1工程概况南开大学津南校区地源热泵系统位于核心区能源站，为核心区的体育中心、图书馆、综合教学楼、综合实验楼、学生活动中心、业务东楼、业务西楼等7座建筑提供夏季制冷和冬季供暖，建筑面积共计219 407 m2。地源热泵系统技术及设备参数分别如表1及表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.013.T001表1地源热泵系统技术参数技术参数数值夏季供冷负荷/kW20 613冬季供热负荷/kW16 439系统供冷参数/(℃/℃)6/13系统供热参数/(℃/℃)38/45地源侧供冷参数/(℃/℃)30/35地源侧供热参数/(℃/℃)5/8夏季单孔平均放热（标况）/(W/m)64.2冬季单孔平均取热（标况）/(W/m)41.7总钻孔数1 800孔深/m120孔间距/m5孔径/mm200埋管形式双U型垂直埋管材质聚乙烯管循环液清水10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.013.T002表2地源热泵系统设备参数序号设备名称技术参数功率/kW数量1离心热泵机组夏季Q=3 450 kW6516冬季Q=3 100 kW6482供冷一级泵L=430 m³/h，H=12 m2263供热一级泵L=360 m³/h，H=13 m1544体育馆二级泵夏季：L=156 m³/h，H=30 m22—3—冬季：L=168 m³/h，H=20 m5学活二级泵夏季：L=800 m³/h，H=48.5 m1603冬季：L=380 m³/h，H=20 m3036图书馆二级泵夏季：L=320 m³/h，H=38 m75—3—冬季：L=490 m³/h，H=27 m7地源侧水泵夏季：L=635 m³/h，H=32 m904冬季：L=685 m³/h，H=33 m8燃气锅炉2.8 MW—2系统设有调峰冷热源，调峰冷源为冷却塔，调峰热源为燃气真空锅炉。土壤源换热器分布于能源站周边体育场和绿地区域。系统采用分区域二级泵系统，采用二管制，一级泵定流量，二级泵变流量，冷热水共用型空调水系统，通过能源站内阀门实现冷、热运行模式切换。二级系统分3个功能区：第一功能区为体育馆，第二功能区为学生活动中心、公教楼、公共实验楼，第三功能区为图书馆、业务楼。2自控系统采用分布式系统实现系统上位、下位的监控，系统所有设备的监控、操作都在工程师站或操作员站的计算机上实现，主要控制模块为西门子S7-300PLC以及S7-300PLC模块构成的系统。自动系统极大提高了系统运行的可靠性，实现了对整个热泵系统的分散控制和集中管理。(1) 根据运行策略决定制冷与供热系统的状态，并通过电动阀和运行泵进行自动切换、自动运行与调节。(2) 任意工况下，根据主机负荷率，辅以由主机换热器进口水温判断负荷变化趋势，自动实现主机及附属一级泵及地源侧循环系统的启动与退出。(3) 根据制冷或供热工况以安全运行的顺序实现整个热泵系统启动、运行、停机的安全运行。(4) 热泵系统接收集控系统发出的指令，根据机组运行负荷率，辅以机组换热器进口温度判断负荷变化趋势，自动决定机组及相关辅助系统的投入及退出。(5) 根据土壤温度监测，通过土壤及土壤换热器出水温度变化，自动控制土壤换热器工作状态；并提示冷却塔或燃气锅炉的介入运行。(6) 实现一级泵的恒流量运行，根据最不利环路的压差及温差实现二级泵的变流量控制。(7) 所有运行状态、运行参数的采集、监测、报警、储存。3运行分析3.1运行参数2016年设备投入运行，在天气极寒和酷暑季节学校均处于放假状态，系统负荷不高，因此冬夏季调峰的锅炉和冷却塔只在设备调试阶段短暂运行，其他时间均没有投入使用，仅依靠机组本身就能满足用户需求。地源热泵系统夏季典型日运行参数如表3所示。当日系统开启1#机组，启动1台地源泵、2台制冷一级泵实测机组流量为687 t/h。地源侧平均供水温度25.99 ℃，平均回水温度29.47 ℃，平均温差3.48 ℃；用户侧平均供水温度7.4 ℃，平均回水温度10.52 ℃，平均温差3.12 ℃。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.013.T003表3夏季运行地源侧及用户侧供回水温度时间地源侧供水温度地源侧回水温度用户侧供水温度用户侧回水温度8:0025.0129.288.2512.239:0025.2129.308.0511.2310:0025.5229.706.9310.2311:0025.6329.747.2110.5612:0026.4829.897.3410.4513:0026.6129.817.0010.8714:0026.6629.786.909.9815:0026.7029.367.219.9316:0026.2629.257.1210.1217:0025.9429.037.5610.2718:0025.8828.987.849.87℃地源热泵系统冬季严寒期典型日运行参数如表4所示。当日系统开启4#机组，启动1台地源泵、2台供热一级泵，实测机组流量541 t/h。地源侧平均供水温度6.05 ℃，平均回水温度3.96 ℃，平均温差2.09 ℃；用户侧平均供水温度42.8 ℃，平均回水温度36.9 ℃，平均温差5.9 ℃。