引言
建築節能和環保是貫徹可持續發展戰略的重要組成部分，而建築能耗又以暖通空調能耗為主，它們佔建築總能耗的 30%~50%,在採暖和製冷過程中，同時伴隨著大量的有害氣體和熱汙染排入大氣，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範城市，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築中的設計及應用。
1 工程概況
本專案為煙臺地區某研發培訓基地工程，由1 # 專家公寓、2# 餐廳、3# 專家公寓三棟建築組成，各建築結構特點及功能分佈情況見表 1.
2 設計引數及動態負荷模擬
2.1 室內外設計引數依據現行的 GB50736- 2012《民用建築供暖通風與空氣調節設計規範》，室內外的設計引數見表2、表 3.另外，煙臺地區逐時乾球溫度和日平均乾球溫度間見圖 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採用 HDY- SMAD空調負荷計算及能耗分析軟體進行全年動態負荷的模擬計算，為後續的設計工作提供更為準確的資料。在全年動態負荷計算中根據房間功能特性按照公共建築節能標準對“人員”“、照明”和“裝置”進行分項設定，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. 季節效能耗曲線分佈圖的變化趨勢與全年能耗曲線分佈圖變化趨勢相一致；
2. 空調設計最大冷熱負荷約為 270kW、250kW.
3. 建築物供冷和供熱在 1 00%、75%、50%和 25%負荷下的時間分別佔總時間百分比約為5%、20%、55%和 20%.
4. 全年製冷能耗總量為 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
本專案採用垂直地埋管地源熱泵空調 + 地板輻射進行供冷和供暖。為保證系統冬季採暖效果，建築單體內空調房間及衛生間內部均設定地板輻射採暖系統。
3.1 冷熱源裝置如圖 5~8 所示，該工程採用 3臺小型地源熱泵機組 AQSW0412- NR,其中 2 臺為空呼叫，1 臺為生活熱水用。單臺機組製冷量 132.8kW,功率 24.8kW,單臺機組制熱量 135.3kW,功率 32.8kW,製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呼叫及生活熱水用，地源側地埋管均可通過閥門轉換為空呼叫及生活熱水用。空調側和地埋側系統均採用定壓膨脹罐+ 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。本專案周圍僅有一定的綠化及停車場面積可供地埋管使用，設計方案中採用垂直雙 U形埋管的方式，佈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，一年四季相對恆溫，取（散）熱能力較土壤淺層大、換熱能力強，通常是土壤淺層的 5 倍以上，所需佔地面積較小。此外，室外鑽井按同程形式佈置，不僅保證系統水力平衡，而且單個熱源井迴路的故障對整個系統不會造成嚴重影響。
本設計採用垂直埋管系統。由專業廠家對專案區域進行地質勘查， 並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鑽孔深度設計為 100m.根據相關規範並結合區域內相關專案經驗，本方案設計埋管間距為 4m×4m,採用雙 U型管土壤換熱器，鑽孔直徑孔徑 φ=150mm.
在室外埋管設計中每 6眼井連線成一路，每 4路連線到一個地埋管換熱器供 1 臺地源熱泵機組使用，連線 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
由於該專案所處區域沒有城市集中熱源，所以在專案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。現將地源熱泵系統和VRV空調系統進行初投資和執行費用方面的比較。初投資比較見表 4.
根據煙臺地區相關資料空調年供冷執行時間約為90d 小時，年供熱執行時間約為 150d.根據圖6~ 8,供冷和供熱在 1 00%、75%、50%和 25%負荷下的執行時間分別佔總時間的 5%、15%、50%和 20%,可計算出空調系統冷熱源裝置年執行費用，見表 5.由表 5可知，兩者執行費用相差約為 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，系統執行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範城市，根據《煙臺市可再生能源建築應用示範專案管理辦法》對使用地源熱泵供熱、製冷的專案，按每平方米應用建築面積20元的標準給予補助，採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 冷熱源控制採用可程式控制器暖通智慧控制系統的方式實現冷源機電裝置的自動控制。
（1）冷、熱負荷需求計算：根據系統當前流量值和設定在供回水總管上的溫度感測器所感測到的溫度，送至 PLC進行計算，得出建築空調實際所需的'冷熱負荷。
（2）冷水機組臺數控制：根據建築所需冷負荷，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：採用恆溫差控制系統通過溫度感測變送器將感測到的供回水溫度與設定溫度比較，並判定差值，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執行，從而控制水泵的流量；同時監控主機出水溫度用於保證空調主機的COP不受變流量控制的影響。
5.2.2 地源側水泵變流量控制：採用恆溫差控制系統通過溫度感測變送器將感測到的供回水溫度與設定溫度比較，並判定差值，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執行，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築地源熱泵空調系統的分析介紹主要得出以下結論：
1. 採用地源熱泵空調系統比採用 VRV系統初投資增加約 35%,年執行費用節約 32%左右，增加的初投資經濟回收期約為 4.0年，並且能夠一機多用，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，供冷供熱滿負荷執行所佔的比例非常小，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佈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。鑑於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。
參考文獻
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