豫北某項目地源熱泵中央空調冷熱源方案建議

文／秦圣權 安徽華冶新能源科技有限公司 安徽合肥 230000

引言：

近年來，隨著我國社會經濟的發展及人民生活水平的不斷提高，建筑中用于供暖和制冷的能耗比重顯著增加。地源熱泵系統在建筑熱舒適度得到改善的條件下降低建筑耗能，減輕大氣污染，已經越來越受到關注。本文以河南省安陽市游客集散中心為例，對中央空調冷熱源進行方案比選，最終確定采用地源熱泵空調系統。

1.項目概況

安陽市游客集散中心項目位于河南省安陽市白璧鎮龍山大道與新安路交叉口西南，占地面積為21781.2m2。項目規劃總建筑面積72533.37m2，其中1-2 層為商業，3-9 層為辦公，地上供能面積42764.93m2。其夏季冷負荷為5542kW，冬季熱負荷為4068kW。

2.中央空調冷熱源方案

根據項目自身建筑特點和周邊可利用的能源資源條件等情況，本項目可采用的中央空調冷熱源方式主要有以下三種方案：

方案一：集中供暖+冷水機組系統；

方案二：燃氣鍋爐+冷水機組系統；

方案三：地源熱泵+空氣源熱泵系統。

由于以上三種方案從熱力站到末端系統的管網和室內內末端系統基本一致，這里不做比較。以下僅對制冷供熱能源站房和室外系統比較。

2.1 集中供暖+冷水機組系統

集中供暖+冷水機組系統即冬季采用市政供暖，夏季采用三臺螺桿式冷水機組制冷，需安裝兩套系統。

（1）根據當地集中供暖政策，初投資包含以下費用：

①城市基礎設施配套費（集中供熱部分）為30 元/m2，需128.3 萬元。該費用由熱力公司一次性收取。施工范圍：城市熱力管網起至用熱小區進院一米處。

②項目內部管網工程建設費：根據工程項目經驗，站前一級網、熱力站：30 元/m2。包含從熱力公司提供的熱力接口到熱力站的供熱管網、熱力站的站內設備安裝、站房建設等。需128.3 萬元。

③夏季空調制冷系統，造價約80元/m2，需342.1萬。

以上可知，集中供暖+中央空調系統共計投資約598.7 萬元。

（2）集中供熱使用時按熱力公司規定的時間使用，當冬季提前或停暖后出現倒春寒時，無法滿足供暖要求。夏季制冷機需要在屋頂配套安裝冷卻塔。換熱站、制冷站需要500m2。

（3）運行費用估算：

冬季供暖38.4 元/m2，計164.8 萬元；

夏季制冷20 元/m2，計85.8 萬元；

全年運行費用250.6 萬元。

2.2 燃氣鍋爐+冷水機組系統

冷熱源采用“燃氣鍋爐+冷水機組”系統形式，冬季采用燃氣鍋爐供暖，夏季采用螺桿式冷水機組制冷，需安裝兩套系統。

（1）燃氣接口費+施工費按30元/m2，需128.3萬元；燃氣鍋爐、煙囪、泄爆等投資需180萬元，合計308.3萬元。

（2）夏季空調制冷系統建設與方案一相同，造價約80 元/m2，需342.1 萬。

以上可知，燃氣鍋爐+冷水機組系統共計投資約650.4 萬元。

（3）燃氣鍋爐需要單獨設鍋爐房，需要采取泄爆措施，煙囪出屋面，必須采用低氮排放鍋爐，可能存在氣荒，燃氣價格上漲。夏季制冷機需要在屋頂配套安裝冷卻塔。鍋爐房、制冷站需要1000m2。

（4）運行費用估算：

冬季供暖48 元/m2，計205 萬元；

夏季制冷20 元/m2，計85.8 萬元；

全年運行費用合計290.8 萬元。

2.3 地源熱泵+空氣源熱泵系統

在大型公共建筑中采用復合式地源熱泵系統制冷、供暖符合國家節能環保方面的要求，但是熱物性測試以及建筑動態負荷計算對于大型建筑地埋管地源熱泵系統穩定高效運行尤其重要[1]。

