地源水环热泵工程实践

王建奎 潘军 邱建华 陆麟 李井会

浙江省建筑科学设计研究院有限公司

为解决集中式地源热泵使用不便的缺陷，借鉴多联机的成功经验和水环热泵的系统形式，行业中出现了一种地源水环热泵空调系统，利用地源作为水环热泵的冷热源替代部分常规冷热源是该系统的主要特点。该系统不仅能使用浅层地热的可再生能源，保持了系统较高的能效比，而且能方便地由末端用户决定使用时间，如控制得当，无论使用者数量多少，均能保持较高的效率，具有调节灵活、方便，便于管理和收费等优点，是一种值得推广的地源热泵应用形式。

1 地源水环热泵设计要点

1.1 系统形式的选择

地源水环热泵空调系统是一种由数量众多、形式各异的水源热泵机组，通过一套两管制共用水环路并联连接起来，以共用水环路中流动的循环水为介质，以集中式地源换热器为冷（热）源的空调系统[1]。图1为地源水环热泵基本形式。

图1 地源水环热泵基本形式

当空调房间需要供暖时，设在该空调房间的水源热泵机组按供热模式运行，机组从两管制共用水环路中吸取热量，向房间送热风。当空调房间需要供冷时，则按制冷模式运行，机组向两管制共用水环路排放热量，向房间送冷风。当整个系统中有一部分房间需要供冷而另一部分房间需要供暖时，则按制冷模式运行的水源热泵将向共用水环路排放热量，而按供热模式运行的水源热泵机组，从共用水环路中吸取热量，从而达到有效利用房间内余热的目的。

地源水环热泵的特点之一是以浅层地热能替代常规能源，因此设计时需根据项目情况计算冷热负荷，基础负荷运行时使用地源热泵，尖峰负荷时使用常规冷热源和地源热泵联合运行，构成复合冷热源系统，以最大限度地发挥地源热泵的节能减排优势。地源热泵换热器容量可按冬季工况或夏季工况设计，当项目所在地浅层地热能资源有限，不能完全满足冬季工况或夏季工况需求时，也可按最优性价比容量设计，其余的负荷由常规能源满足。

共用水环路根据建筑特点和水环热泵机组的布置形式可使用一级泵系统和二级泵系统（图2）。其中一级泵系统适用于末端水力平衡较好的系统，二级泵系统适用于各末端水阻力相差较大的系统，此时由一级泵克服主管路的水阻力，各二级泵克服各支管路的水阻力。

图2 二级泵系统基本形式

1.2 水环路流量控制

水力平衡是地源水环热泵系统需要解决的最关键问题。风机盘管水系统的水力失调会导致空调末端的冷热不均匀，不仅影响空调效果，水环热泵水系统的水力失调，将导致热泵机组不能正常运行，进而不能向空调用户供冷或供热。

水力平衡分静态水力平衡和动态水力平衡[2]。静态水系统平衡调试是在满负荷工作状态下，采用比例法和补偿法等水力平衡调试方法，参照实际测定的运行流量，调整系统中平衡阀门的开度，并不断整定，最终使得末端区域实际流量与设计流量取得一致的过程，是解决静态水力失调的一种工程方法。静态水力平衡调试是水环路流量控制的基础，也是大部分工程不被重视，导致系统不能正常运行的主要原因之一，是施工过程中不可或缺的重要环节。动态水力失调是在系统运行过程中产生的，在部分符合工作状态下，由于控制需要，某些末端设备阀门开度发生改变，从而引起互扰，影响到其他末端设备流量偏离设计值的现象。以下着重讨论部分负荷工况下共用水环路流量的调节方案。

1）压差变流量控制

部分负荷时，停止运行的部分水源热泵将末端水路电动二通阀关断，会使系统压差升高，此时通过调整供/回水干管之间的压差平衡阀，维持恒定的供/回水干管压差，在水平衡调试良好的前提下，即可满足水环热泵的需要流量。这是目前工程设计中应用最多的一种方案，也具有较好的安全性，但该方法不能用于循环泵的控制，通常压差平衡阀具有较大的旁通流量，不利于节省泵耗。

2）温差变流量控制

地源侧换热器供/回水温差宜稳定在5℃左右，过小的温差带来较大的泵耗，过大的温差使换热效果变差，此时可通过变流量控制改变循环泵的流量，保持地源测换热器供/回水温差稳定。温差变流量控制没有考虑系统管网特性，可能会造成供水压力不足。因而压差变流量控制与温差变流量控制需联合使用，控制需先保证系统的安全性，即保证水源热泵机组的压差优先，其次使共用水环路的循环泵耗降为最小。

1.3 水环路水温控制

环路水温对水源热泵机组的效率和容量都有相当大的影响。地源水环热泵中使用的热泵机组形式按冷（热）源类型可分为水环式水源热泵机组，地下水式水源热泵机组和地下环路式水源热泵机组。各类型水源热泵机组正常工作的冷（热）源温度范围如表1[3]：

表1 水源热泵机组水源侧水温

对地下环路式系统，设备安全允许的环路水温制冷工况应在10～40℃，制热工况应在-5～25℃，考虑到制冷工况水温超过33℃时能效与冷却塔系统相当，制热工况水温低于7℃时需添加防冻剂，因此出于节能和安全的考虑，建议共用环路设计水温控制在10～33℃之间。

