江苏省地质环境勘查院南通分院太阳能-地下水地源热泵耦合项目

江苏省地质环境勘查院南通分院新建的科研实验楼暨岩芯资料库、生产设备及检测用房，该楼位于江苏省南通市，为科研类办公楼，总建筑面积4241.44㎡(空调面积3397.9㎡)，建筑高度23.90m，地下1层为汽车库，地上分为6层主楼和2层附楼，主要功能为科研实验、岩芯资料库、生产设备、监测用房等。

一、项目基本情况

江苏省地质环境勘查院南通分院新建的科研实验楼暨岩芯资料库、生产设备及检测用房，该楼位于江苏省南通市，为科研类办公楼，总建筑面积4241.44㎡(空调面积3397.9㎡)，建筑高度23.90m，地下1层为汽车库，地上分为6层主楼和2层附楼，主要功能为科研实验、岩芯资料库、生产设备、监测用房等。

本项目核心机理：在不同工况下，采用辅助能源提高主机低温热源温度或降低主机高温热源温度，从而减少主机的做功能耗，实现系统多种能源耦合互补的节能运行。

二、工艺流程

本项目核心机理：在不同工况下，采用辅助能源提高主机低温热源温度或降低主机高温热源温度，从而减少主机的做功能耗，实现系统多种能源耦合互补的节能运行。

三、主要设备选型

a、主机

综合主机房层高较低、后期使用时主机可对应各末端分区独立配置、减少无用耗功、提高主机能效、多种能源应用时机组灵活调节、稳定可靠等多方面因素，设计选用2台螺杆式水源热泵主机（PSRHH.C.Y0701制冷量：247.1kW制热量：264.4kW）。夏季供回水温度为7/12℃，冬季供回水温度为45/40℃，制冷剂为R410A环保型冷媒。

热泵主机房位于地下一层，两台主机并联连接，可根据空调末端实际运行需求，匹配开启主机数量，每台主机也可调节运行比例，从而通过灵活调节减少系统运行中的无用耗功。

b、末端

空调房间采用风机盘管加新风的空调方式。

（一）空调水系统

空调水系统形式为：闭式两管制、水平同程立管同程、一次泵变流量系统。

机房设置3台空调冷热水循环泵（流量:60m3/h，扬程:30m），2用1备，所有冷热水循环泵均采用变频控制。

各层回水管上设动态流量平衡阀，空调冷热水供回水总管之间设旁通管及压差旁通阀。

末端风机盘管回水支管设置电动二通阀（双位调节），新风机组回水支管设置电动二通阀（连续调节）。

空调冷热水管路设电子水处理器及定压装置。

（二）空调风系统

房间内设置卧式暗装风机盘管，采用带三档调速的温控器，气流组织形式主要为侧送下回，个别机组采用上送上回。

新风由吊顶式空气处理机组提供，设于走廊吊顶，新风承担部分室内冷负荷，经处理后直接送至各空调房间。

各个风口结合空调室内装饰风格选取匹配的形式。

c、地下水换热系统

根据本项目空调系统冷热负荷为465/345kW，结合主机效率，需地下水承担的换热量为519.12kW/295.25kW，地下水利用温差取5℃，则对应夏季/冬季需抽取地下水水量为89t/h/51t/h。根据南通地区地下水地源热泵的实施情况，并结合项目所在地的水文地质情况及我院既有经验，项目所在地地下水取水能力约60～100t/h，按照“一抽一灌”原则，需施工取水井一口、回灌井一口，为满足示范中心监测要求，对地下水进行长期的水温、水质、水量、水位监测，需观测井三口，单井深约126米。地下水经板换机组接入主机循环。


室外水井自动监测控制系统：通过对热泵主机、地下水侧、太阳能集热侧及空调末端进出水温度、流量、水压等的监测，研究空调系统运行与地下水、集热系统及地温场变化的关系，积累多种能源综合应用的系统数据，通过自动化预控制，实现系统节约用能、科学用能。

（2）典型经验和做法

1）室外水井

在确定了运行工况与抽水—回灌井间距的情况下，对地下水源热泵供暖空调系统未来十年的热平衡发展趋势进行了模拟预测，并结合实际运行工况提出了多种方案如：增大温差或减小循环水量、适当调整春秋季节的抽水量与回灌量、冬季互换抽灌井的优化方法以解决系统热量堆积的问题，为地下水资源的合理开发

d、太阳能集热系统

本系统采用集中集热、集中储热太阳能热水系统。

考虑太阳能与地源热泵联合运行的关键时间为冬季，为了保证冬季太阳能系统可以高效、防冻、稳定的运行，采用了新型热管式真空管太阳能集热器，在6层屋面共布置了60台集热器，采光面积达180平方米。

