国务院2001年颁布的《关于基础教育改革与发展的决定》中强调要确立基础教育在社会主义现代化建设中的战略地位,坚持基础教育优先发展 ^[1]。我国北方地区中小学校供暖问题受到高度重视,改善农村中小学校等公共建筑供暖设施的“两热一暖一改”民生工程正在如火如荼建设中,其中的“一暖”即指为农村中小学校配备供暖设施,解决冬季供暖问题 ^[2]。

　　 笔者通过文献调研发现,我国北方地区中小学校冬季供暖不论是在舒适性还是在节能性上都存在诸多不足,优化空间非常大。笔者通过查阅文献对我国北方城市、北方农村、西北农村及一些欧洲国家中小学校供暖情况进行了深入调研,发现都存在供暖能耗高、室内舒适性差的问题,甚至农村地区的中小学校还存在安全隐患,具体调查结果见表1。

　　 从表1可以看到,我国北方地区中小学校的燃煤供暖模式在难以保证室内舒适性和安全性的同时还耗费大量能源,在化石燃料紧缺、北方环境污

　　 染严重的时代背景下,采用舒适、安全、清洁、节能的供暖模式是大势所趋。

　　 随着供暖技术的发展,供暖模式如雨后春笋般发展起来,不同供暖模式各有利弊,笔者通过文献调研总结对比了4种常见供暖模式的优势和弊端,如表2所示。

　　 通过表2的对比分析可以发现,热泵供暖比较符合舒适、安全、清洁、节能的时代要求。随着水电、风电、核电等可再生能源发电技术的飞速发展,电驱动热泵供暖必将占据未来较大的供暖市场份额。

　　 虽然电驱动热泵用于我国北方地区中小学校供暖是未来趋势,但在实际运行中它还存在很多典型问题,阻碍了其推广应用。本文以电驱动地源热泵系统用于青岛市中小学校供暖的实际项目为例,总结典型问题,分析本质原因,提出定性解决思路,旨在提高电驱动热泵系统用于我国北方地区中小学校供暖的实用性和增强其优越性。

　　 笔者于2018年3月16—20日对青岛市2所小学(文中以小学A和小学B代称)进行了实地调研和测试,测试期间处于末寒期,室外环境温度为3～10 ℃,相对比较暖和,供暖负荷较小。青岛市属于寒冷地区,供暖时间为每年的11月16日至次年的4月5日,共141 d。2所小学均使用电驱动地源热泵系统供暖,其系统简图分别见图1,2。

　　 小学A建筑面积29 060 m²,供暖面积23 780 m²,地上共5层,地下1层,供暖热源为1台地源热泵机组和10台空气源热泵机组;小学B建筑面积15 000 m²,地上共5层,地下2层,供暖热源为2台地源热泵机组。2所小学的供暖水系统均采用两管制一级泵变流量系统;末端教室和办公室均采用风机盘管加新风形式,新风经过吊顶热回收式新风换气机回收部分排风热量后送入室内。

　　 2所小学校供暖系统的热泵和主要水泵额定参数分别如表3,4所示。根据额定装机容量计算得到小学A和小学B的装机指标分别为53.7 W/m²和76.7 W/m²,装机指标偏大。

　　 中小学校供暖的最大特点是供暖需求为间歇性的,与居住建筑连续稳定供暖不同,它仅需在工作时间供暖,夜间、假期都不需要供暖,供暖系统的运行管理相对复杂,对系统控制提出了很高的要求。

　　 中小学校供暖季耗热量指标低,但热负荷差异大,原因是:中小学校实际供暖时间较短、寒假不需要供暖;教室人员、灯光、设备产热量大,使得中午、下午室内热负荷非常低甚至为冷负荷,但由于夜间自然蓄冷及室内产热延迟,早上及上午热负荷较大,因此一天内热负荷差异较大。

　　 教室人员密度高,新风需求量大,新风负荷大。但实际上大多数新风系统难以满足学生需求,而上课期间新风不足容易导致学生乏困,因此学生习惯在课间开窗自然通风,这样容易导致课间教室内温度波动较大。因此,中小学校合理供给新风显得尤为重要。

