舒適家居網(wǎng)訊：通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國北方地區(qū)中小學(xué)校冬季供暖不論是在舒適性還是在節(jié)能性上都存在諸多不足，優(yōu)化空間非常大。通過查閱文獻(xiàn)，對我國北方城市、北方農(nóng)村、西北農(nóng)村及一些歐洲國家中小學(xué)校供暖情況進(jìn)行了深入調(diào)研，發(fā)現(xiàn)都存在供暖能耗高、室內(nèi)舒適性差的問題，甚至農(nóng)村地區(qū)的中小學(xué)校還存在安全隱患，具體調(diào)查結(jié)果見表1。
隨著供暖技術(shù)的發(fā)展，供暖模式如雨后春筍般發(fā)展起來，不同供暖模式各有利弊，通過文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)對比了4種常見供暖模式的優(yōu)勢和弊端，如表2所示。
本文以電驅(qū)動地源熱泵系統(tǒng)用于青島市中小學(xué)校供暖的實(shí)際項(xiàng)目為例，總結(jié)典型問題，分析本質(zhì)原因，提出定性解決思路，旨在提高電驅(qū)動熱泵系統(tǒng)用于我國北方地區(qū)中小學(xué)校供暖的實(shí)用性和增強(qiáng)其優(yōu)越性。
1項(xiàng)目介紹
于2018年3月16-20日對青島市2所小學(xué)（以小學(xué)A和小學(xué)B代稱）進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研和測試,測試期間處于末寒期，室外環(huán)境溫度為3~10 ℃，相對比較暖和，供暖負(fù)荷較小。青島市屬于寒冷地區(qū)，供暖時間為每年的11月16日至次年的4月5日，共141d。2所小學(xué)均使用電驅(qū)動地源熱泵系統(tǒng)供暖，其系統(tǒng)簡圖分別見圖1，2。
小學(xué)A建筑面積29060m2，供暖面積23780m2，地上共5層，地下1層，供暖熱源為1臺地源熱泵機(jī)組和10臺空氣源熱泵機(jī)組；小學(xué)B建筑面積15000m2，地上共5層，地下2層，供暖熱源為2臺地源熱泵機(jī)組。2所小學(xué)的供暖水系統(tǒng)均采用兩管制一級泵變流量系統(tǒng)；末端教室和辦公室均采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)形式，新風(fēng)經(jīng)過吊頂熱回收式新風(fēng)換氣機(jī)回收部分排風(fēng)熱量后送入室內(nèi)。
2所小學(xué)校供暖系統(tǒng)的熱泵和主要水泵額定參數(shù)分別如表3，4所示。根據(jù)額定裝機(jī)容量計(jì)算得到小學(xué)A和小學(xué)B的裝機(jī)指標(biāo)分別為53.7 W/m2和76.7W/m2，裝機(jī)指標(biāo)偏大。
2.中小學(xué)校負(fù)荷特點(diǎn)
中小學(xué)校供暖的最大特點(diǎn)是供暖需求為間歇性的，與居住建筑連續(xù)穩(wěn)定供暖不同，它僅需在工作時間供暖，夜間、假期都不需要供暖，供暖系統(tǒng)的運(yùn)行管理相對復(fù)雜，對系統(tǒng)控制提出了很高的要求。
中小學(xué)校供暖季耗熱量指標(biāo)低，但熱負(fù)荷差異大，原因是：中小學(xué)校實(shí)際供暖時間較短、寒假不需要供暖；教室人員、燈光、設(shè)備產(chǎn)熱量大，使得中午、下午室內(nèi)熱負(fù)荷非常低甚至為冷負(fù)荷，但由于夜間自然蓄冷及室內(nèi)產(chǎn)熱延遲，早上及上午熱負(fù)荷較大，因此一天內(nèi)熱負(fù)荷差異較大。
