严寒地区建筑地源热泵系统运行效果分析

摘要：超低耗建筑的设计和建设，需要与当地的自然环境和气候环境相结合，注重利用当地的绿色能源，减少对能源的消耗，实现零消耗的目标。文章介绍了严寒地区建筑地源热泵系统，该系统借助当地的地热能、太阳能、电能等实现自给自足，有效减少了对能源的消耗，满足了严寒地区建筑所需要的各种功能，具有良好的环保效果，可以达到良好经济效果。

关键词：严寒地区；建筑；地源热泵系统；节能降耗

近年来，我国积极推动可持续发展，很多领域和行业纷纷响应。与交通、工业等行业相比，建筑行业在节能减排方面更具潜力。不仅如此，针对建筑的优化设计实现节能减排具有很强的可操作性，有助于减少对能源的消耗和对生态环境的破坏，促进人与自然的和谐。建筑能耗主要来自对建筑内部的供暖、供冷、热水、电力、通风等。

传统建筑在设计建筑过程中，注重优化住户个人感受，因此会注重从各个方面提高建筑的性能效果，在这个过程中往往会忽视建筑对能源的消耗。为了在建筑设计施工过程中贯彻节能减排理念， 很多新型建筑（如超低能耗建筑、近零能耗建筑等）纷纷涌现，这些新型建筑体现了设计者对节能减排的追求。

吉林某建筑项目考虑到建筑必须满足的各种功能需要及其产生的能耗，从当地能源实际出发，注重利用各种可再生天然能源，如地热能、太阳能等，建设一个系统性的能源转化系统，实现建筑自身整体近零能耗的效果，同时有效满足建筑的使用功能。

该建筑总面积4000平方米，于2017 年建设完成并通过验收，投入使用。该建筑主体可以分为两部分，分别是科研楼和实训厂房。其中，科研楼建筑面积为1200平方米，为二层框架结构。建筑整体坚持绿色、低耗的设计理念，结合本地区特有的自然地理环境和气候环境，有效利用可再生能源（如太阳能、地热能等），建设可以实现能源互补的系统，在有效满足建筑各项功能需求的同时，大幅降低了对能源的消耗，提高了建筑的整体运行效率和节能效果。

该建筑的近零能耗系统主要由电能、地热能、太阳能构成，其中电能为主要能源，由当地市政公司和电网提供。此外，建筑自身也有相应的发电设备，这就是风光互补发电系统，能够将风光能源转化为电能，供建筑系统使用。地热能为浅层地热能，来自建筑附近的浅层土壤；太阳能主要通过光伏发电的方式利用，还可以用于建筑自身热水的供应以及室内供暖。

1.1 土壤源热泵系统

该建筑所在地区为严寒地区，冬季时间很长，而且温度很低，室内必须供暖。供暖一般从10 月开始，到次年的4 月结束，供暖时间接近半年。因此，该地区建筑的一个主要能耗就是冬季的供暖。针对这一特征，在设计相应的近零能耗系统时，不仅要注重科学利用各种自然资源，如地热能、太阳能，还要设计一个高效率的热源机组，在此基础上设计符合建筑自身情况的运行策略，从而在满足建筑内部供暖的条件下有效减少建筑自身的能耗。

为了有效利用当地的地热能资源，本次案例中的建筑在科研楼配置了全热回收式土壤源热泵机组，将其作为为科研楼供暖的热源机组。机组蒸发器一侧设计为源侧，根据需要设计了122 口地埋井，每口井的井距为5m，井深则达到100m，使用20% 浓度的乙二醇水溶液为循环工质。机组采用蒸气压缩循环模式，冷凝器能提供热能，还可以实现热回收，满足建筑内部供暖和建筑内部生活热水的需要。

1.2 地埋直接供冷系统

该建筑科研楼所在地区地下20~100m 深度的土壤，其温度具有很强的稳定性，长期保持在9︒ C 左右，明显低于当地夏季室外气温。为了有效提高建筑内部供冷效果、减少能耗，可以将建筑内部室内毛细管末端与地下土壤直接联系，实现换热。在实践过程中，结合建筑自身特点配备了相应的地埋直接供冷系统，达到了良好的供冷效果，减少了对能源的消耗。

