一个理想的供暖系统：地源热泵+水地暖+太阳能

　　北京市某学校地源热泵空调工程冬季运行的现场实测显示，“太阳能+地源热泵+水地暖”是一种理想的供暖系统。

工程概况

　　该工程规划总占地面积为71322平方米，其中，规划建设用地面积为57332平方米，规划总建筑面积35800平方米，由中小学教学楼、实验楼、小礼堂、公寓楼、食堂、体育馆和附属用房等建筑组成。

地源热泵＋水地暖＋生活热水系统示意图

　　该工程选用地源热泵系统作为所有建筑物末端能量释放系统用冷热源，除体育馆、教师公寓和食堂外，各建筑物只需要冬季采暖热源，不需要夏季制冷冷源。设计地源热泵系统夏季提供7～12℃冷冻水，冬季提供45～40℃空调、采暖用热水。

　　该工程地源热泵系统的冷设计负荷为5892KW，该工程地源热泵系统的热设计负荷为2499.84KW。

　　该工程教学楼、学生宿舍、小礼堂和体育馆采用水地暖，教师宿舍、食堂采用风机盘管，体育馆采用风机盘管和全热交换空调机组。

　　该工程地埋管系统冬季吸热热负荷大约1875KW，夏季放热热负荷大约707KW。

　　该工程冬季调试运行现场实测和情况分析

一、调试运行现场实测

　　该工程于2007年10月25日开始调试运行，地埋管循环水稳定温度为13.6℃，11月1日调试完毕，并开始给建筑物供暖。

　　调试运行一个月后，系统运行现状如下：

　　2007年12月5日至15日，两台主机同时运行4个小时后，地下埋管换热器平均进水温度为3℃左右，平均出水温度为7℃左右，出现机组的低温保护自行停机，此时末端平均进水温度为32℃左右，平均出水温度为28℃左右，各房间温度均能达到设计要求。

　　2007年12月16日至20日，两台主机同时运行3个小时后，地下埋管换热器平均进水温度为3℃左右，平均出水温度为6.5℃左右，出现机组的低温保护自行停机，此时末端平均进水温度为30℃左右，平均出水温度为26℃左右，此时风机盘管送出的风温度达不到设计要求，低温水地板辐射采暖部分房间温度也不能达到设计要求。

　　2007年12月31日调试发现两台主机根本无法正常开启，最后通过增大地下埋管换热器水流量，两台热泵主机能同时运行3个小时左右，地下埋管换热器平均进水温度为3℃左右，平均出水温度为6℃左右，维持5天后，机组的低温保护自行停机，此时末端平均进水温度为27℃左右，平均出水温度为23℃左右，各房间温度均不能达到设计要求。

　　2008年1月5日，通过开启一台热泵机组，同时调节关断不使用的房间和楼层，分时段和功能供给公寓食堂（中午和晚上）和教学楼，此时地下埋管换热器平均进水温度为3.5℃左右，平均出水温度为6.7℃ 左右，末端平均进水温度为32℃左右，平均出水温度为28℃左右，房间温度有所改善。

二、调试运行现场实测情况分析

　　从以上调试运行现场实测情况可以看出：该工程由于没有经过夏天运行直接从冬季开始投入使用，也由于在该工程场区的水文地质以及地层热物性参数条件下地埋管换热器大面积集中布置，地源热泵从大地提取热量，地埋管换热器周围岩土体温度逐渐降低，取热条件逐渐恶化，进入地源热泵机组的传热介质温度降低，带来地源热泵机组性能系数的降低，导致地源热泵机组最后经常停机保护，不能正常运行，不仅影响地源热泵系统的供热效果，也降低了地源热泵系统的整体节能性，特别是该工程冬、夏季逐时动态负荷相差甚远，即冬季供暖时从地下取热的累计热量远大于夏季空调时释放到地下的累计热量，也就是负荷总量变化特征是累积取热型，这就意味着地埋管换热器周围岩土温度逐年下降，最终将不能运行，调整的关键措施是增加排热。

　　该工程采用地源热泵与低温地板辐射供暖和风机盘管联合运行方式。低温地板辐射供暖是一种利用建筑物内部地面进行采暖的系统，该系统以整个或部分地面作为散热面，其地板散热面主要以辐射热的形式（约占总热量的61.25％）向室内散热。低温地板辐射采暖系统与传统的散热器供暖形式相比，一个突出特点是热媒温度低，热媒温度要求仅在30℃～60℃之间，而风机盘管要求的供水温度不低于40℃，此时送出的风温度才能达到要求，而且地面填充层的蓄热结构增加了系统的热惰性。在该工程的调试中发现：如果低温地板辐射供暖供水温度为40℃，热泵主机比平时上班时间需提前约1小时开启，室内方能达到设计温度，而风机盘管不需要提前开启，室内温度就能达到要求；如果低温地板辐射供暖供水温度为35℃，热泵主机比平时上班时间需提前约3小时开启，室内方能达到设计温度，风机盘管送出的风不能达到设计效果；如果低温地板辐射供暖供水温度为30℃，热泵主机比平时上班时间需提前约6小时开启，室内方能达到设计温度，而风机盘管送出的风感觉很冷。以上室外温度均为-9℃。地源热泵主机要高效率提供高于40℃的低温热水，地埋管换热器相应要提供较高的供水温度，但根据土壤源热泵运行特点，宜采用间歇运行方式，使土壤温度场能得到有效恢复，从而提高热泵的制冷(制热)系数。低温地板辐射供暖的持续性和土壤源热泵运行的间歇性在经济合理的条件下如何很好地耦合而协调工作是地埋管换热器设计的关键环节。

太阳能作为地源热泵辅助热源改造方案

一、改造方案的依据

　　1．该工程竖直地埋管区域土壤环境温度自然恢复周期长

　　2008年5月6日，从地埋管稳定10小时循环水温度中观测到地埋管中水的温度为10.1℃。正常运行的地源热泵系统通常具备一定的恢复期，这个恢复期实际为大地自然调节能力的表现，但这种调节能力已受到负荷时间和负荷总量的限制，该工程从土壤吸收热量远远超过大地的自然调节能力，为了系统的正常高效运行，必须增加辅助热源。

　　2.竖直地埋管换热器布置太集中

　　由于竖直地埋管换热器布置太集中，埋管中心区域四面均有热干扰，又由于低温水地板辐射采暖的连续性，原埋管间距不能满足地源热泵主机的连续运行，而且当埋管区域土壤环境温度下降到一定程度，中心区域的竖直地埋管换热器无法从外界获取热量，有效地埋管换热器数量相对减少，这更加需要增加辅助热源在不采暖的季节向地埋管区域土壤蓄热，从而适当提高地埋管区域土壤温度，提高主机运行效率。

　　3.热泵机组要提供该系统联合运行的温度

　　要同时满足低温地板辐射采暖所要求的供水温度和风机盘管要求的供水温度，就必须要求热泵机组提供不低于40℃供水温度，也就是要求地埋管换热器要有较高的供水温度和地埋管区域的土壤要有较高的温度。这就要求地埋管区域的土壤必须从外界获取满足冬季使用。 胡利剑