教室人員密度高，新風(fēng)需求量大,新風(fēng)負(fù)荷大。但實(shí)際上大多數(shù)新風(fēng)系統(tǒng)難以滿足學(xué)生需求，而上課期間新風(fēng)不足容易導(dǎo)致學(xué)生乏困，因此學(xué)生習(xí)慣在課間開窗自然通風(fēng)，這樣容易導(dǎo)致課間教室內(nèi)溫度波動較大。因此，中小學(xué)校合理供給新風(fēng)顯得尤為重要。
3典型問題分析
3.1 過量供熱——放學(xué)時段耗熱量高
中小學(xué)校供暖具有間歇性，運(yùn)行管理復(fù)雜,而學(xué)校一般缺乏專門的管理人員，因此運(yùn)行管理問題嚴(yán)重——在無供暖需求的時段大量耗熱。圖3顯示了小學(xué)A19日（周一）1：00至20日（周二）11：00的逐時耗熱量，可以看到，在周一16：00到周二07：00期間熱泵依然同白天一樣正常制熱，其間制熱量占全天制熱量的57%（如圖4a所示）。同樣的問題在小學(xué)B也存在，圖5所示為小學(xué)B19日（周一）07：00至20日（周二）07：00的逐時耗熱量，可以看到，雖然相比小學(xué)A有所好轉(zhuǎn)，但放學(xué)時段耗熱量占比仍然達(dá)到38%（如圖4b所示）。
3.2 機(jī)組頻繁啟停，制熱能效比低
中小學(xué)校寒假不需要供暖，因此其實(shí)際尖峰負(fù)荷應(yīng)較低。但實(shí)際項(xiàng)目中，一方面由于負(fù)荷設(shè)計(jì)偏大，另一方面機(jī)組選型不合理，導(dǎo)致裝機(jī)容量偏大。中小學(xué)校熱負(fù)荷波動幅度大，再加上單臺熱泵裝機(jī)容量大，使得熱泵機(jī)組長期處于低負(fù)荷率運(yùn)行狀態(tài)，或頻繁啟停。負(fù)荷率過低導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行性能降低，頻繁啟停不僅電耗高，而且對機(jī)組損傷大，降低機(jī)組壽命。
圖8顯示了小學(xué)B19日（周一）12：00-24：00機(jī)組回水溫度的變化情況。熱泵機(jī)組平均COP低至2.35，遠(yuǎn)低于額定值3.76。
3.3 水系統(tǒng)輸送系數(shù)小，水泵運(yùn)行性能差
水系統(tǒng)輸送系數(shù)小的問題普遍存在于很多實(shí)際工程中，對于運(yùn)行管理較差的中小學(xué)校來說更為突出，如表5所示，小學(xué)A用戶側(cè)和熱源側(cè)輸送系數(shù)分別為11.6和14.5。
3.4 多臺熱泵并聯(lián)時旁通混水情況嚴(yán)重，導(dǎo)致輸送溫差小
實(shí)際工程中，往往由多臺熱泵并聯(lián)為建筑供暖，運(yùn)行中多采用臺數(shù)控制，僅開啟部分熱泵運(yùn)行。這種情況下容易出現(xiàn)熱泵關(guān)閉后水閥開啟，導(dǎo)致旁通混水現(xiàn)象，進(jìn)而造成能源品位浪費(fèi)和輸送能源浪費(fèi)。如圖10所示，小學(xué)A配置的10臺空氣源熱泵與1臺地源熱泵并聯(lián)運(yùn)行。
以青島市某空氣源熱泵系統(tǒng)為例，如圖12所示，4臺空氣源熱泵（編號熱泵1~4）并聯(lián)，其中熱泵1和熱泵2處于停機(jī)狀態(tài)，46.5℃的回水通過熱泵1和熱泵2漏熱后溫度分別降低0.4℃和0.3℃，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)漏熱量占到熱泵3和熱泵4制熱量的20%。
3.5 末端教室溫度波動和新風(fēng)不足
