引言地源热泵系统是高效节能、有利于环保和可持续发展的冷热源技术[1]。建筑空调节能的研究方向是因地制宜地寻求高效率、经济技术合理、切实有效的节能系统方案[2]。成本是限制供热系统能源形式的重要原因之一，通过相关分析综合评价高昂的初期投资能否在后期运行中取得应有的经济效益[3]。复合式地源热泵系统根据建筑负荷累计特性合理分配系统的负荷占比，实现系统的长期高效稳定运行[4]。针对石家庄某建筑项目进行可行性分析，列举目前集中供冷供热住宅项目的几种常见冷热源形式，根据项目位置、一次能源费用、市政接驳费等情况，对比分析不同复合式地源热泵系统的效果，提出能源方案建议。1项目概况项目位于河北省石家庄市，建筑热工气候分区属于寒冷B区，为高端住宅项目，总建筑面积37 168.69 m2。其中，住宅地上建筑面积29 173.49 m2，最高高度54 m，商业面积548.08 m2。建筑设计户数249户，设计居住人数791人。建筑末端采用恒温恒湿系统，采用集中供冷供热形式，同时需考虑新风负荷，所有冷热负荷均由能源系统承担。高端住宅项目需要充分保证用户的冷暖需求，供冷供暖时间根据实际情况进行设计。河北石家庄地区室外设计参数：夏季干球温度35.1 ℃，夏季湿球温度26.8 ℃；冬季温度-8.8 ℃，冬季相对湿度55%。室内主要功能房间设计参数：夏季干球温度26 ℃，相对湿度65%；冬季干球温度18 ℃，相对湿度35%。本项目计算住宅面积拟采用地上建筑面积作为测算依据。为计算项目能耗指标，需要给出围护结构负荷指标和新风负荷指标：围护结构指标根据当地标准进行估计，新风负荷指标根据室外气象参数、室内设计点、换气次数进行计算。夏季：供冷天数根据室外气象参数设计，建议供冷日期为6月1日至9月30日，共计121 d。预估围护结构冷负荷指标为30 W/m2，夏季换气次数为0.8次/h，计算新风负荷为31.99 W/m2，夏季负荷指标为61.99 W/m2，计算冷负荷为1 808 kW，计算能耗指标为73.21 kWh/m2。冬季：供暖天数根据石家庄地区供暖标准确定，供暖日期为11月1日至3月31日，共计150 d。预估围护结构热负荷指标为25 W/m2，冬季换气次数为0.5次/h，计算新风负荷为18.39 W/m2，冬季负荷指标为43.39 W/m2，计算热负荷为1 266 kW，计算能耗指标为103.47 kWh/m2。项目地具有市政热力条件，市政住宅配套费40元/m2，商业配套费70元/m2。市政热力采暖收费标准18.7元/m2（22元/m2，高层建筑乘85%系数）。电价采用民用电，项目地民用电标准为0.52元/kWh。燃气费为2.68元/m³。2复合式地源热泵系统项目采用恒温恒湿系统，夏季集中供冷，冬季集中供暖，全年供应新风。北方地区优先考虑地源热泵系统，根据能源系统设计条件计算不同地源热泵配比情况下的初投资、运行费用、利润和回收期。地源热泵配比对投资效益的影响如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.007.F001图1地源热泵配比对投资效益的影响由图1可知，随着地源热泵配比升高，运行费用逐步下降，利润指标逐步上升；地源热泵配比较低时，随着地源热泵配比升高，回收期陡降，地源热泵配比超过50%时，静态回收期趋于平稳。因此，地源热泵配比超过50%时，投资回收期较短，运行费用较低，系统性价比最高[5]，针对50%配比进行设备选型。2.1主要设备选型地源热泵部分包括室外换热孔、地源热泵机组、地源侧水泵、空调侧水泵，预估室外换热孔的换热能力在夏季为40 W/m，冬季为30 W/m2。冷水机组部分包括冷水机组、冷却塔、冷却侧水泵、空调侧水泵。燃气锅炉部分包括燃气锅炉、锅炉循环泵、锅炉板换、锅炉二次侧循环泵。主要设备选型及初投资估算如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.007.T001表1主要设备选型及初投资估算序号项目性能描述数量初投资费用/万元1室外换热孔排热量694.8 kW，取热量502 kW，占地5 450 m2218孔218.002地源热泵机组制冷量585.5 kW，输入功率96.3 kW，COP6.21；制热量636 kW，输入功率134 kW，COP4.751台31.803地源用户侧循环泵流量150 m3/h，扬程35 m，功率30 kW2台6.004地源侧循环泵流量150 m3/h，扬程35 m，功率30 kW2台6.005冷水机组制冷量1 217.7 kW，功率214 kW，COP5.691台48.716冷却侧水泵流量250 m3/h，扬程35 m，功率37 kW2台7.407冷冻侧水泵流量250 m3/h，扬程35 m，功率37 kW2台7.408冷却塔流量250 m3/h，扬程7.5 kW1台7.509末端侧板换换热量653.22 kW，换热面积13.11 m22台1.3110末端二次侧板换流量200 m3/h，扬程35 m，功率30 kW2台6.0011锅炉供热量700 kW，耗气量73.4 m3/h1台14.0012锅炉循环泵流量40 m3/h，扬程25 m，功率5.5 kW2台1.1013锅炉板换换热量440.91 kW，换热面积6.11 m22台0.6114锅炉二次侧循环泵流量80 m3/h，扬程35 m，功率15 kW2台3.0015机房施工项管线阀门、保温、辅材施工、措施费等1项224.4216其他附属项电力扩容、燃气扩容、机房自控、机房配电等1项208.102.2初投资测算根据主要设备选型进行初投资估算。