以吉林某项目为例浅谈复合式供暖系统研究

以吉林某项目为例浅谈复合式供暖系统研究

田方正

中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院 450001

摘要：随着新能源技术的不断发展，越来越多的建筑采暖不再局限于单一热源，而是采用多热源耦合的形式，这样不但能够提高供暖系统应对各种复杂室外工况的能力，还能够在一定程度地降低运行成本。本文以吉林某项目为例，研究严寒地区复合式供暖系统，提出土壤源热泵耦合空气源热泵和土壤源热泵耦合蓄热式电锅炉两种热源形式，并与纯电采暖系统方案进行对比，发现在考虑初投资的情况下，采用土壤源热泵耦合空气源热泵的热源形式从整体来看依然具有一定的应用优势。

关键词：多热源耦合复合式供暖；热泵；蓄热式电锅炉

引言

在寒冷地区，受室外气温低等不利工况的制约，公共建筑采用单一热源供暖总会存在一些弊端，很难在采暖效果和经济环保两个方面达到平衡，因此，近年来越来越多的建筑采用多热源耦合的复合式供暖方案。本文以吉林高速公路某服务区为例，提出两种复合式供暖方案，并从采暖效果、初投资、运行成本等方面进行对比分析。

1项目基本情况介绍

本项目为吉林高速公路7个服务区的供暖方案研究，7个服务区因距离市区较远，无市政热源可用，因此，原设计供暖方案采用电热地膜及电散热器的形式。为了践行国家“双碳”战略，降低企业运营成本，根据业主要求，研究采用多热源耦合复合式供暖系统方案。

2项目调研

根据以往项目经验，东北地区由于夏季没有供冷需求或者供冷负荷远远小于供热负荷，冬季从土壤中取热无法及时补充，导致一到两个供暖季后系统运行工况已无法满足使用需求，所以地源热泵供暖系统在东北地区应用受限。

为了使此次设计方案满足经济可行的要求，借鉴其它成熟项目经验，实地考察调研了四个项目，分别是某旅游度假区管委会、某大学、高速公路服务区A和高速公路服务区B，下面分别介绍四个项目供暖系统方案。

某旅游度假区管委会采暖面积约7万平方米，热源为土壤源热泵+蓄热式电锅炉+市政热水，其中市政热水为备用热源，末端采用风机盘管空调系统，冬天采暖夏天供冷，能够一定程度平衡地热能的消耗。地源井约1000个，井深150m，井间距5m以上。目前设备运行正常，采暖效果良好。

某大学采暖面积约6.5万平方米，热源采用土壤源热泵+生物质锅炉，末端为低温热水地板辐射采暖系统，地源井约1000个，井深150m，井间距5m以上。生物质锅炉运行期间秸秆粉末飘散比较严重，对周围环境影响较大，另外由于秸秆颗粒热值低，运行成本高，因此只适用于采暖面积大而且对环境要求小的项目。

高速公路服务区A采暖热源为蓄热电锅炉，高速公路服务区B采暖热源为空气源热泵，末端均为低温热水地板辐射采暖系统。两个服务区的设备运行正常，采暖效果良好。

3方案论述

通过分析考察调研结果可知，利用地热能可以稳定运行的项目均采用土壤源热泵耦合其它热源的复合式供暖形式，单纯采用土壤源热泵无法维持稳定的使用效果。另外，由于吉林地区地下水资源短缺，水源热泵使用受限，因此本次设计提出两种土壤源热泵耦合其它热源的复合式供暖方案。

下面以7个服务区中面积最大的1号服务区为例，分别介绍这两种方案。1号服务区采暖面积共9119.38m

²，设计热负荷660.1kW。

3.1方案一：土壤源热泵+空气源热泵+末端地板辐射

方案一热源采用土壤源热泵耦合超低温空气源热泵的形式，末端采用低温热水地板辐射采暖。考虑到极寒天气下空气源热泵制热出力衰减的情况，方案一设备选型为2台额定制热功率200kW的土壤源热泵耦合5台额定制热功率150kW的超低温空气源热泵。