　　 中小学校供暖具有间歇性,运行管理复杂,而学校一般缺乏专门的管理人员,因此运行管理问题严重——在无供暖需求的时段大量耗热。例如,小学A在夜间和周末学校没有人的情况下仍然保持白天的开机模式。图3显示了小学A 19日(周一)11:00至20日(周二)11:00的逐时耗热量,可以看到,在周一16:00到周二07:00期间热泵依然同白天一样正常制热,其间制热量占全天制热量的57%(如图4a所示)。同样的问题在小学B也存在,图5所示为小学B 19日(周一)07:00至20日(周二)07:00的逐时耗热量,可以看到,虽然相比小学A有所好转,但放学时段耗热量占比仍然达到38%(如图4b所示)。

　　 除了周一至周四的放学时段,周末也有大量耗热量,以小学A为例,图6显示了16日16:00(周五放学)至19日07:00(周一上学)整个双休日的耗热量,可见双休日仍然保持周中运行策略,经计算每个双休日制热量约为11 720 kW·h,平均每天制热量为4 453 kW·h,与工作日每天的制热量4 981 kW·h基本一致,说明双休日相对于周中并没有相应调整控制策略。

　　 中小学校寒假不需要供暖,因此其实际尖峰负荷应较低。但实际项目中,一方面由于负荷设计偏大,另一方面机组选型不合理,导致装机容量偏大。例如,小学A和小学B装机指标分别为53.7,76.7 W/m²,实际运行中几乎有一半容量的热泵常年停用。中小学校热负荷波动幅度大,再加上单台热泵装机容量大,使得热泵机组长期处于低负荷率运行状态,或频繁启停。负荷率过低导致机组运行性能降低,频繁启停不仅电耗高,而且对机组损伤大,降低机组寿命。

　　 图7显示了小学A 19日(周一)11:00至20日11:00热泵回水温度变化情况,可以看到:该机组在24 h内启停了21次,上学时段启停周期为78 min,启停比为61.5%;放学时段启停周期为66 min,启停比为47%。全天平均COP仅为3.89,低于额定值4.58。

　　 图8显示了小学B 19日(周一)12:00—24:00机组回水温度的变化情况,可以看到,小学B热泵机组的运行问题比小学A更严重,启停周期为38 min,启停比约为50%。热泵机组平均COP低至2.35,远低于额定值3.76。

　　 水系统输送系数小的问题普遍存在于很多实际工程中,对于运行管理较差的中小学校来说更为突出,如表5所示,小学A用户侧和热源侧输送系数分别为11.6和14.5。根据输送系数的计算公式(见式(1))可知输送系数的决定因素为输送温差ΔT、水泵效率η和水泵扬程h。

　　 $W{\rm T}F=\frac{Q{}_{\text{c}}}{W}=\frac{cm\text{Δ}{\rm T}}{\frac{mgh}{1000\eta }}=\frac{1000c}{g}\times \frac{\eta \text{Δ}{\rm T}}{h}(1)$

　　 式中 WTF为水系统输送系数;Q_c为输送热量,kW;W为水泵电耗,kW;c为水的比热容,kJ/(kg·K);m为质量流量,kg/s;g为自由落体加速度,m/s²。

　　 根据式(1),可以从输送温差ΔT、水泵效率η和水泵扬程h这3个关键因素入手分析输送系数小的原因。由表5可见,小学A热泵两侧输送温差分别只有2.2,2.8 K,相比设计值5 K低很多。如图9所示,2台水泵的流量都远低于额定值,效率较低。

　　 这些问题在小学B表现得更为严重,地热源侧水泵实际流量仅为额定流量的1/4,在这种情况下输送温差仅为1.5 K。导致这一问题的根本原因在于系统设计阶段水泵选型不合理,而在实际运行过程中,又缺乏变频调节和台数调节的条件和策略。为了避免流量过大,在实际运行中只能采用关小阀门的手段进行调节,导致系统阻力偏大的同时,水泵工作点左偏严重,水泵效率降低。针对这一问题,建议更换与系统相匹配的水泵并加装变频器,全工况下进行水泵台数和频率匹配调节,保证较大的输送系数。

　　 实际工程中,往往由多台热泵并联为建筑供暖,运行中多采用台数控制,仅开启部分热泵运行。这种情况下容易出现热泵关闭后水阀开启,导致旁通混水现象,进而造成能源品位浪费和输送能源浪费。如图10所示,小学A配置的10台空气源热泵与1台地源热泵并联运行。在实际运行过程中,10台空气源热泵从未开启,但其阀门和水泵保持开启。一方面,空气源热泵机组单独配置水泵,水泵电耗增加;另一方面,48.1 ℃的回水经地源热泵加热到50.2 ℃再与旁通水混合达到49.7 ℃后送至末端,降低了供水温度,降低了能源品位。

