夏热冬冷地区土壤源热泵空调系统能效提升探讨

夏热冬冷地区土壤源热泵空调系统能效提升探讨

王伟1撒世忠2

1江苏城归设计有限公司 2无锡交产华仁建设集团有限公司

摘要：土壤源热泵空调系统一直被誉为可再生能源技术在空调领域应用的典范，已被广泛应用在建筑设计中。双碳背景下，充分挖掘土壤源热泵空调系统能效提升的路径，使其呈现出跨季节蓄能、多能互补、机房高效等特性，为夏热冬冷地区土壤源热泵空调系统项目提供技术参考。

0引言

土壤源热泵本质上是一种以地下土壤作为蓄能体的跨季节地下蓄能与释能的系统。对于年均冷热负荷非平衡的夏热冬冷地区，冷负荷大于热负荷，制冷期长于制热期，呈现出较大的取热和放热的不平衡性，“热堆积”现象明显，为规避热堆积的发生，常采用土壤源热回收机组和多种冷热源的 “搭配”应用，夏季让一部分热量释放到其他介质中，提供“免费”的生活热水，或排放到大气中，而非既定区域的土壤区域。因此，土壤源热泵空调系统在夏热冬冷地区的应用必然呈现多能互补的特色，提升土壤源热泵空调系统的能效。

1土壤源能源机房的应用分类

常见的土壤源热泵系统的形式如图一：

图一土壤源热泵空调系统不同形式表现

从图一可以看出，很多项目采用土壤源热泵+单冷+开式冷却塔的组合形式（即“第一类大主机系统”），其设计的总的指导思想是地埋管换热器及其组成的土壤源热泵主机可完全承担项目热负荷，在夏热冬冷地区冷负荷大于热负荷，选定的土壤源热泵机组承担相应的冷负荷后的不足部分由形式不同的单冷主机+开式冷却塔来承担，即所谓复合土壤源热泵空调系统。此系统中由于地埋管换热器只承担项目热负荷部分，地埋管换热器部分的投资较省，也为保证了地下土壤的蓄热和放热的热平衡性创造了条件。

其次，也有部分项目采用氟系统的主机或末端形式，即将水冷VRV或水环热泵（WLHP）空调可再生能源化，组成带地埋管换热器形式的水冷VRV或水环热泵或水冷VRV和水环热泵复合型土壤源热泵系统（即“第二类分散主机系统”），此类系统地埋管换热器的容量选择也是以满足项目热负荷为主要目的，夏季制冷换热不足部分由封闭式冷却塔或开式冷却塔+板换来承担。

第三大类为科技住宅系统中采用的土壤源热泵空调系统（即“第三类住宅科技系统”），其冷热源系统组成形式与第一类“大主机系统”类似，即是整个社区在地下室集中设置复合土壤源热泵能源站，在地下室或屋顶或地下室和屋顶集中设置置换新风机组，户内采用静态的地板置换新风技术、顶棚辐射管（或毛细管辐射）供冷供热等技术，以实现整个社区集中供冷供热，该系统的末端形式是温湿度独立控制技术在住宅项目集中使用的典范。

2实现高效土壤源能源机房的技术路径分析

土壤源热泵空调系统能效提升，可着眼于其自身的特点，地下换热器周围土壤的热平衡决定了系统的高效运作的可能性，多能互补的土壤源热泵形式成为复合土壤源热泵空调系统的内在要求；较大型土壤源热泵空调主机本身是靠八个阀门切换实现系统制冷制热的互相转换，与其搭配的单冷主机组成的系统本身就可以视为高效制冷机房的研究范畴，实现高效土壤源热泵机房本身的技术路径与高效单冷机房没有本质的区别；不同类型、不同效能的设备实现多能互补，服务于在高效情况下，满足所需负荷，其运行工况、运行策略本身需要统筹考虑，实现最优化运行；末端形式的不同、温差不同、出水温度不同，必然带来系统形式的变化，仍然需要精细化设计与实施才有可能带来土壤源热泵空调系统本身的高效运行。

2.1多能互补的土壤热泵冷热源形式促进系统高效

合理设计地埋管换热器的数量，在冷热源形式上采用土壤源热泵+单冷+燃气锅炉（或风冷热泵），或采用土壤源热泵+单冷+热源塔空调等空调形式，可以避免设计过多的、刻意规划设计的距离较远区域的地埋管换热器，规避较大的地源侧输送能耗带来的系统效率的下降。以土壤源热泵+单冷+热源塔空调组成的系统为例，当场地地埋管换热器设置区域面积不够用时，可以合理设计和安排地埋管换热器的数量和土壤源热泵空调系统的容量，采用能源塔空调承担一部分的冬季供热量，由土壤源热泵+单冷+能源塔空调共同承担项目的冷负荷，增强系统的灵活性和可调节性，有利于平衡地埋管侧的储热和放热，同时能源塔为满足冬季热负荷而设计的相对于夏季而“多余”的冷却塔可以供单冷系统合用。

