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北京市某學(xué)校地源熱泵空調(diào)工程冬季運(yùn)行的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)顯示，“太陽(yáng)能+地源熱泵+水地暖”是一種理想的供暖系統(tǒng)。

工程概況

該工程規(guī)劃總占地面積為71322平方米，其中，規(guī)劃建設(shè)用地面積為57332平方米，規(guī)劃總建筑面積35800平方米，由中小學(xué)教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓、小禮堂、公寓樓、食堂、體育館和附屬用房等建筑組成。

該工程選用地源熱泵系統(tǒng)作為所有建筑物末端能量釋放系統(tǒng)用冷熱源，除體育館、教師公寓和食堂外，各建筑物只需要冬季采暖熱源，不需要夏季制冷冷源。設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)夏季提供7～12℃冷凍水，冬季提供45～40℃空調(diào)、采暖用熱水。

該工程地源熱泵系統(tǒng)的冷設(shè)計(jì)負(fù)荷為5892KW，該工程地源熱泵系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)負(fù)荷為2499.84KW。

該工程教學(xué)樓、學(xué)生宿舍、小禮堂和體育館采用水地暖，教師宿舍、食堂采用風(fēng)機(jī)盤管，體育館采用風(fēng)機(jī)盤管和全熱交換空調(diào)機(jī)組。

該工程地埋管系統(tǒng)冬季吸熱熱負(fù)荷大約1875KW，夏季放熱熱負(fù)荷大約707KW。

該工程冬季調(diào)試運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和情況分析

一、調(diào)試運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

該工程于2007年10月25日開始調(diào)試運(yùn)行，地埋管循環(huán)水穩(wěn)定溫度為13.6℃，11月1日調(diào)試完畢，并開始給建筑物供暖。

調(diào)試運(yùn)行一個(gè)月后，系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀如下：

2007年12月5日至15日，兩臺(tái)主機(jī)同時(shí)運(yùn)行4個(gè)小時(shí)后，地下埋管換熱器平均進(jìn)水溫度為3℃左右，平均出水溫度為7℃左右，出現(xiàn)機(jī)組的低溫保護(hù)自行停機(jī)，此時(shí)末端平均進(jìn)水溫度為32℃左右，平均出水溫度為28℃左右，各房間溫度均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2007年12月16日至20日，兩臺(tái)主機(jī)同時(shí)運(yùn)行3個(gè)小時(shí)后，地下埋管換熱器平均進(jìn)水溫度為3℃左右，平均出水溫度為6.5℃左右，出現(xiàn)機(jī)組的低溫保護(hù)自行停機(jī)，此時(shí)末端平均進(jìn)水溫度為30℃左右，平均出水溫度為26℃左右，此時(shí)風(fēng)機(jī)盤管送出的風(fēng)溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，低溫水地板輻射采暖部分房間溫度也不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2007年12月31日調(diào)試發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)主機(jī)根本無(wú)法正常開啟，zui后通過增大地下埋管換熱器水流量，兩臺(tái)熱泵主機(jī)能同時(shí)運(yùn)行3個(gè)小時(shí)左右，地下埋管換熱器平均進(jìn)水溫度為3℃左右，平均出水溫度為6℃左右，維持5天后，機(jī)組的低溫保護(hù)自行停機(jī)，此時(shí)末端平均進(jìn)水溫度為27℃左右，平均出水溫度為23℃左右，各房間溫度均不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2008年1月5日，通過開啟一臺(tái)熱泵機(jī)組，同時(shí)調(diào)節(jié)關(guān)斷不使用的房間和樓層，分時(shí)段和功能供給公寓食堂（中午和晚上）和教學(xué)樓，此時(shí)地下埋管換熱器平均進(jìn)水溫度為3.5℃左右，平均出水溫度為6.7℃左右，末端平均進(jìn)水溫度為32℃左右，平均出水溫度為28℃左右，房間溫度有所改善。

二、調(diào)試運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況分析

從以上調(diào)試運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況可以看出：該工程由于沒有經(jīng)過夏天運(yùn)行直接從冬季開始投入使用，也由于在該工程場(chǎng)區(qū)的水文地質(zhì)以及地層熱物性參數(shù)條件下地埋管換熱器大面積集中布置，地源熱泵從大地提取熱量，地埋管換熱器周圍巖土體溫度逐漸降低，取熱條件逐漸惡化，進(jìn)入地源熱泵機(jī)組的傳熱介質(zhì)溫度降低，帶來(lái)地源熱泵機(jī)組性能系數(shù)的降低，導(dǎo)致地源熱泵機(jī)組zui后經(jīng)常停機(jī)保護(hù)，不能正常運(yùn)行，不僅影響地源熱泵系統(tǒng)的供熱效果，也降低了地源熱泵系統(tǒng)的整體節(jié)能性，特別是該工程冬、夏季逐時(shí)動(dòng)態(tài)負(fù)荷相差甚遠(yuǎn)，即冬季供暖時(shí)從地下取熱的累計(jì)熱量遠(yuǎn)大于夏季空調(diào)時(shí)釋放到地下的累計(jì)熱量，也就是負(fù)荷總量變化特征是累積取熱型，這就意味著地埋管換熱器周圍巖土溫度逐年下降，zui終將不能運(yùn)行，調(diào)整的關(guān)鍵措施是增加排熱。

