引言

建筑節能和環保是貫徹可持續發展戰略的重要組成部分，而建筑能耗又以暖通空調能耗為主，它們占建筑總能耗的 30%~50%,在采暖和制冷過程中，同時伴隨著大量的有害氣體和熱污染排入大氣，惡化環境。地源熱泵屬可再生能源，具有節能環保的優點，在實際工程中的應用也越來越多。煙臺市作為全國可再生能源示范城市，出臺相應的補助政策，鼓勵可再生能源應用。本文以實際工程為例，探討地源熱泵技術在煙臺地區公共建筑中的設計及應用。

1 工程概況

本項目為煙臺地區某研發培訓基地工程，由1 # 專家公寓、2# 餐廳、3# 專家公寓三棟建筑組成，各建筑結構特點及功能分布情況見表 1.

2 設計參數及動態負荷模擬

2.1 室內外設計參數依據現行的 GB50736- 2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》，室內外的設計參數見表2、表 3.另外，煙臺地區逐時干球溫度和日平均干球溫度間見圖 1、圖 2.2.2 動態負荷計算與分析2.2.1 動態負荷模擬計算本工程中采用 HDY- SMAD空調負荷計算及能耗分析軟件進行全年動態負荷的模擬計算，為后續的設計工作提供更為準確的數據。在全年動態負荷計算中根據房間功能特性按照公共建筑節能標準對“人員”“、照明”和“設備”進行分項設置，以照明為例進行說明，見圖 3、圖 4.

2.2.2 模擬結果分析通過模擬計算得到結果見圖 5~8.

分析圖 5~8 可得出結論：

1. 季節性能耗曲線分布圖的變化趨勢與全年能耗曲線分布圖變化趨勢相一致；

2. 空調設計最大冷熱負荷約為 270kW、250kW.

3. 建筑物供冷和供熱在 1 00%、75%、50%和 25%負荷下的時間分別占總時間百分比約為5%、20%、55%和 20%.

4. 全年制冷能耗總量為 271 275.55kW·h,制熱能耗總量為 285274.1 7kW·h,全年冷熱能耗不平衡率<5%,基本能夠滿足地源熱泵系統要求的冷熱均衡問題。

3 空調系統設計方案

本項目采用垂直地埋管地源熱泵空調 + 地板輻射進行供冷和供暖。為保證系統冬季采暖效果，建筑單體內空調房間及衛生間內部均設置地板輻射采暖系統。

3.1 冷熱源設備如圖 5~8 所示，該工程采用 3臺小型地源熱泵機組 AQSW0412- NR,其中 2 臺為空調用，1 臺為生活熱水用。單臺機組制冷量 132.8kW,功率 24.8kW,單臺機組制熱量 135.3kW,功率 32.8kW,制冷工況下冷凍水進出水溫度 12/7℃，地源側進出水溫度25/30℃；制熱工況下熱水進出水溫度 40/45℃，地源側進出水溫度 10/5℃。

3 臺機組均可通過閥門轉換為空調用及生活熱水用，地源側地埋管均可通過閥門轉換為空調用及生活熱水用?？照{側和地埋側系統均采用定壓膨脹罐+ 補水泵補水定壓，補水均為軟化水。

3.2 室外土壤換熱系統因地制宜是土壤換熱器設計的重要原則，在特定條件下設計特定方案才是最優化設計方案。本項目周圍僅有一定的綠化及停車場面積可供地埋管使用，設計方案中采用垂直雙 U形埋管的方式，布置在綠化和停車場下靠近機房的位置。因為垂直埋管深度較深，一年四季相對恒溫，?。ㄉⅲ崮芰^土壤淺層大、換熱能力強，通常是土壤淺層的 5 倍以上，所需占地面積較小。此外，室外鉆井按同程形式布置，不僅保證系統水力平衡，而且單個熱源井回路的故障對整個系統不會造成嚴重影響。

本設計采用垂直埋管系統。由專業廠家對項目區域進行地質勘查， 并進行土壤的熱物性測試。根據地質結構情況、測井資料以及區域地質和水文條件工程設計垂直鉆孔深度設計為 100m.根據相關規范并結合區域內相關項目經驗，本方案設計埋管間距為 4m×4m,采用雙 U型管土壤換熱器，鉆孔直徑孔徑 φ=150mm.

