引言
建筑节能和环保是贯彻可持续发展战略的重要组成部分，而建筑能耗又以暖通空调能耗为主，它们占建筑总能耗的 30%~50%,在采暖和制冷过程中，同时伴随着大量的有害气体和热污染排入大气，恶化环境。地源热泵属可再生能源，具有节能环保的优点，在实际工程中的应用也越来越多。烟台市作为全国可再生能源示范城市，出台相应的补助政策，鼓励可再生能源应用。本文以实际工程为例，探讨地源热泵技术在烟台地区公共建筑中的设计及应用。
1 工程概况
本项目为烟台地区某研发培训基地工程，由1 # 专家公寓、2# 餐厅、3# 专家公寓三栋建筑组成，各建筑结构特点及功能分布情况见表 1.
2 设计参数及动态负荷模拟
2.1 室内外设计参数依据现行的 GB50736- 2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》，室内外的设计参数见表2、表 3.另外，烟台地区逐时干球温度和日平均干球温度间见图 1、图 2.2.2 动态负荷计算与分析2.2.1 动态负荷模拟计算本工程中采用 HDY- SMAD空调负荷计算及能耗分析软件进行全年动态负荷的模拟计算，为后续的设计工作提供更为准确的数据。在全年动态负荷计算中根据房间功能特性按照公共建筑节能标准对“人员”“、照明”和“设备”进行分项设置，以照明为例进行说明，见图 3、图 4.
2.2.2 模拟结果分析通过模拟计算得到结果见图 5~8.
分析图 5~8 可得出结论：
1. 季节性能耗曲线分布图的变化趋势与全年能耗曲线分布图变化趋势相一致；
2. 空调设计最大冷热负荷约为 270kW、250kW.
3. 建筑物供冷和供热在 1 00%、75%、50%和 25%负荷下的时间分别占总时间百分比约为5%、20%、55%和 20%.
4. 全年制冷能耗总量为 271 275.55kW·h,制热能耗总量为 285274.1 7kW·h,全年冷热能耗不平衡率<5%,基本能够满足地源热泵系统要求的冷热均衡问题。
3 空调系统设计方案
本项目采用垂直地埋管地源热泵空调 + 地板辐射进行供冷和供暖。为保证系统冬季采暖效果，建筑单体内空调房间及卫生间内部均设置地板辐射采暖系统。
3.1 冷热源设备如图 5~8 所示，该工程采用 3台小型地源热泵机组 AQSW0412- NR,其中 2 台为空调用，1 台为生活热水用。单台机组制冷量 132.8kW,功率 24.8kW,单台机组制热量 135.3kW,功率 32.8kW,制冷工况下冷冻水进出水温度 12/7℃，地源侧进出水温度25/30℃；制热工况下热水进出水温度 40/45℃，地源侧进出水温度 10/5℃。
3 台机组均可通过阀门转换为空调用及生活热水用，地源侧地埋管均可通过阀门转换为空调用及生活热水用。空调侧和地埋侧系统均采用定压膨胀罐+ 补水泵补水定压，补水均为软化水。
3.2 室外土壤换热系统因地制宜是土壤换热器设计的重要原则，在特定条件下设计特定方案才是最优化设计方案。本项目周围仅有一定的绿化及停车场面积可供地埋管使用，设计方案中采用垂直双 U形埋管的方式，布置在绿化和停车场下靠近机房的位置。因为垂直埋管深度较深，一年四季相对恒温，取（散）热能力较土壤浅层大、换热能力强，通常是土壤浅层的 5 倍以上，所需占地面积较小。此外，室外钻井按同程形式布置，不仅保证系统水力平衡，而且单个热源井回路的故障对整个系统不会造成严重影响。
本设计采用垂直埋管系统。由专业厂家对项目区域进行地质勘查， 并进行土壤的热物性测试。根据地质结构情况、测井资料以及区域地质和水文条件工程设计垂直钻孔深度设计为 100m.根据相关规范并结合区域内相关项目经验，本方案设计埋管间距为 4m×4m,采用双 U型管土壤换热器，钻孔直径孔径 φ=150mm.
