江蘇省地質(zhì)環(huán)境勘查院南通分院新建的科研實驗樓暨巖芯資料庫、生產(chǎn)設備及檢測用房，該樓位于江蘇省南通市，為科研類辦公樓，總建筑面積4241.44㎡(空調(diào)面積3397.9㎡)，建筑高度23.90m，地下1層為汽車庫，地上分為6層主樓和2層附樓，主要功能為科研實驗、巖芯資料庫、生產(chǎn)設備、監(jiān)測用房等。

一、項目基本情況

江蘇省地質(zhì)環(huán)境勘查院南通分院新建的科研實驗樓暨巖芯資料庫、生產(chǎn)設備及檢測用房，該樓位于江蘇省南通市，為科研類辦公樓，總建筑面積4241.44㎡(空調(diào)面積3397.9㎡)，建筑高度23.90m，地下1層為汽車庫，地上分為6層主樓和2層附樓，主要功能為科研實驗、巖芯資料庫、生產(chǎn)設備、監(jiān)測用房等。

本項目核心機理：在不同工況下，采用輔助能源提高主機低溫熱源溫度或降低主機高溫熱源溫度，從而減少主機的做功能耗，實現(xiàn)系統(tǒng)多種能源耦合互補的節(jié)能運行。

二、工藝流程

本項目核心機理：在不同工況下，采用輔助能源提高主機低溫熱源溫度或降低主機高溫熱源溫度，從而減少主機的做功能耗，實現(xiàn)系統(tǒng)多種能源耦合互補的節(jié)能運行。

三、主要設備選型

a、主機

綜合主機房層高較低、后期使用時主機可對應各末端分區(qū)獨立配置、減少無用耗功、提高主機能效、多種能源應用時機組靈活調(diào)節(jié)、穩(wěn)定可靠等多方面因素，設計選用2臺螺桿式水源熱泵主機（PSRHH.C.Y0701制冷量：247.1kW制熱量：264.4kW）。夏季供回水溫度為7/12℃，冬季供回水溫度為45/40℃，制冷劑為R410A環(huán)保型冷媒。

熱泵主機房位于地下一層，兩臺主機并聯(lián)連接，可根據(jù)空調(diào)末端實際運行需求，匹配開啟主機數(shù)量，每臺主機也可調(diào)節(jié)運行比例，從而通過靈活調(diào)節(jié)減少系統(tǒng)運行中的無用耗功。

b、末端

空調(diào)房間采用風機盤管加新風的空調(diào)方式。

（一）空調(diào)水系統(tǒng)

空調(diào)水系統(tǒng)形式為：閉式兩管制、水平同程立管同程、一次泵變流量系統(tǒng)。

機房設置3臺空調(diào)冷熱水循環(huán)泵（流量:60m3/h，揚程:30m），2用1備，所有冷熱水循環(huán)泵均采用變頻控制。

各層回水管上設動態(tài)流量平衡閥，空調(diào)冷熱水供回水總管之間設旁通管及壓差旁通閥。

末端風機盤管回水支管設置電動二通閥（雙位調(diào)節(jié)），新風機組回水支管設置電動二通閥（連續(xù)調(diào)節(jié)）。

空調(diào)冷熱水管路設電子水處理器及定壓裝置。

（二）空調(diào)風系統(tǒng)

房間內(nèi)設置臥式暗裝風機盤管，采用帶三檔調(diào)速的溫控器，氣流組織形式主要為側(cè)送下回，個別機組采用上送上回。

新風由吊頂式空氣處理機組提供，設于走廊吊頂，新風承擔部分室內(nèi)冷負荷，經(jīng)處理后直接送至各空調(diào)房間。

各個風口結(jié)合空調(diào)室內(nèi)裝飾風格選取匹配的形式。

c、地下水換熱系統(tǒng)

根據(jù)本項目空調(diào)系統(tǒng)冷熱負荷為465/345kW，結(jié)合主機效率，需地下水承擔的換熱量為519.12kW/295.25kW，地下水利用溫差取5℃，則對應夏季/冬季需抽取地下水水量為89t/h/51t/h。根據(jù)南通地區(qū)地下水地源熱泵的實施情況，并結(jié)合項目所在地的水文地質(zhì)情況及我院既有經(jīng)驗，項目所在地地下水取水能力約60～100t/h，按照“一抽一灌”原則，需施工取水井一口、回灌井一口，為滿足示范中心監(jiān)測要求，對地下水進行長期的水溫、水質(zhì)、水量、水位監(jiān)測，需觀測井三口，單井深約126米。地下水經(jīng)板換機組接入主機循環(huán)。

