天津节能大厦采暖空调系统的 创新集成应用节能浅析 朱天利 （天津大学环境科学与工程学院天津３０００７２） １地源热泵在办公建筑中应用 ２传统燃煤供暖状况 天津节能大厦总建筑面积１．２万平方米，设计方案主要采用地 源热泵分别为其中的办公建筑部分提供采暖和空调冷热源，为其 燃煤供暖和电驱动制冷剂空调的应用方式以后，选择无论在 中市能源管理培训学校附属住宿部份建筑部分提供冬季地板采暖 保护环境还是在经济性能方面更趋合理和可行的节约能源利用 热源。按照国家《关于严格执行公共建筑空调温度控制标准的通知》 形式。无论是采用燃油还是天然气，消耗的都是化石能源，会向大 要求，公共建筑内所有单位夏季室内空调温度设置不得低于２６摄氏 气排放大量的ＣＯ 等温室效应气体和ＳＯ 等可能形成酸雨的污 度，冬季室内空调温度设置不得高于２０摄氏度。地源热泵系统设计 染气体。另外由于近年全球能源消耗大幅增长，石油和天然气的 的参数保证办公建筑冬季室内温度在２０—２２℃（国家标准为≥１ ８℃）， 价格一直居高不下，而且可能会继续增长，单纯从经济角度，使用 夏季空调季节室内温度２４—２６℃。建筑能耗所占能源消耗比例越来 燃油或天然气也会有巨大的经济负担，尤其是将来的不可预见 越大，而建筑能耗可以利用温度较低的低品质能量，因此将地源热泵 性，给经营管理带来潜在的风险。 系统在建筑采暖空调领域利用具有极佳经济胜、合理『生。 ３采暖空调能源形式的比较 项目方案设计利用地源热泵系统、太阳能集热系统、既有水 与常规的集中供热＋中央空调的方式比较：地源热泵采暖空 池蓄能等技术创新集成应用。主要是考虑系统的合理性与可靠 调系统与常规的集中供热＋中央空调的方式比较，具有较大的优 性，同时要减少初投资，并最大化降低运行费用实现节能效果，现 势。首先，地源热泵系统不在能源使用地消耗大量化石燃料，而且 浅析系统运行策略如下： 使用电力的效率非常高，ＣＯＰ达到４以上；其次，他的主要能源来 冬天供暖时，在日照条件好的情况下，太阳能集热器可以发挥 源于地下的地温能量，这种能量是地球自然产生的，可持续利用 １００％效果，这样可以在气温不是很寒冷的情况下为建筑提供全部 的绿色能源。地温场是指温度在地球内部的空间分布状态，一般 的热负荷；而当日照条件稍差的情况下，单独依靠太阳能集热器不 所说的地温场是指地壳浅部而言。设计孔区域地温梯度经查阅地 能满足建筑供暖，这时就可以依靠蓄能水池为建筑提供剩余所需 温等值线，其地温梯度为２．８￣Ｃ／１００ｍ。地表下３０ｍ为常温层，温度 的热负荷。在蓄能水池中的热量也不足时，再开启热泵机组。在恶 １３．５￣Ｃ，以下随深度增加，温度按地温梯度逐渐增高。再者，地源热 劣的天气条件下，太阳能和蓄能水池提供的热量可能只能满足一 泵的造价也只比常规的中央空调稍高一点。但比集中供热＋常规 部分需求，这时热泵机组就可以提供建筑所需的全部热负荷。 中央空调的造价要低很多。 夏天制冷时，由地源热泵系统在夜间谷电时向蓄能水池中蓄 与多联机的比较：地源热泵采暖空调系统与多联机比较的 冷，白天在峰电时使用蓄能水池制冷，平电时使用热泵制冷。 话，在北方地区地源热泵有着不可比拟的优势。北方地区冬季采 应用环境为了节约运行成本，按照使用功能要求，每周每天 暖时，多联机热泵功能的优势发挥不出来，效率很低，有时只能采 在某几个时间段运行，例如办公区域每周一至五仅白天使用；住 用电辅助加热的方式采暖。