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.013.T004表4冬季运行地源侧及用户侧供回水温度时间地源侧供水温度地源侧回水温度用户侧供水温度用户侧回水温度8:006.464.0041.333.69:006.243.8942.135.210:006.063.7442.936.411:005.983.8143.136.812:005.923.8943.237.313:005.943.9243.137.514:005.963.9942.937.715:006.014.0243.137.816:006.004.0643.237.717:005.994.1042.937.918:006.014.1143.038.0℃3.2机组COP值根据机组典型日实际运行参数实测机组COP值(FCOP)。FCOP=QP (1)式中：Q——机组每小时的制冷量或制热量，kW；P——机组每小时耗电量，kW。Q=C×m×ΔT/3 600(2)式中：C——水的比热容，取值4.2 kJ/(kg·℃)；m——机组循环水量，kg/h；ΔT——用户侧供回水平均温差，℃。夏季制冷季，实测机组的循环水量为6 870 004 kg/h，用户侧实测温差为3.12 ℃，实测运行期间每小时的耗电量为508.21 kWh，带入数据得出COP值为4.92。冬季取暖季，实测机组的循环水量为651 000 kg/h，用户侧实测温差为2.09 ℃，实测运行期间每小时的耗电量为478.75 kWh，带入数据得出COP值为3.32。根据计算结果得出，机组无论在夏季还是在冬季都能满足设计要求，基本达到设计参数冬季取暖季的COP值低于制冷季。4运行成本及经济性2016年机组投入使用，现统计2016年～2019年的用电量和用水量。其中，电费单价为0.49元/kWh；水费单价5.55元/t；燃气费用单价为2.68元/m3。2016年～2019年夏季制冷季能源消耗统计如表5所示。2016年～2019年冬季供暖季能源消耗统计如表6所示。2016年～2019年年其他运行费用如表7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.013.T005表52016年～2019年夏季制冷季能源消耗统计项目2016年2017年2018年2019年电力消耗/MWh6 961.62 662.364 81 9381 355.076 2电力费用/元3 411 1841 304 559949 620663 987消耗水量/t5 4253 2472 8821 369水费/元30 10918 02115 9957 598总费用/元3 441 2931 322 580965 615671 585单位面积成本/(元/m2)15.686.024.403.0610.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.013.T006表62016年～2019年冬季供暖季能源消耗统计项目2016年2017 年2018年2019年电力消耗/MWh7 585.034 638.679 23 681.1632 636.38电力费用/元3 716 664.72 272 952.81 803 769.41 291 826.2燃气消耗/m3—22 434——燃气费用/元—60 123.1——消耗水量/t3 4023 0182 2451 765水费/元18 71116 59912 347.597 075总费用/元3 735 375.72 349 674.91 816 116.91 388 901.2单位面积成本/(元/m2)17.0210.718.286.3310.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.013.T007表72016年～2019年年其他运行费用项目2016年2017年2018年2019年能源站运维费 /万元65655555末端运维费/万元17171717设备维修费/万元5.85.67.99.7设备保养费/万元———9.675总费用/万元87.80087.60079.90091.375单位面积费用/（万元/m2）4.004.003.644.16根据4年的运行数据，年平均单位建筑面积制冷能源费用为7.29 元/m2；年平均单位建筑面积供暖能源费用为10.59 元/m2。根据4年的运行数据，年平均单位建筑面积其他运行费用3.95元/m2。年单位运行成本为制冷成本、制热成本与年其他运行费用之和为21.83 元。能源站建筑总投资为3 857万元，按折旧年限15年计算，计算得出单位建筑面积年折旧费用11.72 元/m2。按照《天津市发展改革委关于我市调整非居民供热价格的通知》津发改价管〔2013〕1135号规定非居民供热价格为建筑面积每平方米40元。商业制冷价格参照南开大学津南校区周边学校及工商业中央空调制冷价格为制冷季按建筑面积计算20元/m2～30元/m2，不妨取中间数按照25元/m2计算。每年可以节约能源费用为（社会供冷价格+社会供暖价格－运行成本－折旧费用）×建筑面积=6 900 350元，收回成本年限=38 570 000÷6 900 350=5.59年。5结语通过对南开大学新校区地源热泵空调系统实际运行的计算分析，证明北方新建建筑利用地源热泵系统夏季制冷、冬季供暖具有很好的经济效益、环保效益和发展前景。