方案一运行模式为：白天室外温度相对较高，空气源热泵制热效率高，此时采用空气源热泵全功率运行、土壤源热泵为低功率运行的模式；夜间室外温度低，空气源热泵制热效率低，此时采用土壤源热泵全功率运行、空气源热泵低功率运行的模式。这种运行模式在保证地热能长期稳定的前提下，又能最大化地节省运行费用。

3.2方案二：土壤源热泵+蓄热式电锅炉+末端地板辐射

方案二热源采用土壤源热泵耦合蓄热式电锅炉的形式，末端采用低温热水地板辐射采暖。方案二设备选型为2台额定制热功率400kW的土壤源热泵耦合2台额定制热功率245kW的蓄热式电锅炉。

方案二运行模式为：谷电时段土壤源热泵全功率运行，用以保障服务区用热负荷需求，此时蓄热式电锅炉也全功率运行，将热量储存在蓄热水箱中；非谷电时段将蓄热水箱中热量进行释放，并配合土壤源热泵低功率运行，此时蓄热式电锅炉停机，这种运行模式能够尽可能降低电耗。

4初投资及运行成本

方案一初投资主要包括设备及安装费185万元，机房建设费20万元，末端地板辐射228万元，共计433万元；供暖运行成本51万元/年。

方案二初投资主要包括设备及安装费235万元，机房建设费30万元，末端地板辐射228万元，共计493万元；供暖运行成本47万元/年。

原设计方案初投资共计255万元，供暖运行成本98万元/年。

根据各方案初投资及运行成本估算可知，方案二初投资最大，方案一次之，原设计方案最小；从后期运行成本来看，方案一和方案二较原设计方案每年能够节省大约一半的费用。根据测算，大约运行4个采暖季后，方案一相较原设计方案节省的运行成本能够抵消初投资的增加；大约运行5个采暖季后，方案二相较原设计方案节省的运行成本能够抵消初投资的增加。

4方案比选

根据以上方案论述和经济分析，对比总结各方案优缺点可知：方案一采用土壤源热泵+空气源热泵+末端低温热水地板辐射的供暖形式具有节省电能、环境友好、运行成本低的优点，并且多热源耦合根据不同室外工况选择不同的运行模式，采暖效果好；缺点是初投资相对较大。方案二采用土壤源热泵+蓄热电锅炉+末端低温热水地板辐射的供暖形式，优缺点与方案一相似，同时由于蓄热式电锅炉需要配套蓄热水箱一起使用，机房占地面积较大。原设计采用电散热器的单热源供暖方案具有初投资最小、运行模式最简单的优点；缺点是设备运行耗电量大，后期运行成本高、经济性差，另外，从采暖效果上来看，散热器也不如低温热水地板辐射。

通过以上对比可知，方案一无论从运行成本还是采暖舒适性上都具有一定的优势，运行4个采暖季后，方案一相较原设计方案节省的运行成本能够抵消初投资的增加。因此，推荐采用方案一作为7个服务区的地源热供暖方案。

结束语

综上所述，为了在保证供暖效果的前提下提高项目的经济性，采用多热源耦合复合式供暖是很好的选择。但是，由于其系统构成元素多、运行模式复杂，多热源耦合复合式供暖方案需要反复计算、反复比对才能达到理想的效果。

参考文献

[1]刘逸.复合式热泵供热系统的耦合特性研究[D].哈尔滨工业大学,2011.

[2]黄慷，赵兵，邢同飞，韩施方，吴芒.复合式地源热泵系统运行分析[J].暖通空调,2016，46(02):111-117.

[3]马婷婷.复合埋管式土壤源热泵系统性能研究[D].重庆大学,2015.

[4]王刚,赵琰.土壤源热泵供暖间歇运行时间的计算分析[N].化工学报,2020，71(S1):430-435.

[5]唐杉，易骏.蓄热电锅炉的供热系统及其技术经济应用[J].工程技术研究,2017（11）:111-112.