根据屋面的有效利用面积进行布置。

建筑物与正南北方向夹角小于5°。为了美观性，集热器的布置与建筑物的边线一致。

减少建筑物对集热器以及集热器之间的太阳光遮挡。

两块集热场采用并联联接，为了避免水力失衡，采用了静态平衡阀。

考虑热泵空调的运行时间与太阳能采集的时间较为一致，本系统采用了小型缓冲水箱设计，并考虑真空集热管的高温性能，避免集热系统温度过高，采用了4t的承压水箱设计。

为了保证与外界系统进行高效的能量传输，采用了板式换热器设计。

太阳能集热系统，除了提供生活热水外，经板换切入热泵主机循环；地下水换热系统与太阳能集热系统均经同一板换接入热泵主机系统，并通过管路上的阀门启闭实现两套室外热源系统有机运行。

四、项目经济性、环境及社会效益

本项目总初投资为260万元（包含自动监测控制平台、太阳能集热系统），承担了项目的供冷供热及供热水需求，总量增加初投资约为45%，主要的增资部分为自动监测空调平台纳入了空调所有末端的监测与控制，此部分约占总量增加初投资的20%，根据两个冷暖季实际运行电费统计计算，本项目耦合运行节能率比单一能源系统节约26%，投资回收期约3.5年，经济效益明显；特别值得参考的是本项目把末端的监测控制均纳入控制平台，为不断的节能优化运行提供了支撑，后续通过数据分析，可以保证系统根据自身的使用特点不断的优化。

五、典型经验及做法

（一）室外水井

在确定了运行工况与抽水—回灌井间距的情况下，对地下水源热泵供暖空调系统未来十年的热平衡发展趋势进行了模拟预测，并结合实际运行工况提出了多种方案如：增大温差或减小循环水量、适当调整春秋季节的抽水量与回灌量、冬季互换抽灌井的优化方法以解决系统热量堆积的问题，为地下水资源的合理开发利用与地下水源热泵供暖空调系统的可持续运行提供决策依据。

2）空调系统经济效益

本项目空调系统 EERS 经测算约为： 5.7 （含照明、办公用电） >3.9

本项目空调系统 COPS 经测算约为： 7.8 （含照明、办公用电） 根据测算，系统的负荷平均为设计负荷的 72%。

3）太阳能与地下水水源热泵耦合式空调系统适用场景

太阳能冬季工况可提供供热负荷 20%以上热量的地区；

浅层地热能资源丰富地区， 地下水不丰富地区可用地埋管地源热泵与之耦合；

太阳能不丰富地区，可用余热热源进行代替，与地源或者水源进行耦合；

需要解决冷堆积的地区， 可用太阳能进行耦合， 既可以降低冷堆积， 又可以 在过渡季节进行预处理，实现蓄能。

（二） 空调系统高效运行分析

空调的预处理能够有效减少功耗， 采用自控集中调节， 根据每个房间的运行 状态，计算需求侧负荷大小，自动调节主机跟水泵。

设备的并联运行，方便启停，节能效果要明显优于变频跟压缩机调速。

大温差小流量能减少水泵耗功。

地温场维持在较好的温度区间，能够明显提高热泵主机的工作效率。

冬季联合运行时，冷凝器侧进、出水温度（45/50℃）一定的情况下，不同 的蒸发器进水温度对机组 COP 值影响成正比（+3%～5%），随蒸发器温度升高， 机组 COP 值增大，根据耦合切换温度 18℃概算，本项目在联合运行时，将蒸发 温度平均提高了 8.6℃，使得主机运行效率提高了 25.8%以上。

（三） 太阳能与地下水水源热泵耦合式空调系统适用场景

太阳能冬季工况可提供供热负荷 20%以上热量的地区；

浅层地热能资源丰富地区， 地下水不丰富地区可用地埋管地源热泵与之耦合；

太阳能不丰富地区，可用余热热源进行代替，与地源或者水源进行耦合；

需要解决冷堆积的地区， 可用太阳能进行耦合， 既可以降低冷堆积， 又可以在过渡季节进行预处理，实现蓄能。

六、存在的问题和建议

（一）问题

（1）设计与实际使用的负荷差别，导致系统长期处于高能耗状态。

（2）设备可以变频、调级、阀门可以调节，但是当直管路里处于非满管流时，压力、流量传感器都处于不稳定漂移状态，监测数据极不准确。

（3）系统非满负荷运行超过90%的时间，低负荷工况，很容易出现满足温差不满足流量而报警、满足流量不满足温差而浪费电能。

（4）系统设计时，管道根据最大流量确定，当季节切换或部分负荷运行时，通过变频调节了流量，在固定管径下，流速的变化带来了水泵耗功的波动。

（二）建议

多能互补项目需要从实际运行特点及规律出发进行系统的设计、实施，减少设计时生搬规范而带来的实际使用不节能现象，需要设计审核、实施管理及监理各个环节有相应的政策引导和支持。