該工程采用地源熱泵與低溫地板輻射供暖和風(fēng)機(jī)盤管聯(lián)合運(yùn)行方式。低溫地板輻射供暖是一種利用建筑物內(nèi)部地面進(jìn)行采暖的系統(tǒng)，該系統(tǒng)以整個(gè)或部分地面作為散熱面，其地板散熱面主要以輻射熱的形式（約占總熱量的61.25％）向室內(nèi)散熱。低溫地板輻射采暖系統(tǒng)與傳統(tǒng)的散熱器供暖形式相比，一個(gè)突出特點(diǎn)是熱媒溫度低，熱媒溫度要求僅在30℃～60℃之間，而風(fēng)機(jī)盤管要求的供水溫度不低于40℃，此時(shí)送出的風(fēng)溫度才能達(dá)到要求，而且地面填充層的蓄熱結(jié)構(gòu)增加了系統(tǒng)的熱惰性。在該工程的調(diào)試中發(fā)現(xiàn)：如果低溫地板輻射供暖供水溫度為40℃，熱泵主機(jī)比平時(shí)上班時(shí)間需提前約1小時(shí)開啟，室內(nèi)方能達(dá)到設(shè)計(jì)溫度，而風(fēng)機(jī)盤管不需要提前開啟，室內(nèi)溫度就能達(dá)到要求；如果低溫地板輻射供暖供水溫度為35℃，熱泵主機(jī)比平時(shí)上班時(shí)間需提前約3小時(shí)開啟，室內(nèi)方能達(dá)到設(shè)計(jì)溫度，風(fēng)機(jī)盤管送出的風(fēng)不能達(dá)到設(shè)計(jì)效果；如果低溫地板輻射供暖供水溫度為30℃，熱泵主機(jī)比平時(shí)上班時(shí)間需提前約6小時(shí)開啟，室內(nèi)方能達(dá)到設(shè)計(jì)溫度，而風(fēng)機(jī)盤管送出的風(fēng)感覺很冷。以上室外溫度均為-9℃。地源熱泵主機(jī)要率提供高于40℃的低溫?zé)崴?，地埋管換熱器相應(yīng)要提供較高的供水溫度，但根據(jù)土壤源熱泵運(yùn)行特點(diǎn)，宜采用間歇運(yùn)行方式，使土壤溫度場(chǎng)能得到有效恢復(fù)，從而提高熱泵的制冷（制熱）系數(shù)。低溫地板輻射供暖的持續(xù)性和土壤源熱泵運(yùn)行的間歇性在經(jīng)濟(jì)合理的條件下如何很好地耦合而協(xié)調(diào)工作是地埋管換熱器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

太陽(yáng)能作為地源熱泵輔助熱源改造方案

一、改造方案的依據(jù)

1．該工程豎直地埋管區(qū)域土壤環(huán)境溫度自然恢復(fù)周期長(zhǎng)

2008年5月6日，從地埋管穩(wěn)定10小時(shí)循環(huán)水溫度中觀測(cè)到地埋管中水的溫度為10.1℃。正常運(yùn)行的地源熱泵系統(tǒng)通常具備一定的恢復(fù)期，這個(gè)恢復(fù)期實(shí)際為大地自然調(diào)節(jié)能力的表現(xiàn)，但這種調(diào)節(jié)能力已受到負(fù)荷時(shí)間和負(fù)荷總量的限制，該工程從土壤吸收熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過大地的自然調(diào)節(jié)能力，為了系統(tǒng)的正常運(yùn)行，必須增加輔助熱源。

2.豎直地埋管換熱器布置太集中

由于豎直地埋管換熱器布置太集中，埋管中心區(qū)域四面均有熱干擾，又由于低溫水地板輻射采暖的連續(xù)性，原埋管間距不能滿足地源熱泵主機(jī)的連續(xù)運(yùn)行，而且當(dāng)埋管區(qū)域土壤環(huán)境溫度下降到一定程度，中心區(qū)域的豎直地埋管換熱器無(wú)法從外界獲取熱量，有效地埋管換熱器數(shù)量相對(duì)減少，這更加需要增加輔助熱源在不采暖的季節(jié)向地埋管區(qū)域土壤蓄熱，從而適當(dāng)提高地埋管區(qū)域土壤溫度，提高主機(jī)運(yùn)行效率。

3.熱泵機(jī)組要提供該系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行的溫度

要同時(shí)滿足低溫地板輻射采暖所要求的供水溫度和風(fēng)機(jī)盤管要求的供水溫度，就必須要求熱泵機(jī)組提供不低于40℃供水溫度，也就是要求地埋管換熱器要有較高的供水溫度和地埋管區(qū)域的土壤要有較高的溫度。這就要求地埋管區(qū)域的土壤必須從外界獲取滿足冬季使用