　　 图11显示了小学B的实际运行情况。小学B旁通混水问题更加严重,热泵1,2未投入使用,但其蒸发器和冷凝器旁通流量分别达到64%,48%,增加输配电耗的同时降低了供水温度,也降低了能源品位。

　　 另外,由于空气源热泵安装在室外,所以空气源热泵旁通还会导致漏热损失。以青岛市某空气源热泵系统为例,如图12所示,4台空气源热泵(编号热泵1～4)并联,其中热泵1和热泵2处于停机状态,46.5 ℃的回水通过热泵1和热泵2漏热后温度分别降低0.4 ℃和0.3 ℃,通过计算发现漏热量占到热泵3和热泵4制热量的20%。

　　 建筑供暖的最终目的是保证舒适的室内环境,而就文献和实地调研情况来看,现在中小学校室内环境不佳。温度是最重要的环境参数,控制室内温度也是供暖的主要目的,但是由于水力不平衡、部分负荷下热泵频繁启停、开关门窗导致局部渗风等引起过冷或者过热的问题。图13显示了2018-03-19T14:00—16:30期间抽测小学B 1～3层各1间教室得到的温度变化情况,可以看到,3层教室温度整体比2层教室高2～3 ℃,而1层教室温度波动非常大。

　　 除此之外,由于中小学校建筑内人员密度高,空气新鲜程度(用CO₂浓度反映)也是非常重要的控制参数,但常常由于新风供给不足导致空气污浊,或者学生主动开窗自然通风导致室温波动明显。图14显示了小学A某教室2018-03-19T 12:00—17:00期间温度和CO₂体积分数的变化情况,可以看到,二者变化趋势一致,主要是因为该小学新风系统并未开启,新风全靠开窗自然通风提供。中午窗户开度小,教室温度上升的同时CO₂浓度上升,下午开窗通风,CO₂浓度下降,室温也随之下降。由于该小学教室末端采用的是风机盘管形式,室内温度极易受到开窗干扰,若更改为辐射供暖形式则会有所好转。在更寒冷的时候,教室温度和新鲜空气之间的矛盾会更大,必然不能同时满足,因此,该小学的室内环境控制还存在很大的问题有待解决。

　　 前面对小学A和小学B供暖系统存在的典型问题分别进行了整理和分析,下面从更宏观的角度总结这些典型问题并思考主要矛盾。

　　 笔者将这些典型问题分为2类:一是供暖系统普遍存在的系统问题,比如输配能效比低,其具体原因包括水泵的设计选型不合理导致水泵效率低及部分负荷下水系统大流量小温差运行,直接原因在于控制策略和运行管理太差,这类问题可以通过优化控制与加强管理来改善。另外,若考虑使用蓄热系统,那么热泵两侧水系统均可以一直保持恒定工作状态,很容易保持高效;用户侧水泵则根据需求进行台数和频率的匹配调节,以扩大调节范围、保证输配能效比。二是由于没有充分考虑到学校的负荷特点导致设计和运行不合理,比如机组频繁启停及低负荷率下运行导致COP偏低、多台热泵并联时未开启热泵旁通混水等问题,其根本原因在于供应侧和需求侧的不匹配,用户需求随天气、假期、学生活动等因素时刻变化;而供应侧(热泵)提供的热量可变范围非常小(若要保证高效运行可调范围更小),且难以与用户需求实时匹配。要解决供需两侧间的耦合问题可以引入蓄热系统,既作为热泵供应的“需求侧”,以供定蓄,又作为用户需求的“供应侧”,以需定供。因此,结合热泵蓄热技术是一条好的思路。另外,还有室内环境保障的问题,主要是室温控制与新风供应之间的矛盾,根据前面的分析,采用辐射供暖结合自然开窗通风的方式是否更适合中小学校的负荷特点,也是一个值得深入分析的方向。

　　 保证环境舒适是建筑供暖的目的,在此前提下实现低能耗、高能效是进一步的追求和目标。就实测2所中小学校的情况来看,在实际运行过程中既没有达到环境舒适的要求,也没有达到节能的目标,而且通过文献调研发现这种情况是普遍存在的,各个中小学校供暖系统存在的问题大同小异。因此,笔者希望以小学A和小学B为案例,通过上面的总结分析和初步思考,为今后进一步通过模拟、实验等方式提出适用于我国北方地区中小学校的供暖系统方案,解决我国北方地区中小学校供暖存在的普遍问题,提高舒适度、降低供暖能耗提供参考。