工程井及觀測井平面布置圖

室外水井自動監(jiān)測控制系統(tǒng)：通過對熱泵主機、地下水側(cè)、太陽能集熱側(cè)及空調(diào)末端進出水溫度、流量、水壓等的監(jiān)測，研究空調(diào)系統(tǒng)運行與地下水、集熱系統(tǒng)及地溫場變化的關(guān)系，積累多種能源綜合應用的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過自動化預控制，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)約用能、科學用能。

（2）典型經(jīng)驗和做法

1）室外水井

在確定了運行工況與抽水—回灌井間距的情況下，對地下水源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)未來十年的熱平衡發(fā)展趨勢進行了模擬預測，并結(jié)合實際運行工況提出了多種方案如：增大溫差或減小循環(huán)水量、適當調(diào)整春秋季節(jié)的抽水量與回灌量、冬季互換抽灌井的優(yōu)化方法以解決系統(tǒng)熱量堆積的問題，為地下水資源的合理開發(fā)

d、太陽能集熱系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用集中集熱、集中儲熱太陽能熱水系統(tǒng)。

考慮太陽能與地源熱泵聯(lián)合運行的關(guān)鍵時間為冬季，為了保證冬季太陽能系統(tǒng)可以高效、防凍、穩(wěn)定的運行，采用了新型熱管式真空管太陽能集熱器，在6層屋面共布置了60臺集熱器，采光面積達180平方米。

根據(jù)屋面的有效利用面積進行布置。

建筑物與正南北方向夾角小于5°。為了美觀性，集熱器的布置與建筑物的邊線一致。

減少建筑物對集熱器以及集熱器之間的太陽光遮擋。

兩塊集熱場采用并聯(lián)聯(lián)接，為了避免水力失衡，采用了靜態(tài)平衡閥。

考慮熱泵空調(diào)的運行時間與太陽能采集的時間較為一致，本系統(tǒng)采用了小型緩沖水箱設計，并考慮真空集熱管的高溫性能，避免集熱系統(tǒng)溫度過高，采用了4t的承壓水箱設計。

為了保證與外界系統(tǒng)進行高效的能量傳輸，采用了板式換熱器設計。

太陽能集熱系統(tǒng)，除了提供生活熱水外，經(jīng)板換切入熱泵主機循環(huán)；地下水換熱系統(tǒng)與太陽能集熱系統(tǒng)均經(jīng)同一板換接入熱泵主機系統(tǒng)，并通過管路上的閥門啟閉實現(xiàn)兩套室外熱源系統(tǒng)有機運行。

四、項目經(jīng)濟性、環(huán)境及社會效益

本項目總初投資為260萬元（包含自動監(jiān)測控制平臺、太陽能集熱系統(tǒng)），承擔了項目的供冷供熱及供熱水需求，總量增加初投資約為45%，主要的增資部分為自動監(jiān)測空調(diào)平臺納入了空調(diào)所有末端的監(jiān)測與控制，此部分約占總量增加初投資的20%，根據(jù)兩個冷暖季實際運行電費統(tǒng)計計算，本項目耦合運行節(jié)能率比單一能源系統(tǒng)節(jié)約26%，投資回收期約3.5年，經(jīng)濟效益明顯；特別值得參考的是本項目把末端的監(jiān)測控制均納入控制平臺，為不斷的節(jié)能優(yōu)化運行提供了支撐，后續(xù)通過數(shù)據(jù)分析，可以保證系統(tǒng)根據(jù)自身的使用特點不斷的優(yōu)化。