在室外埋管设计中每 6眼井连接成一路，每 4路连接到一个地埋管换热器供 1 台地源热泵机组使用，连接 3 台地埋管换热器的分集水器均可通过阀门转换，以平衡地下土壤源温度。
4 地源热泵空调系统与 VRV 空调系统经济性比较与分析
由于该项目所处区域没有城市集中热源，所以在项目设计初级阶段主要考虑地源热泵空调系统和 VRV空调系统两种方式。现将地源热泵系统和VRV空调系统进行初投资和运行费用方面的比较。初投资比较见表 4.
根据烟台地区相关数据空调年供冷运行时间约为90d 小时，年供热运行时间约为 150d.根据图6~ 8,供冷和供热在 1 00%、75%、50%和 25%负荷下的运行时间分别占总时间的 5%、15%、50%和 20%,可计算出空调系统冷热源设备年运行费用，见表 5.由表 5可知，两者运行费用相差约为 37- 28=9万元/年，地源热泵系统的简单回收期 3.6年。地源热泵机组设计使用年限 30 年，室外地埋管设计使用年限70年，系统运行30 年节约的费用为9万元/年×26年 =234 万元。另外，烟台市为全国可再生能源示范城市，根据《烟台市可再生能源建筑应用示范项目管理办法》对使用地源热泵供热、制冷的项目，按每平方米应用建筑面积20元的标准给予补助，采用地源热泵部分免缴基础设施配套费中的供热外管网部分收费。
5 自动控制
5.1 冷热源控制采用可编程控制器暖通智能控制系统的方式实现冷源机电设备的自动控制。
（1）冷、热负荷需求计算：根据系统当前流量值和设置在供回水总管上的温度传感器所感测到的温度，送至 PLC进行计算，得出建筑空调实际所需的冷热负荷。
（2）冷水机组台数控制：根据建筑所需冷负荷，调整机组运行台数，达到最佳节能目的。
5.2 水泵控制
5.2.1 空调侧水泵控制：采用恒温差控制系统通过温度传感变送器将感测到的供回水温度与设定温度比较，并判定差值，通过PID比例积分调节，将电网输入水泵的50Hz 的交流电，逆变为符合控制要求频率的交流电，使空调水泵按控制要求的转速运行，从而控制水泵的流量；同时监控主机出水温度用于保证空调主机的COP不受变流量控制的影响。
5.2.2 地源侧水泵变流量控制：采用恒温差控制系统通过温度传感变送器将感测到的供回水温度与设定温度比较，并判定差值，通过PID比例积分调节，将电网输入水泵的50Hz 的交流电，逆变为符合控制要求频率的交流电，使地源侧水泵按控制要求的转速运行，从而控制水泵的流量，控制供回水温度。
6 结论
地源热泵空调系统属可再生能源利用技术，是一种经济有效的节能技术，具有一机多用、应用广泛、节能环保等特点。本文通过对烟台地区某公共建筑地源热泵空调系统的分析介绍主要得出以下结论：
1. 采用地源热泵空调系统比采用 VRV系统初投资增加约 35%,年运行费用节约 32%左右，增加的初投资经济回收期约为 4.0年，并且能够一机多用，减少工程系统总量，节约成本。
2. 根据全年动态负荷计算可知，供冷供热满负荷运行所占的比例非常小，约有 3/4 的时间在≤50%负荷下运转，在进行冷热源匹配需要充分考虑冷热负荷的全年分布状况和全年冷热能耗的不平衡率，也说明全年动态负荷计算在地源热泵空调系统设计中的重要作用。
3. 地源热泵空调形式能够很好的保护环境、节约能源。鉴于近期全国大部分地区“雾霾”天气现象的增加，地源热泵在环保方面的优势必将更加显现，在一定条件下推动地源热泵技术的进一步发展。
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