尤其是面积大一些的建筑，在寒冷区 宿酒店则全天候２４小时使用。有的则要求室内始终保持一定的 和冬冷夏热地区采用多联机作为采暖和空调，业界已形成共识， 温度湿度，以保证用户的持久舒适性；还有的应用场合要保证高 是一种投资大、成本高、效果不理想的采暖空调方式。 度的运行可靠性，不能出现停机情况，如医院等。 与溴化锂直燃机的比较：地源热泵与溴化锂直燃机的比较优 针对以上情况，热泵整机采用模块化结构，控制系统采用 势在于其运行成本低，操作、使用的安全性及对建筑环境安全的 ＰＬＣ和ＨＭＩ（触摸屏），即可完全满足要求。因为ＰＬＣ不仅可靠性 要求都比直燃机更好。 高，而且具有自诊断功能。根据用户要求和温度、压控等外控条 单纯比较冷热源的建造成本时，地源热泵系统造价要高一 件，可以灵活地编制程序。当系统出现故障时，ＰＬＣ根据外部的输 点，但如果综合比较造价和运行成本及安全、方便程度，则地源热 入条件能够及时地停止故障模块，切换到另一个模块，并能在触 泵系统就拥有较大优势了。 摸屏上显示出故障的原因，为及时解决问题提供了方便。 建运行费用（元／米。） 筑采暖空调形式 工程投资（元／米 ） 在整个集成系统中，太阳能集热器始终处于运行状态，不足时由 采暖 空调 合计 蓄能水池补足，蓄能水池也不足时，就开启热泵机组。由于热泵机 集中供热 ２ Ｏ ３５ ，ｌ５０ ６Ｏ 配套中央空调 ２２０ ２５ 组是按照满足建筑全负荷设计的，并且设置了两台机组，在大部 多联机（冷暖） ３２０ ３２０ ５０ ３０ ８０ 分情况下，开启一台机组，配合太阳能集热器和蓄能水池，就可以 溴化锂直燃机（燃气） ５０ ２７０ ５０ ２５ 冷却塔、机房、末端 ２２０ 满足建筑需求，从而大大降低运行成本。 地源热泵 ００ ３（）０ ２５ ２０ １５ 《资源节约与环保》２０１３年第１ １期 ４．３地源热泵的环境保护 建筑采暖空调形式 环境污染 可持续性 地源热泵抽取地表水或地下水，并保证１００％地下水回灌，甚 集中供热 重 差 至不抽取地下水（土壤换热器），对环境不产生破坏作用。热泵以 配套中央空调 电为驱动力，运行时不直接产生对环境的有害污染，而大规模火 多联机（冷暖） 轻 稍好 溴化锂直燃机（燃气） 轻 稍好 力发电则已有成熟的技术降低或治理污染物排放，（如果是水电或 水塔、机房、末端 核电污染更低）。因此，地源热泵系统具有相当好的环境保护效果。 地源热泵 微 好 ４．４一机多用运行稳定可靠 地源热泵系统可供暖、制冷和提供生活热水，对于需求供暖、 再考虑到环境保护和可持续发展的理念，地源热泵就具有更 供冷的建筑，地源热泵一套系统设备就可解决，节省了建筑的配 大的绝对优势了。 套建设费用和配套设施占用面积。 ４地源热泵特点 ４．５应用市场广泛，适用性强 在建筑附近利用周围附属面积（道路、草地、停车场等）解决 ４．１可再生清洁能源利用技术 本身能量需求，不给已经繁重不堪的市政公用系统增加负担。（配 地源热泵是清洁的可再生能源利用技术，地球浅层土壤和水 套集中供热热源管网等） 体的能量，主要来自地球深部热能向地表的传导，并通过地表向 对办公建筑具有白天需要采暖空调，夜晚基本无人工作的特 大气层散失。 点，不必像普通集中供热建筑那样支付全天２４小时的供热和空 ４，２是高效节能的技术 调费用，灵活方便，节能率更高。 