2.3.1 地埋管換熱器埋管量設計

計算原則

項目夏季冷負荷為5542KW，冬季熱負荷為4068 KW，夏季冷負荷大于冬季熱負荷，夏季空調制冷時間相對采暖時間相對較長，因此夏季的累計散熱量大于冬季累計吸熱量。這樣，勢必引起恒溫帶溫度發生改變。土壤溫度每升高1C，取同樣冷量時能耗增加3%～4%。如果處理不當，5 年或10 年后的溫升會較高，造成系統運行情況明顯惡化[2]。在設計地源熱泵系統時,冷熱負荷的不平衡程度對系統的設計有重要的影響。為保證地源熱泵系統在長期運行當中能有足夠的制熱(或制冷)能力,在系統設計選擇時應力求減小冷熱負荷的不平衡程度。否則,可考慮采用混合系統[3]。由此本項目設計地埋管的數量（換熱量）滿足冬季取熱量即可，保持夏季的排熱量基本接近冬季取熱量，多余的冷熱量采用風冷熱泵作為輔助冷熱源。

考慮到室外地埋管施工場地的限制，最多可布置地埋管換熱器數量約500 口。只能就現有場地進行冷熱源設備選型的倒推復核。根據《安陽市游客集散中心場地淺層地熱能勘查報告》，群井換熱量冬季取值為41.8W/延米，群井換熱量夏季取值為58.75W/延米。

（1）單井按孔深150m,場地可布置的地埋管換熱器數量約500 口，冬季制熱工況地埋管換熱器所能承受的最大設計熱負荷如下：

Q2=Q2'×[1-（1/COP2）]——式1[4]；

Q2——冬季對土壤的吸熱量，KW；

Q2'——冬季設計熱負荷，KW;

COP2——設計工況下地源熱泵主機的制熱性能系COP=5.0。

Q2'=Q2/[1-（1/COP2）]=150＊500＊41.8/[1-（1/5）]/1000=3919KW。

與項目冬季熱負荷4068KW 相比，還有149KW 缺口，由空氣源熱泵補充。

（2）夏季制冷工況下地埋管換熱器所能承受的最大設計冷負荷如下：

Q1=Q1'×[1+（1/COP1）]——式2

Q1——夏季對土壤的放熱量，KW；

Q1'——夏季設計冷負荷，KW；

COP1——設計工況下地源熱泵主機的制冷性能系數COP=6.0。

Q1'=Q1/[1+（1/COP1）]=150＊500＊58.75/[1+（1/6）]/1000=3777KW

注：①夏季運行工況為：25℃/30℃；

②冬季運行工況為：10℃/5℃。

（3）夏季制冷工況下地埋管換熱器所能承受的最大設計冷負荷（根據工程經驗，考慮1.2 倍的突然熱不平衡自恢復系數，夏季換熱量取值按冬季取值的1.2 倍計）如下：

Q1'=Q1/[1+（1/COP1）]=150＊500＊41.8＊1.2/[1+（1/6）]/1000=3225KW。

500 口地源井夏季所能承受的最大冷負荷為3225 KW。與項目夏季冷負荷5542KW 相比，還有2217KW缺口，由空氣源熱泵補充。

2.3.2 機房系統設計及運行模式

（1）機房設計Q 冷=1345KW，Q 熱=1380KW 螺桿式地源熱泵主機3 臺，Q 冷=130KW，Q 熱=140KW模塊式風冷熱泵主機18 臺。配置相應的水泵、配電自控系統等。

（2）運行配置原則

運行策略制定原則及優先順序為：①滿足負荷需求；②保證土壤源熱泵機組有效利用及土壤的熱平衡；③盡量保證主機在高效區間運行。

（3）夏季制冷運行模式

由于3 臺地源熱泵主機配置夏季最大出力需控制在3225kW，其余冷負荷部分由18 臺空氣源熱泵補充，可以滿足夏季100%負荷需求。在60%負荷工況及以下，3 臺螺桿式地源熱泵機組單獨運行即可滿足全天負荷需求。

（4）冬季供熱運行模式

由于3 臺地源熱泵主機配置冬季最大出力控制在3919kW，基本滿足冬季的使用，不足的熱負荷部分可由其中1～2 臺空氣源熱泵補充，可以滿足冬季100%負荷需求。在96%負荷工況及以下，3 臺螺桿式地源熱泵機組單獨運行即可滿足全天負荷需求，空氣源熱泵基本可以不做輔助，最大程度利用地源熱泵的冬季節能特性。