五、典型經(jīng)驗及做法

（一）室外水井

在確定了運行工況與抽水—回灌井間距的情況下，對地下水源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)未來十年的熱平衡發(fā)展趨勢進行了模擬預測，并結(jié)合實際運行工況提出了多種方案如：增大溫差或減小循環(huán)水量、適當調(diào)整春秋季節(jié)的抽水量與回灌量、冬季互換抽灌井的優(yōu)化方法以解決系統(tǒng)熱量堆積的問題，為地下水資源的合理開發(fā)利用與地下水源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)的可持續(xù)運行提供決策依據(jù)。

2）空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟效益

本項目空調(diào)系統(tǒng) EERS 經(jīng)測算約為： 5.7 （含照明、辦公用電） >3.9

本項目空調(diào)系統(tǒng) COPS 經(jīng)測算約為： 7.8 （含照明、辦公用電） 根據(jù)測算，系統(tǒng)的負荷平均為設計負荷的 72%。

3）太陽能與地下水水源熱泵耦合式空調(diào)系統(tǒng)適用場景

太陽能冬季工況可提供供熱負荷 20%以上熱量的地區(qū)；

淺層地熱能資源豐富地區(qū)， 地下水不豐富地區(qū)可用地埋管地源熱泵與之耦合；

太陽能不豐富地區(qū)，可用余熱熱源進行代替，與地源或者水源進行耦合；

需要解決冷堆積的地區(qū)， 可用太陽能進行耦合， 既可以降低冷堆積， 又可以 在過渡季節(jié)進行預處理，實現(xiàn)蓄能。

（二） 空調(diào)系統(tǒng)高效運行分析

空調(diào)的預處理能夠有效減少功耗， 采用自控集中調(diào)節(jié)， 根據(jù)每個房間的運行 狀態(tài)，計算需求側(cè)負荷大小，自動調(diào)節(jié)主機跟水泵。

設備的并聯(lián)運行，方便啟停，節(jié)能效果要明顯優(yōu)于變頻跟壓縮機調(diào)速。

大溫差小流量能減少水泵耗功。

地溫場維持在較好的溫度區(qū)間，能夠明顯提高熱泵主機的工作效率。

冬季聯(lián)合運行時，冷凝器側(cè)進、出水溫度（45/50℃）一定的情況下，不同 的蒸發(fā)器進水溫度對機組 COP 值影響成正比（+3%～5%），隨蒸發(fā)器溫度升高， 機組 COP 值增大，根據(jù)耦合切換溫度 18℃概算，本項目在聯(lián)合運行時，將蒸發(fā) 溫度平均提高了 8.6℃，使得主機運行效率提高了 25.8%以上。

（三） 太陽能與地下水水源熱泵耦合式空調(diào)系統(tǒng)適用場景

太陽能冬季工況可提供供熱負荷 20%以上熱量的地區(qū)；

淺層地熱能資源豐富地區(qū)， 地下水不豐富地區(qū)可用地埋管地源熱泵與之耦合；

太陽能不豐富地區(qū)，可用余熱熱源進行代替，與地源或者水源進行耦合；

需要解決冷堆積的地區(qū)， 可用太陽能進行耦合， 既可以降低冷堆積， 又可以在過渡季節(jié)進行預處理，實現(xiàn)蓄能。

六、存在的問題和建議

（一）問題

（1）設計與實際使用的負荷差別，導致系統(tǒng)長期處于高能耗狀態(tài)。

（2）設備可以變頻、調(diào)級、閥門可以調(diào)節(jié)，但是當直管路里處于非滿管流時，壓力、流量傳感器都處于不穩(wěn)定漂移狀態(tài)，監(jiān)測數(shù)據(jù)極不準確。

（3）系統(tǒng)非滿負荷運行超過90%的時間，低負荷工況，很容易出現(xiàn)滿足溫差不滿足流量而報警、滿足流量不滿足溫差而浪費電能。

（4）系統(tǒng)設計時，管道根據(jù)最大流量確定，當季節(jié)切換或部分負荷運行時，通過變頻調(diào)節(jié)了流量，在固定管徑下，流速的變化帶來了水泵耗功的波動。

（二）建議

多能互補項目需要從實際運行特點及規(guī)律出發(fā)進行系統(tǒng)的設計、實施，減少設計時生搬規(guī)范而帶來的實際使用不節(jié)能現(xiàn)象，需要設計審核、實施管理及監(jiān)理各個環(huán)節(jié)有相應的政策引導和支持。

來源:國家能源局