杨培杰 颜井方 王庆兵 吴光伟 王晓玮
山东省地质环境监测总站,山东 济南 250014
摘要：文章主要是分析了地源热泵系统在实际应用的过程中存在的问题，同时提出了可行性的解决方案，望能为有关人员提供到一定的参考和帮助。
关键字：地源热泵；运行问题；解决方案
1、源热泵系统工作原理
1.1、地源热泵工作原理
系统通过在密闭的换热管里循环的循环液与地层之间进行热量交换，利用地层自身的特点，将地层环境中的热能提取出来对建筑物供暖或者将建筑物中的热能释放到地层环境中去而实现对建筑物的制冷。夏季可以将富余的热能存于地层中以备冬用；同样，冬季可以将富余的冷能贮存于地层以备夏用。实际使用中根据系统负荷量的大小、地层的导热能力来设计换热孔形式、数量和深度。其工作流程如下：在制冷状态下．地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽一液转化循环。通过蒸发器内冷媒的蒸发将由风机盘管循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷凝器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至地下水或土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中，通过风机盘管，以１３℃以下的冷风的形式为房间供冷。在制热状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，并通过换向阀将冷媒流动方向换向，由地下的水路循环吸收地下水或土壤里的热量，通过冷凝器内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中。在冷媒循环的同时再通过蒸发器内冷媒的冷凝，由风机盘管循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至室内的过程中，以３５℃以上热风的形式向室内供暖。
1.2、地源热泵系统组成
1.2.1、热泵的组成
热泵与制冷的原理和系统设备组成及功能是一样的，蒸气压缩式热泵（制冷）系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和节流阀组成。压缩机：起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用，是热泵（制冷）系统的心脏；蒸发器：是输出冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热量，达到制冷的目的；冷凝器：是输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的；膨胀阀或节流阀：对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量。
1.2.2、地源热泵系统组成
地源热泵机主要有两种形式：水一水式或水一空气式。地源热泵系统主要分三部分（如下图）：室外地能换热系统、地源热泵机组和室内采暖空调末端系统。其中三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，地源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。系统组成部件：1.地源热泵机组；2.室内风、水管；3.水泵；4.膨胀水箱等；5.地下换热器部分（ＨＤＰＥ管、膨润土等）。
2工程概况
新增公寓前地源热泵机房内已有地源热泵机组1（制冷量552.5kW/制热量564.3kW）和地源热泵机组2（制冷量489.7kW/制热量520.0kW），共2台。原机组2为空调冷热源；机组1全年运行提供生活用热水。新增公寓后改为地源热泵机组1为空调主用，夏、冬季运行，提供老综合楼和新建公寓空调冷热水；地源热泵机组2为热水供应主用，全年运行，提供生活用热水。如果夏、冬季空调出现高峰冷、热负荷时，2台地源热泵机组全部用于空调，浴池热水及采暖在此期间不提供。
3运行使用状况
根据现在空调使用情况知新大楼、老楼都在满负荷使用，现在的一号主机（制冷量552.5kW/制热量564.3kW）为2栋楼提供冷量、热量，较总计算冷负荷相差42%，与热负荷相差18%。2号主机每天累计开启时间8h左右制取热水，空调24h使用，1号主机几乎24h100%运行，产生空调效果达不到设计要求，生活热水在使用高峰时，温度偏低的问题。
根据运行几年的综合比较，以及售后人员对于地埋管供回水温度反映，在新增加公寓当年，地埋管供回水温度提升了4℃~5℃，原没增加前，运行地埋管出水温度在27℃~28℃，增加新建公寓后地埋管出水温度在33℃~34℃，说明地埋管量偏少，整个主机负荷的负荷衰减约10%~15%。1台主机容量不能满足空调冷热负荷；目前空调系统地源侧水温基本处于偏高范围，按照目前使用情况，未来几年水温会继续升高，主机效率会逐渐降低，最终将失去节能目的。
4地埋管换热情况校对
针对以上使用情况说明，我们根据土壤源换热量夏季排热量50W/m，冬季按热量取值40W/m来校对一下埋管量，夏季空调计算冷负荷950kW，冬季热负荷690kW，热水负荷122.6kW。地源热泵机组夏季性能系数为：5.4，冬季性能系数为：4.8.。最大释热量：Q1=夏季总冷负荷×（1+1/5.4）=960×1.185=1137.6kW最大吸热量：Q2=冬季总热负荷×（1-1/5.1）=690×0.8=552kW按夏季最大释热量计算钻孔个数：1137×1000/80×50=284.25个以满足最大钻孔个数，按夏季钻孔个数进行布孔，该项目钻孔个数需要284.25个。原设计总量240个，偏少，且并无考虑余量5%~10%的数量，综合比较，增加48个孔。增加系统的安全可靠性。
5热平衡分析
该建筑空调夏季运行120d，每天运行24h；冬季运行120d，每天运行12h；过度季125d，建筑负荷夏季冷负荷：950kW，冬季热负荷：690kW。生活热水：热水温度55℃，生活热水最大日用水量15t，夏季初始温度按20℃计算，热水加热量为610kW/d；过渡季节初始温度按10℃计算，热水加热量为961kW/d；冬季初始温度按5℃计算，热水加热量为1067kW/d。按照动态负荷计算方法，可计算出热泵系统全年向地下的累计排热量和吸热量见表1。由上述计算可见，释热量基本与取热量持平，在实际运行中还要通过管理者通过运行策略来达到平衡目的，建议运行策略方案如下。1）夏季初级及末期15d，建议用1台热泵机组制冷，另1台机组制热水。高峰时2d机组同时制冷。制热水采用冷热水机组制热水。2）过度季节采用地源热泵机组制热水。3）冬季1台机组制热，另一台机组制取热水。4）加强运行管理，避免能源浪费。
6解决方案
6.1增加井数
为达到空调正常使用功能及节能效果，室外增加井数按照二次改造图纸进行，新增48口井。
6.2增加空气源热水机组
由于该项目新增公寓后在空调使用高峰期供两栋楼的生活热水不能满足。在此增加一台制热量150kW的空气源热水机组，实现夏冬季空调高峰期的热水补充供应。2台主机高峰期同时为2栋楼供冷供暖。为了达到地埋管取热和放热的冷热平衡及节能的目的，在平时工况下依然使用地源热泵机组2来制取热水。增加2台热水循环泵，一用一备，用于热水箱和空气源热泵之间循环动力。
6.3主要设备参数
空气源热泵机组：制热量150kW，输入功率41kW，水流量22.8m3/h；热水循环泵参数：2台立式离心泵：G=25m3/h，H=12.5m，N=1.5kW。
6.4设备安装位置选择
由于热水箱为开式水箱，热水泵回水管需落地安装，为避免地面开挖空气源热泵机组及热水循环泵安装位置选择在机房北面附近。水泵单独搭设防雨措施。控制柜安装在机房内。
结束语
由上可知，对节能空调工程实际应用的过程中存在的问题，有关人员应当逐一进行排查，及时发现问题，同时提出科学合理的解决方案，才能有效确保到其系统能够正常运行，从而使得项目的节能效率能够最大化。
参考文献
[1]孟欣,王浩,何伟.合肥某小区地源热泵系统冬季运行及节能初探[J].建筑节能,2020.