对于有生活热水需求的系统，可以采用冷凝热回收热泵机组制取生活卫生热水，减少系统向土壤的排热量，是是缓解地源热泵系统土壤热不平衡的重要措施。

2.2高效单冷机房给土壤源机房带来的技术启示

高效制冷机房的若干技术措施同样类比于土壤源热泵空调系统的冷热水机房，有较多值得借鉴和参照的方面，罗列优化技术措施如图二所示。

图2  高效土壤源热泵冷热水机房优化措施

2.3末端形式带来的土壤源热泵空调系统的高效

在公建项目中采用的土壤源热泵空调系统+干盘管+除湿新风系统（排风冷凝热回收的二级除湿、双冷源除湿、溶液双级除湿等），或在科技住宅项目中普遍采用的顶棚辐射或毛细管或成品辐射板+除湿新风系统，其辐射部分往往仅需要16-18℃冷水，且往往有的系统双冷源除湿（如双冷源直膨除湿和溶液除湿）的一级除湿也只需要高温冷水，这为冷水主机使用高温冷水提供了便利条件，提高了主机的能效[1]。

科技住宅将原本设置在地下室机房或分散地下室的板式换热机组设置在了每户管道井内，即设置每户微型换热站。微型换热站设备内内置了板式换热器、循环水泵、热计量仪、分集水器等集成设备，可以在不需要户内辐射系统工作的时间段内关闭该辐射系统的运行，这不仅在户内辐射系统的使用上基本做到了多用多付费用、少用少付费用的一定公平性，末端系统可以按需启闭，对于减少机房内冷热源设备的能耗也发挥了积极的作用。

2.4多类型主机的土壤源机房控制策略的探讨

夏热冬冷地区保持土壤源热泵系统地源侧的热平衡是关键因素之一，必然要求多能互补土壤源热泵冷源形式参与其中，多能互补的冷热源形式必然带来不同形式的高性能主机应用到系统中以追求整个系统的高效，须根据不同冷源形式的特点来制定机房的控制策略。如在初夏，室外气温较低时，负荷较小时可以多开磁悬浮离心机，此时可以获得极高的主机能效；盛夏夜间当室外温度较低时，当需要单冷变频离心机处于40-60%运行负荷时，可以开启单冷变频离心机；当盛夏负荷较高，室外温度较高时，可以开启定频离心机，使其负荷处于90-100%满负荷，使其处于运行效率最高状态。

根据末端运行的特点，末端的流量和流量并不对应，摒弃过去加减载主机的固有思维，从传统根据流量加减载主机的方式改变为根据效率加减载主机，实现主机和冷水泵分开运行，末端需要供水多开水泵，末端需要供冷，多开冷机，在满足受控对象温湿度的前提下，通过预测和检测机房内所有投入设备的能耗瞬时值来调整整个机房的运行策略。

对于设有辅助调峰排热的冷却塔的系统，冷却塔的开启策略需要根据当地逐时湿球温度。通常会以室外湿球温度24.5℃作为冷却塔优先开启的临界温度，并通过测温井对地源井供回水温度的实时检测，合理的控制冷却塔的开启时间和台数，调节地源热泵系统全年排热量和吸热量，以此保证系统的高效运行。

2.5积极发挥精细化管理的作用提升项目品质

土壤源热泵空调系统在建设全过程中存在以下技术难题，主要体现在地埋管换热器、以及特殊末端形式的设计与建设过程中[2][3]。

从设计行业的从业水平看，虽然已经有一批熟悉土壤源热泵地埋管设计的从业人员，但仍有部分设计人员并不熟悉地埋管换热器的设计流程、设计方法或尚未从事过该系统的设计。导致地埋管换热器系统、机房内设备选型出现较大偏差（如土壤源侧水泵流量和扬程普遍偏大）。

从施工方管理角度看，采购的设备无法达到设计图纸既定的能效要求。在土壤源热泵核心部件即地埋管换热器的施工过程缺乏自身有效监督，监理、甲方未能深度参与整个地埋管换热器隐蔽过程的监管，导致整个系统无法正常工作也并不是鲜见的事情。

从运维的角度看，土壤源热泵机房自动化设计未实施或实施不到位，或即使实施到位了，没有专业的运维团队来管理，使得高度集成的BA控制系统成为摆设，即使是节能性很高的系统，也可能出现能耗较高的运行结果。

3结语

在夏热冬冷地区保持土壤源热泵空调系统高效运行的关键因素是保持地源侧土壤的热平衡，避免“热堆积”，导致热泵蒸发温度的降低和冷凝温度的升高，因此多能互补的冷热源方案和运行控制策略是重要保证措施。本文对土壤源热泵空调系统的能效提升提出浅薄的意见，期望抛砖引玉，随着超低能耗建筑的蓬勃发展，和全社会追求舒适性和低能耗事业的不断进步，必然会出现诸多新问题、新观点、新理念，这一话题将会有更多创新思维和更加深入的探讨。

参考文献：

[1]撒世忠,陆卫锋 某办公楼干盘管空调系统新风处理过程的探讨[J]. 江苏建筑，2021，第五期（总第215期）:115-117

[2] 鲍梁, 撒世忠,朱汉宝 土壤源热泵空调系统能效性再提升刍议[J]. 建筑热能通风空调, 2019,38(11): 53-56

[3] 撒世忠. 某大型装配式科技住宅户型的设计与施工[J]. 江苏建筑, 2021(3): 111-113