初投资分为4个部分，包括地源热泵系统初投资、冷水机组系统初投资、燃气锅炉系统初投资、其他附属项初投资。根据数据进行汇总，计算合计费用和费用指标。50%配比地源热泵系统的初投资为791.35万元，折合初投资指标为271.25元/m2。如果采用复合式地源热泵系统，初投资较高。2.3运行费用测算冬季采暖计算能耗指标为103.47 kWh/m2；夏季制冷计算能耗指标为73.21 kWh/m2。项目采用地源热泵+冷水机组+燃气锅炉形式。根据项目地的电费和燃气费计算，冬季地源热泵的性价比高于燃气锅炉。因此，系统优先开启地源热泵系统供暖，将燃气锅炉作为系统补充。运行策略会影响复合式地源热泵系统的运行效果、运行特性[6]。夏季冷水机组与地源热泵系统运行的性价比相差不大，考虑地温场平衡情况，夏季优先使用地源热泵，将冷水机组系统作为补充。复合式地源热泵系统运行的逐时负荷指标如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.007.F002图2复合式地源热泵系统运行的逐时负荷指标根据逐时负荷数据和电费、燃气费收费标准，项目夏季运行费用为7.44元/m2；冬季运行费用为18.45元/m2。新风机组全年开启，新风能耗根据换气次数和风机功率计算，风机全年运行费用为9.37元/m2。因此，系统全年运行费用为35.26元/m2。2.4地源热泵不平衡率测算地源热泵系统能够有效利用低品位热能，是空调技术的发展方向，设计的关键是确保系统全年热平衡[7]。地源热泵夏季向地下排热，将机组、水泵等设备的功率产热输送至地下。系统夏季的地下实际排热量为末端换热与机组产热的和，即夏季能耗×(1+1/COP)。地源热泵冬季从地下取热，机组、水泵等设备的功率产热输送给系统末端。系统冬季的地下实际取热为末端换热量与机组产热的差值，即冬季能耗×(1-1/COP)。根据复合式地源热泵系统运行逻辑计算冬季取热量和夏季排热量，从而计算不平衡率，考虑地温场自平衡能力，不平衡率10%时系统可以长时间高效运行。计算结果显示，不平衡率为6.56%，基本满足地温场平衡情况。3冷水机组+燃气锅炉项目不采用地源热泵系统时，地源热泵配比为0%，夏季采用冷水机组制冷，冬季采用燃气锅炉供热，初投资最低，但运行费用最高。冷水机组部分包括冷水机组、冷却塔、冷却侧水泵、空调侧水泵。燃气锅炉部分包括燃气锅炉、锅炉循环泵、锅炉板换等。根据主要设备选型进行初投资估算，计算合计费用和费用指标。系统总计初投资480.54万元，折合初投资指标为164.72元/m2。属于方案一在地源热泵配比为0%的条件下进行初投资分析，将表1主要设备选型及初投资估算表的地源热泵系统1~4项刨除，仅对冷水机组和燃气锅炉项进行重新计算。项目采用冷水机组+燃气锅炉形式，冬季采用燃气锅炉作为热源，夏季采用冷水机组作为冷源。系统运行情况与图2类似，冷热源运行变为单一形式。项目夏季运行费用为7.78元/m2；冬季运行费用为33.13元/m2。新风机组全年开启，新风能耗根据换气次数和风机功率计算，风机全年运行费用9.37元/m2。因此，系统全年运行费用为50.28元/m2。4冷水机组+市政热力冷水机组部分包括冷水机组、冷却塔、冷却侧水泵、空调侧水泵。末端为恒温恒湿系统，全年温度维持20~26 ℃，相对湿度为35%~65%。因此，采用市政热力作为热源时，系统在过渡季节无法满足采暖要求，需要配置锅炉满足过渡季的供暖需求。根据主要设备选型进行初投资估算，计算合计费用和费用指标。系统总计初投资446.36万元，折合初投资指标为153.00元/m2。3种方案中，采用冷水机组+市政热力供暖供冷时的初投资最低。系统夏季运行费用为7.78元/m2；冬季运行费用为18.70元/m2。新风机组全年开启，新风能耗根据换气次数和风机功率计算，风机全年运行费用为9.37元/m2。因此，系统全年运行费用为35.85元/m2。5结语三种方案中，冷水机组+市政热力系统的初投资费用最低，且运行成本较低，建议采用冷水机组+市政热力形式。不同项目的区域性质、一次能源费、市政开口费、设备采购价、地质条件等条件不同，可能导致结论不同。文中结果为能源方案设计提供参考，为业主在前期项目定位时提供准确设计思路。