1.3 室内新风系统

科研楼的一层和二层都配备了全热回收新风处理机组，机组能够实现对空气的加湿加热，还可以实现对热能的回收，进而为建筑内部提供相应的风量，满足建筑相应的需要。

1.4 太阳能光热系统

该建筑的地源热泵系统还有效利用了太阳能，这是该系统一个非常显著的优势。太阳能作为最常见的清洁能源、可再生能源，具有丰富的使用价值。在打造近零能源建筑的过程中，很重要的一点就是要利用好太阳能。该建筑的地源热泵系统也科学利用了太阳能，能够为建筑提供生活热水、光热储热以及建筑内部供暖的功能，有效满足了建筑内部的相应需求。本系统中的太阳能还可以在过渡季节实现对地下土壤的补热，从而有效提高地下土壤的温度，有助于避免土壤产生冷堆积。不仅如此，还可以确保供暖初期地下土壤温度的稳定性。此外，本系统还可以有效提高进水温度，有助于减少对土壤的取热，又在一定程度上提升了土壤源热泵系统的效率，进一步降低了建筑总能耗。

为了准确检测地源热泵系统的运行情况及其能耗情况， 采用现场测量法对地源热泵系统的运行情况和数据进行采集，在此基础上对数据进行整理分析，进而得到系统具体设备的耗能情况、机组相应的 COP 及EER、土壤源热泵的制热效率、设备负荷率以及换热效率等，还可以准确分析系统在冬季的供暖效果，进而从整体来评价系统的运行效果及其应用价值。

2.1 冬季供暖工况下土壤源热泵系统运行评价研究

根据当地的供暖时间设计土壤源热泵系统的运行时间，具体来讲，该地区从每年的10 月25 日开始供暖，到次年的4 月10 号终止，供暖时间长达168 天。

经过现场测量，全面、准确地掌握了土壤源热泵系统在供暖期每月的水泵耗电量、机组耗电量、系统总耗电量、总制热量、机组COP 以及系统COP 的数据。具体来讲，土壤源热泵机组整个供暖期机组COP 为3.56，在不同月份其数据会出现波动。按照《民用建筑节能设计标准》的规定，3.56 的数据说明该系统处于高效区，而且具有良好的稳定性。具体来讲，系统在供暖期机组供热量为19372kW·h/m2。建筑供暖能耗为16.3kW·h/m2，根据国家标准，严寒地区近零能耗建筑的供暖能耗必须低于18kW·h/m2， 这说明该建筑达到了相应的国家标准。

2.2 夏季供冷工况下土壤源热泵系统运行评价研究

土壤源热泵系统运行时间设置为7 月1 日至8月31 日，共计62 天。

该土壤源热泵机组整个供冷期机组EER 为5.28，各个供暖月份有一定的波动，按照《民用建筑节能设计标准》的规定，该土壤源热泵EER 处在高效区，并且运行稳定。

可以发现土壤源热泵机组EER 在一定程度上受到地下土壤温度变化的影响，当地下土壤温度升高时，机组及系统EER 也随之变大。在对系统运行情况进行监测时，发现整个供冷期热泵机组内的三台压缩机只启动了两台，显然该土壤源热泵机组并没有全负荷工作，这也说明了机组完全满足了该严寒地区近零能耗建筑供冷的需求。

当室外平均温度升高时，机组的启停次数明显增加，整个供冷期机组平均启停次数为49.6 次，机组启停现象的出现表明室内温度满足了舒适度的要求，但是机组过于频繁地启停也对整个系统的使用寿命有着一定的影响，根据实际监测的运行数据可以看出该土壤源热泵系统能够保证建筑室内温度达到设计值。系统在7 月份和8 月份分别在部分负荷率为0.54 和0.56 的运行状态，说明该严寒地区近零能耗建筑的土壤源热泵系统选型基本达到设计预期。从控制策略上来看，还有一些可优化提高的空间。

综上所述，很多新型建筑，如超低能耗建筑、近零能耗建筑等纷纷涌现，体现了设计者对节能减排的追求。本文分析了某地一地源热泵系统建筑，根据现场测量数据可知，该系统能有效满足建筑内部各种需要，同时能实现近零能耗的目标，具有良好的应用效果和价值。

基金项目：创新训练项目——地源热泵性能与适用性研究（201913604019，吉教高字【2019】4254）；严寒地区近零能耗建筑多能互补技术体系应用研究（吉大创【2020】10，校科字 [2019]003）。