2.3.3 地源熱泵+空氣源熱泵系統管網機房工程概算

（1）室外部分：包括垂直井、檢查井施工、水平管連接，施工費按100 元/m2，需427.6 萬元。

（2）機房部分：設備采購施工費按80 元/m2，需342.1 萬。

室外地源側+機房側總造價概算為769.7 萬元（不含室內末端及自動控制的投資）。

2.3.4 運行費用計算

（1）冷熱負荷分布天數

供冷時間每年5 月15 日至9 月15 日，供暖時間為每年11 月15 日至次年3 月15 日，供暖、供冷天數均為120 天。每天運行時長按12 小時估算。

表1 冷熱負荷分布天數表（參考鄭州地區）

（2）運行費用計算公式

①熱泵運行費用計算

熱泵運行費用=熱泵額定功率×運行時間×負荷系數×電價；

②循環水泵運行費用

循環水泵運行費用=水泵額定功率×運行時間×負荷系數×電價；

③冷水機組運行費（萬元）

冷水機組運行費用=機組額定功率×運行時間×負荷系數×電價。

（3）運行費用計算結果

地源熱泵系統+空氣源熱泵系統運行費用（按每天運行12 小時計算）。

表2 全年運行電費計算表

夏季運行電費799464 元，折合面積18.6/m2,冬季運行電費704531 元，折合面積16.5/m2。

綜上，地源熱泵+空氣源熱泵系統工程造價為769.7萬元，全年運行費用150.2 萬元。

2.4 三種冷熱源方案對比分析及建議。

從表3 可以計算出，雖然地源熱泵+空氣源熱泵系統初始投資分別比其它兩個方案分別多出92.3 萬元和144 萬元；但是年運行費用與其它兩個方案相比均顯著減少，分別減少140.6 萬元和100.4 萬元。此外，地源熱泵+空氣源熱泵系統機房面積比燃氣鍋爐+冷水機組節約500 m2。

表3 冷熱源方案投資、運行對比分析表

綜合投資和運行費用，本項目空調冷熱源方案建議優先選用地源熱泵+空氣源熱泵系統。

3.供熱節能效益及主要能耗指標分析

3.1 本地區供熱能耗現狀

每供1 度電可按消耗標準煤0.307kg 計算。

3.2 年運行電費電能與標準煤能耗計算

將用電量折算成一次能源（標準煤），即標準煤消耗量=消耗電量（度）×0.307（kg）。

3.3 燃料與標準煤能耗計算

我國規定1kg 標準煤的發熱量為7000 大卡，燃氣鍋爐所用的燃氣熱值（在運行費用計算假定）為8500 大卡，可以將消耗的燃氣量折算成標準煤，即標準煤消耗量=燃氣消耗量×燃氣熱值（8500 大卡）/標準煤熱值（7000大卡）。

3.4 標準煤能耗計算

地源熱泵系統+空氣源熱泵方案：年能源消耗量電235 萬度，折合標煤720.2 噸；燃氣鍋爐供暖+冷水機組供冷方案：年能源消耗量電235 萬度，燃氣555060 Nm3，折合標煤1085.4 噸。

經比較計算，地源熱泵系統+空氣源熱泵系統相比于燃氣鍋爐+冷水機組系統每年節約365.2 噸標準煤。

4.環境保護分析

由第三章知，地源熱泵系統+空氣源熱泵系統相比于燃氣鍋爐+冷水機組系統每年節約365.2 噸標準煤。根據當地標準煤的參考相關污染物排放標準[5]計算如下：

（1）二氧化碳減排量（噸/年）按以下公式計算：

2.66－標準煤的二氧化碳排放因子，無量綱。

（2）二氧化硫減排量（噸/年）按以下公式計算：

0.02－標準煤的二氧化硫排放因子，無量綱。

（3）粉塵減排量（噸/年）按以下公式計算：

0.01－標準煤的粉塵排放因子，無量綱。

（4）氮氧化物減排量（噸/年）按以下公式計算：

0.0375－標準煤的氮氧化物排放因子，無量綱。

由3.4 得知，地源熱泵系統+空氣源熱泵系統相比于燃氣鍋爐+冷水機組系統每年節約365.2 噸標煤。由此得出CO2減排量971.4 噸/年，SO2減排,7.3 噸/年，粉塵減排量3.7 噸/年，氮氧化物減排量13.7 噸/年，環境效益顯著。

5.結論與建議

本項目采用地源熱泵+空氣源熱泵形式能夠滿足用能需求，為改善居民生活和環境質量的提高創造了條件，具有節約能源、減少污染、改善環境等顯著社會效益和一定的經濟效益。從技術上和經濟上都是可行的。

（1）冷熱源方案采用地源熱泵系統，系統投資建成運營后，政府會有一定的資金補助，符合國家及地方綠色節能及“碳達峰、碳中和”政策。

（2）機房位于地下二層且空間有限，且部分消防管線已施工，建議施工時優化施工工序，保證施工空間的有序化，并注意對各個設備的保護。

（3）因地埋管位于單體建筑外的空余場地內，對施工進度有一定的影響，必須在室外雨污水、管綜管網施工前進行地埋管施工，以防對施工進度及竣工交付造成影響。

（4）只有加強系統優化設計、施工質量以及后期運行管理進行全過程控制，才能更好的保證地源熱泵系統的長期有效節能運行。