热泵本身的制热效率就比较高。因为热泵产生的热主要不是 因燃烧或电加热而直接产生的热量，而是从低温地源中转移过来 ５热泵使用说明 的热量。 在两台热泵使用时，可以在制冷初期只开启一台热泵，当运行 我们定义某能量装置的能源利用系数为Ｅ 中期负荷增大时再开启另一台热泵。运行后期，系统负荷减小后， Ｅ＝装置的制热量／消耗的初级能量 可以关闭一台热泵机组，以减ｅ］，ｔｌ量消耗。停用机组的原则是：系 假设热泵消耗的能量是电，火力发电的效率为Ｏ．３２，输配电 统启动时先开启的那台机组，在需要停止运行时要先停，这样可以 的效率是０．９５则热泵Ｅ值为： 更好的平衡两台机组的运行时间，以利于设备寿命和运行维护。 Ｅ＝０．３２＊０．９５＊ｃｏｐ（ｃｏｐ为热泵的制热性系数） 在采暖期初期只开肩一台小容量机组，待室外气温达到最低 热泵供热时与传统的供热方式Ｅ值相当的ｃｏｐ值 时或小容量机组不能满足采暖要求时，就需要开启另一台较大容 量机组，该机组基本可以满足要求。当采暖季节末期要停止大容 传统供热方式的Ｅ值 与传统供热方式Ｅ值相当的ｃｏｐ值 量机组，启动小容量机组，以平衡两台机组的运行时间，平衡两台 小型锅炉Ｅ卸．５ ｌ ７５ 机组的寿命。 ６热泵机组选用两台设备的原因 小型锅炉房Ｅ＝０．６４６ ２．２７ 地源热泵机组选用两台设备，是因为两台设备运行时对于能 集中供热锅炉房Ｅ＝０．７４ ２．４３ 量调节的范围较大，当制冷系统运行初期和末期时可以只开肩一 台机组。如果只设置一台机组，则在系统５０％或以下负荷运行时， 热电联产Ｅ＝０．８８ ２．８９ 机组的调节能力有限，并且机组本身耗电量会相对较大。 我们知道一般现在高效热泵的ｃｏｐ都能达到４—５以上，由 另外，设置两台机组的另一优点是：当机组的控制系统出现 此可以看出，热泵在利用一次能源（燃煤）的总体效率上，比效率 故障时，设置两台机组的系统只要停掉出现故障的那台机组即 最高的热电联产Ｅ＝０．８８的效率还要高，达到： 可，另一台机组可以保证系统５０％左右的负荷运行。两台同时出 Ｅ＝０．３２×０．９５×４＝１．２１６ 现故障的机会很小，只要不是在夏季最热的月份，５０％的负荷基 也就是说如果利用热泵来制热，利用一次能源的效率已超过 本可以满足建筑的整体需求。如果是选用一台主机，即使是选用 了１００％达到１２０％。 双机头产品，一旦控制系统出现问题，则整个空调系统全部停掉。 一就目前的技术来讲，利用热泵技术能把初级化石燃料（如煤 般情况下，系统的热负荷会小于冷负荷，而机组的制热量 炭）的采暖利用率提高到超过１００％甚至１２０％的方式。同时它也 又大于制冷量，这样在冬季采暖时，设置单台机组尤其是单压机 是减少二氧化碳排放的最有效率的方法之一。 的机组，其基本在部分负荷状态下运行，这样就造成机组容量的 大量测试数据表明，由此导致的机组效率提高，节能２０％ 浪费。设置两台设备的系统，在采暖时可以只开启一台热泵机组 以上。风冷热泵效率低与地源热泵相比差距大。节能型的风冷 即可，另一台在单台机组制热能力不足时再开启，或者就作为备 空调能耗比也只有２．８，地源热泵夏季空调时的最低能耗比也 用机组使用。设置两台机组的缺点是会占用较大的机房空间，造 在５以一Ｉ二 价也会相应增加。 《资源节约与环保》２０１３年第１ １期