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北京市某學校地源熱泵空調工程冬季運行的現(xiàn)場實測顯示，“太陽能+地源熱泵+水地暖”是一種理想的供暖系統(tǒng)。

工程概況

該工程規(guī)劃總占地面積為71322平方米，其中，規(guī)劃建設用地面積為57332平方米，規(guī)劃總建筑面積35800平方米，由中小學教學樓、實驗樓、小禮堂、公寓樓、食堂、體育館和附屬用房等建筑組成。

該工程選用地源熱泵系統(tǒng)作為所有建筑物末端能量釋放系統(tǒng)用冷熱源，除體育館、教師公寓和食堂外，各建筑物只需要冬季采暖熱源，不需要夏季制冷冷源。設計地源熱泵系統(tǒng)夏季提供7～12℃冷凍水，冬季提供45～40℃空調、采暖用熱水。

該工程地源熱泵系統(tǒng)的冷設計負荷為5892KW，該工程地源熱泵系統(tǒng)的熱設計負荷為2499.84KW。

該工程教學樓、學生宿舍、小禮堂和體育館采用水地暖，教師宿舍、食堂采用風機盤管，體育館采用風機盤管和全熱交換空調機組。

該工程地埋管系統(tǒng)冬季吸熱熱負荷大約1875KW，夏季放熱熱負荷大約707KW。

該工程冬季調試運行現(xiàn)場實測和情況分析

一、調試運行現(xiàn)場實測

該工程于2007年10月25日開始調試運行，地埋管循環(huán)水穩(wěn)定溫度為13.6℃，11月1日調試完畢，并開始給建筑物供暖。

調試運行一個月后，系統(tǒng)運行現(xiàn)狀如下：

2007年12月5日至15日，兩臺主機同時運行4個小時后，地下埋管換熱器平均進水溫度為3℃左右，平均出水溫度為7℃左右，出現(xiàn)機組的低溫保護自行停機，此時末端平均進水溫度為32℃左右，平均出水溫度為28℃左右，各房間溫度均能達到設計要求。

2007年12月16日至20日，兩臺主機同時運行3個小時后，地下埋管換熱器平均進水溫度為3℃左右，平均出水溫度為6.5℃左右，出現(xiàn)機組的低溫保護自行停機，此時末端平均進水溫度為30℃左右，平均出水溫度為26℃左右，此時風機盤管送出的風溫度達不到設計要求，低溫水地板輻射采暖部分房間溫度也不能達到設計要求。

2007年12月31日調試發(fā)現(xiàn)兩臺主機根本無法正常開啟，zui后通過增大地下埋管換熱器水流量，兩臺熱泵主機能同時運行3個小時左右，地下埋管換熱器平均進水溫度為3℃左右，平均出水溫度為6℃左右，維持5天后，機組的低溫保護自行停機，此時末端平均進水溫度為27℃左右，平均出水溫度為23℃左右，各房間溫度均不能達到設計要求。

2008年1月5日，通過開啟一臺熱泵機組，同時調節(jié)關斷不使用的房間和樓層，分時段和功能供給公寓食堂（中午和晚上）和教學樓，此時地下埋管換熱器平均進水溫度為3.5℃左右，平均出水溫度為6.7℃左右，末端平均進水溫度為32℃左右，平均出水溫度為28℃左右，房間溫度有所改善。

二、調試運行現(xiàn)場實測情況分析

從以上調試運行現(xiàn)場實測情況可以看出：該工程由于沒有經過夏天運行直接從冬季開始投入使用，也由于在該工程場區(qū)的水文地質以及地層熱物性參數(shù)條件下地埋管換熱器大面積集中布置，地源熱泵從大地提取熱量，地埋管換熱器周圍巖土體溫度逐漸降低，取熱條件逐漸惡化，進入地源熱泵機組的傳熱介質溫度降低，帶來地源熱泵機組性能系數(shù)的降低，導致地源熱泵機組zui后經常停機保護，不能正常運行，不僅影響地源熱泵系統(tǒng)的供熱效果，也降低了地源熱泵系統(tǒng)的整體節(jié)能性，特別是該工程冬、夏季逐時動態(tài)負荷相差甚遠，即冬季供暖時從地下取熱的累計熱量遠大于夏季空調時釋放到地下的累計熱量，也就是負荷總量變化特征是累積取熱型，這就意味著地埋管換熱器周圍巖土溫度逐年下降，zui終將不能運行，調整的關鍵措施是增加排熱。