对于不带中间换热器的一次泵系统，共用水环路始终与地源换热器保持换热，因此大部分时间水温总能满足水源热泵机组需要。当系统在尖峰负荷运行，水温超出设定范围时，系统应启动辅助冷源或辅助热源，以保持共用水环路水温满足设计要求。

对于带中间换热器的二次泵系统，先开启二次泵，当共用水环路水温超出设定范围时，开启一次泵，与地源换热器进行热交换，水温恢复后再关闭一次泵。同样当系统在尖峰负荷运行，地源换热器不能满足需要时，需投入辅助冷热源。由于大部分时间系统处于部分负荷运行，一次泵间歇开启，也可节省大部分循环泵耗。

1.4 室内机噪声控制

由于每台水环热泵机组均自带压缩机、风机等机械运动部件，通常又直接安装于室内，噪声问题也是该系统不能得以大面积推广使用的主要障碍之一。

水源热泵机组（Q<5 kW）噪声一般要求控制在67 dB(A)以下，随着热泵技术的发展，大部分厂家生产的水源热泵机组（Q<5 kW），噪声可控制在60 dB(A)以下，通过合理的工程降噪设计措施，一般可满足室内50～55 dB(A)噪声要求。需要提醒的是，设计师必须针对室内噪声要求和水环热泵系统应用形式进行噪声振动专项设计。

一般来讲工程上可以采取以下降噪隔振措施：

1）水源热泵机组安装时设专门的减振弹簧。

2）水源热泵机组安装的吊顶内或机房内加装吸声材料。

3）加装消声风管或消声弯头，以避免压缩机噪声直接传至室内。

2 工程案例

2.1 设计概要

示范工程为浙江杭州某办公与展览类公共建筑，建筑面积2.2万m2，由七栋独立的2～3层建筑组成。工程采用集散式地源热泵空调系统，地下埋管换热器采用垂直埋管方式，由于冬夏季总的冷、热负荷全年不平衡，本工程采用复合式冷热源系统，即带辅助散热设备（冷却塔）。室内空调采用分散式水源热泵机组，每个空调末端单独电量计费，便于运行管理，也给节能运行提供了条件。冷却塔和循环水泵电费单独计量，费用公摊。图3为示范工程地源热泵原理图。

图3 示范工程地源热泵原理图

1）空调冷、热负荷：经计算，夏季尖峰负荷1550 kW，冬季尖峰负荷960 kW，地埋管承担基础负荷960 kW。

2）空调系统冷、热源：采用地源热泵，夏季地埋管冷却侧进出水温度为35/30℃，冬季为5/10℃。夏季辅以冷却塔，冷却塔冷却水进出水温度为37/32℃。冬夏季采用手动转换。

3）地下耦合管：根据土壤热物性测试结果，打井深度为60 m，井数为267个，井径130～150 mm，单U管布置，管径D32，有效管长32000 m（图4）。

图4 示范工程地源热泵系统埋管位置示意图

4）空气处理方式：办公室、展厅等采用分离式冷（热）风型地源热泵，室外机布置在走道，室内机布置在室内，有效避免压缩机噪声传入室内。

5）空调水系统：地源侧空调循环泵采用变频运行，采集供回水温度信号进行控制。冷却塔空调循环泵为定频运行，采集供回水温度信号进行启停控制。地源侧换热器和室内水环路之间采用了板式换热器隔开。

2.2 运行效果测试

1）室内温度：2017年夏季，笔者对该系统的使用效果进行了测试，其中室内温度测试选取正在使用的B栋办公展览建筑，测试选取4个典型办公区域，测试位置为距地1.5 m处，测试时室外平均温度35.5℃，室内温度测试结果见表2：

表2 室内温度测试

表3 系统能效比测试

2）系统能效比：测试时 A、B、F、G 栋正常使用，其它建筑未投入使用。经统计，投入使用建筑安装制冷量4.1～8.4 kW冷热风型水环热泵共169台，测试时投入使用水环热泵机组平均开启率为58.6%，总制冷量约835 kW（按铭牌值推算），总功率约204 kW，地源热泵换热站内地源测开启15 kW循环水泵2台，工频运行，用户侧开启35 kW循环水泵2台，变频运行，测试结果见表3。

由表3可得：测试时，平均系统能效比为3.09。

3）室内噪声：测试时选取未装修无人办公的E栋办公建筑，吊顶标高为3.2 m，吊顶内安装冷热风型水环热泵，吊顶形式为格栅型，笔者对其中4台水环热泵进行了噪声测试，测试时压缩机开启，测试位置为室内机正下方距地1.5 m处，测试结果见表4：

表4 机组噪声测试

3 结语

地源水环热泵系统解决了集中式地源热泵系统末端使用不灵活的问题，同时因利用可再生能源，具有优良的节能效果，但系统存在对水平衡、机组噪声要求较高等问题，需要设计者、施工者、使用者更精细化的对待，本文通过工程实践，提出了若干应对措施，取得了较好的使用效果。希望更多的同行重视该系统，积极应用该系统，更多地发挥地源热泵的节能减排效果。