在室外埋管設計中每 6眼井連接成一路，每 4路連接到一個地埋管換熱器供 1 臺地源熱泵機組使用，連接 3 臺地埋管換熱器的分集水器均可通過閥門轉換，以平衡地下土壤源溫度。

4 地源熱泵空調系統與 VRV 空調系統經濟性比較與分析

由于該項目所處區域沒有城市集中熱源，所以在項目設計初級階段主要考慮地源熱泵空調系統和 VRV空調系統兩種方式?，F將地源熱泵系統和VRV空調系統進行初投資和運行費用方面的比較。初投資比較見表 4.

根據煙臺地區相關數據空調年供冷運行時間約為90d 小時，年供熱運行時間約為 150d.根據圖6~ 8,供冷和供熱在 1 00%、75%、50%和 25%負荷下的運行時間分別占總時間的 5%、15%、50%和 20%,可計算出空調系統冷熱源設備年運行費用，見表 5.由表 5可知，兩者運行費用相差約為 37- 28=9萬元/年，地源熱泵系統的簡單回收期 3.6年。地源熱泵機組設計使用年限 30 年，室外地埋管設計使用年限70年，系統運行30 年節約的費用為9萬元/年×26年 =234 萬元。另外，煙臺市為全國可再生能源示范城市，根據《煙臺市可再生能源建筑應用示范項目管理辦法》對使用地源熱泵供熱、制冷的項目，按每平方米應用建筑面積20元的標準給予補助，采用地源熱泵部分免繳基礎設施配套費中的供熱外管網部分收費。

5 自動控制

5.1 冷熱源控制采用可編程控制器暖通智能控制系統的方式實現冷源機電設備的自動控制。

（1）冷、熱負荷需求計算：根據系統當前流量值和設置在供回水總管上的溫度傳感器所感測到的溫度，送至 PLC進行計算，得出建筑空調實際所需的冷熱負荷。

（2）冷水機組臺數控制：根據建筑所需冷負荷，調整機組運行臺數，達到最佳節能目的。

5.2 水泵控制

5.2.1 空調側水泵控制：采用恒溫差控制系統通過溫度傳感變送器將感測到的供回水溫度與設定溫度比較，并判定差值，通過PID比例積分調節，將電網輸入水泵的50Hz 的交流電，逆變為符合控制要求頻率的交流電，使空調水泵按控制要求的轉速運行，從而控制水泵的流量；同時監控主機出水溫度用于保證空調主機的COP不受變流量控制的影響。

5.2.2 地源側水泵變流量控制：采用恒溫差控制系統通過溫度傳感變送器將感測到的供回水溫度與設定溫度比較，并判定差值，通過PID比例積分調節，將電網輸入水泵的50Hz 的交流電，逆變為符合控制要求頻率的交流電，使地源側水泵按控制要求的轉速運行，從而控制水泵的流量，控制供回水溫度。

6 結論

地源熱泵空調系統屬可再生能源利用技術，是一種經濟有效的節能技術，具有一機多用、應用廣泛、節能環保等特點。本文通過對煙臺地區某公共建筑地源熱泵空調系統的分析介紹主要得出以下結論：

1. 采用地源熱泵空調系統比采用 VRV系統初投資增加約 35%,年運行費用節約 32%左右，增加的初投資經濟回收期約為 4.0年，并且能夠一機多用，減少工程系統總量，節約成本。

2. 根據全年動態負荷計算可知，供冷供熱滿負荷運行所占的比例非常小，約有 3/4 的時間在≤50%負荷下運轉，在進行冷熱源匹配需要充分考慮冷熱負荷的全年分布狀況和全年冷熱能耗的不平衡率，也說明全年動態負荷計算在地源熱泵空調系統設計中的重要作用。

3. 地源熱泵空調形式能夠很好的保護環境、節約能源。鑒于近期全國大部分地區“霧霾”天氣現象的增加，地源熱泵在環保方面的優勢必將更加顯現，在一定條件下推動地源熱泵技術的進一步發展。

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