該工程采用地源熱泵與低溫地板輻射供暖和風機盤管聯(lián)合運行方式。低溫地板輻射供暖是一種利用建筑物內部地面進行采暖的系統(tǒng)，該系統(tǒng)以整個或部分地面作為散熱面，其地板散熱面主要以輻射熱的形式（約占總熱量的61.25％）向室內散熱。低溫地板輻射采暖系統(tǒng)與傳統(tǒng)的散熱器供暖形式相比，一個突出特點是熱媒溫度低，熱媒溫度要求僅在30℃～60℃之間，而風機盤管要求的供水溫度不低于40℃，此時送出的風溫度才能達到要求，而且地面填充層的蓄熱結構增加了系統(tǒng)的熱惰性。在該工程的調試中發(fā)現(xiàn)：如果低溫地板輻射供暖供水溫度為40℃，熱泵主機比平時上班時間需提前約1小時開啟，室內方能達到設計溫度，而風機盤管不需要提前開啟，室內溫度就能達到要求；如果低溫地板輻射供暖供水溫度為35℃，熱泵主機比平時上班時間需提前約3小時開啟，室內方能達到設計溫度，風機盤管送出的風不能達到設計效果；如果低溫地板輻射供暖供水溫度為30℃，熱泵主機比平時上班時間需提前約6小時開啟，室內方能達到設計溫度，而風機盤管送出的風感覺很冷。以上室外溫度均為-9℃。地源熱泵主機要率提供高于40℃的低溫熱水，地埋管換熱器相應要提供較高的供水溫度，但根據(jù)土壤源熱泵運行特點，宜采用間歇運行方式，使土壤溫度場能得到有效恢復，從而提高熱泵的制冷（制熱）系數(shù)。低溫地板輻射供暖的持續(xù)性和土壤源熱泵運行的間歇性在經濟合理的條件下如何很好地耦合而協(xié)調工作是地埋管換熱器設計的關鍵環(huán)節(jié)。

太陽能作為地源熱泵輔助熱源改造方案

一、改造方案的依據(jù)

1．該工程豎直地埋管區(qū)域土壤環(huán)境溫度自然恢復周期長

2008年5月6日，從地埋管穩(wěn)定10小時循環(huán)水溫度中觀測到地埋管中水的溫度為10.1℃。正常運行的地源熱泵系統(tǒng)通常具備一定的恢復期，這個恢復期實際為大地自然調節(jié)能力的表現(xiàn)，但這種調節(jié)能力已受到負荷時間和負荷總量的限制，該工程從土壤吸收熱量遠遠超過大地的自然調節(jié)能力，為了系統(tǒng)的正常運行，必須增加輔助熱源。

2.豎直地埋管換熱器布置太集中

由于豎直地埋管換熱器布置太集中，埋管中心區(qū)域四面均有熱干擾，又由于低溫水地板輻射采暖的連續(xù)性，原埋管間距不能滿足地源熱泵主機的連續(xù)運行，而且當埋管區(qū)域土壤環(huán)境溫度下降到一定程度，中心區(qū)域的豎直地埋管換熱器無法從外界獲取熱量，有效地埋管換熱器數(shù)量相對減少，這更加需要增加輔助熱源在不采暖的季節(jié)向地埋管區(qū)域土壤蓄熱，從而適當提高地埋管區(qū)域土壤溫度，提高主機運行效率。

3.熱泵機組要提供該系統(tǒng)聯(lián)合運行的溫度

要同時滿足低溫地板輻射采暖所要求的供水溫度和風機盤管要求的供水溫度，就必須要求熱泵機組提供不低于40℃供水溫度，也就是要求地埋管換熱器要有較高的供水溫度和地埋管區(qū)域的土壤要有較高的溫度。這就要求地埋管區(qū)域的土壤必須從外界獲取滿足冬季使用