用户侧循环水流量;

　　 4) 离心式热泵机组耗功率(电压、电流);

　　 5) 用户侧循环水泵、源侧循环水泵输入功率;

　　 6) 地源热泵系统耗电量;

　　 7) 夏季测试地源热泵系统供冷量;

　　 8) 夏季测试冷源系统能效比(EER);

　　 9) 冬季测试热源系统能效比(EER)。

　　 地源热泵系统性能测试期间室外平均温度为36.0 ℃,最高温度为37.0 ℃,最低温度为34.9 ℃。

　　 集中空调冷源系统性能有效测试时段为2019年7月23日15:00—16:00,在测试工况条件下,医院地源热泵冷源系统平均能效比为4.92。热泵系统实际运行工况下的性能测试结果如表5所示。

　　 夏季测试时段内,地源热泵系统耗电功率为720 kW,系统供冷量为3 539 kW,冷源系统能效比(EER)为4.92,系统逐时制冷量及功率如图12所示。

　　 测试期间,地源热泵系统进出水温度如图13所示。

　　 地源热泵系统性能测试期间室外平均温度为1.8 ℃,最高温度为2.6 ℃,最低温度为1.3 ℃。

　　 系统性能有效测试时段为2020年1月7日10:00—11:00,在测试工况条件下,医院地源热泵热源系统平均能效比为3.30。热泵系统实际运行工况下的性能测试结果如表6所示。

　　 测试时段内,地源热泵系统耗电功率为663 kW,系统供热量为2 187 kW,热源系统能效比(EER)为3.30,系统逐时制热量及功率如图14所示。

　　 测试期间,地源热泵系统进出水温度如图15所示。

　　 另外,对地源热泵地埋管侧的6根分支总管流量进行测试,分析地埋管分区内各支路间水力平衡情况。测试得到,6根支路中流量最大为144 m³/h,最小为125 m³/h,支路间流量不平衡率为13%。

　　 采用系列模拟软件对地源热泵系统的运行情况进行了动态模拟仿真,对不同工况下系统的运行参数进行优化分析,并通过将动态模拟仿真的运行数据和现场实测数据进行对比,验证系统实际运行效果是否达到设计预期。

　　 以夏季工况为例,根据计算结果,在有效测试时间内,实测和模拟的冷水进出水温度如图16所示。有效测试时间内,系统测试水温和模拟计算水温差异较小、且变化趋势一致。

　　 在7月23日,地源热泵系统制冷量和耗电量的变化如图17,18所示。从图中可以看出,实测制冷量和模拟制冷量变化趋势基本一致,且系统耗电量和变化趋势也基本一致。

　　 现场测试持续了2 d,为进行更长时间周期的系统分析,笔者将现场监测系统中7月23—29日完整的一周运行数据通过与测试数据校准后进行分析。在系统运行一周内,实际运行耗电量为44 150.4 kW·h,模拟计算耗电量为40 817.0 kW·h,实测与模拟计算结果较接近,差异较小,误差为7.55%,实际运行情况和模拟仿真情况一致性较高,达到设计预期。

　　 根据测试结果可知,夏季工况下地源热泵系统的EER达到4.92,冬季工况下地源热泵系统EER达到3.30,处于较高水平。同时系统源侧各支路不平衡率未超过15%,整体运行平衡较合理,系统整体运行能效达到设计预期效果。

　　 该项目地源热泵系统能效高,主要原因是从方案、设计、运行等阶段进行了全过程的优化,将地源热泵和太阳能系统进行耦合,用动态分析手段保证地源热泵系统设计合理、容量配置科学、运行策略经济;同时该项目采用了性能更高的10 kV高压热泵机组,实现了较好的运行效果。但由现场测试工作和实际运行情况可知,设计运行过程中存在一些问题:

　　 1) 夏季和冬季常规运行的离心式热泵主机均为1台,低于设计配置的离心式热泵主机数量;

　　 2) 目前夏季1台主机运行时,2台用户侧水泵和1台源侧水泵联合运行,未实现设备的一对一匹配。

　　 造成上述问题的主要原因是医院目前使用率偏低,测试期间因医院门诊、病房人员较少,病房楼床位未满且部分楼层未开放使用,所以整体负荷较低,运行时仅启动1台热泵主机即可满足制冷制热需求,只有当医院实际使用率达到设计工况,系统设备运行才能实现设计预期,且目前系统未实现完善的智能化调度控制,导致系统主机和水泵的开启主要以手动控制方式进行。该项目具备进一步提升运行效果的潜力,后期可通过进一步现场运行调适和自控系统的升级优化,以实现更高的系统能效和更灵活的系统调度 ^[7,8]。

　　 1) 通过科学完整的全过程设计、运行、测评方法,实现了较高的系统能效目标,夏季工况下地源热泵系统的EER达到4.92,冬季工况下地源热泵系统EER达到3.30。

　　 2) 应进一步开展不同负荷调节下的现场检测和系统监测工作,及时发现问题、解决问题,通过系统调适和优化控制系统的方式,提升系统运行经济效益和能效水平。

　　 3) 结合运行实际效果,大型地源热泵系统可优先考虑与太阳能等可再生能源辅助形式相结合,通过多能耦合的方式实现更高水平的节能目标。

　　 4) 应用动态负荷模拟计算的方式能够有效保障地源热泵系统设计的合理性,实现地下岩土冷热平衡,保证系统高效稳定运行。

　　 5) 大型复合式地源热泵系统在设计时,应充分考虑系统经济性,采用动态模拟手段对系统容量配置进行优化,有利于实现系统科学合理的容量配置和长年高效运行。

　　 6) 大型地源热泵应开展全过程的分析优化,从工程设计、运行测试、仿真分析、后评价等各个阶段,保障项目的实施效果。