溫度是最重要的環(huán)境參數(shù),控制室內(nèi)溫度也是供暖的主要目的，但是由于水力不平衡、部分負(fù)荷下熱泵頻繁啟停、開關(guān)門窗導(dǎo)致局部滲風(fēng)等引起過冷或者過熱的問題。圖13顯示了2018-03-19T14：00-16：30期間抽測小學(xué)B1~3層各1間教室得到的溫度變化情況。
除此之外，由于中小學(xué)校建筑內(nèi)人員密度高，空氣新鮮程度（用CO2濃度反映）也是非常重要的控制參數(shù)。圖14顯示了小學(xué)A某教室2018-03-19T12：00-17：00期間溫度和CO2體積分?jǐn)?shù)的變化情況。
總結(jié)與思考
前面對小學(xué)A和小學(xué)B供暖系統(tǒng)存在的典型問題分別進(jìn)行了整理和分析，下面從更宏觀的角度總結(jié)這些典型問題并思考主要矛盾。
這些典型問題分為2類：一是供暖系統(tǒng)普遍存在的系統(tǒng)問題，比如輸配能效比低，其具體原因包括水泵的設(shè)計(jì)選型不合理導(dǎo)致水泵效率低及部分負(fù)荷下水系統(tǒng)大流量小溫差運(yùn)行，直接原因在于控制策略和運(yùn)行管理太差，這類問題可以通過優(yōu)化控制與加強(qiáng)管理來改善。另外，若考慮使用蓄熱系統(tǒng)，那么熱泵兩側(cè)水系統(tǒng)均可以一直保持恒定工作狀態(tài)，很容易保持高效；用戶側(cè)水泵則根據(jù)需求進(jìn)行臺數(shù)和頻率的匹配調(diào)節(jié)，以擴(kuò)大調(diào)節(jié)范圍、保證輸配能效比。二是由于沒有充分考慮到學(xué)校的負(fù)荷特點(diǎn)導(dǎo)致設(shè)計(jì)和運(yùn)行不合理，比如機(jī)組頻繁啟停及低負(fù)荷率下運(yùn)行導(dǎo)致COP偏低、多臺熱泵并聯(lián)時未開啟熱泵旁通混水等問題，其根本原因在于供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)的不匹配，用戶需求隨天氣、假期、學(xué)生活動等因素時刻變化；而供應(yīng)側(cè)（熱泵）提供的熱量可變范圍非常小（若要保證高效運(yùn)行可調(diào)范圍更小），且難以與用戶需求實(shí)時匹配。要解決供需兩側(cè)間的耦合問題可以引入蓄熱系統(tǒng)，既作為熱泵供應(yīng)的“需求側(cè)”，以供定蓄,又作為用戶需求的“供應(yīng)側(cè)”，以需定供。因此，結(jié)合熱泵蓄熱技術(shù)是一條好的思路。另外，還有室內(nèi)環(huán)境保障的問題，主要是室溫控制與新風(fēng)供應(yīng)之間的矛盾，根據(jù)前面的分析，采用輻射供暖結(jié)合自然開窗通風(fēng)的方式是否更適合中小學(xué)校的負(fù)荷特點(diǎn)，也是一個值得深入分析的方向。
保證環(huán)境舒適是建筑供暖的目的，在此前提下實(shí)現(xiàn)低能耗、高能效是進(jìn)一步的追求和目標(biāo)。就實(shí)測2所中小學(xué)校的情況來看，在實(shí)際運(yùn)行過程中既沒有達(dá)到環(huán)境舒適的要求，也沒有達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)，而且通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)這種情況是普遍存在的，各個中小學(xué)校供暖系統(tǒng)存在的問題大同小異。因此，以小學(xué)A和小學(xué)B為案例，通過上面的總結(jié)分析和初步思考，為今后進(jìn)一步通過模擬、實(shí)驗(yàn)等方式提出適用于我國北方地區(qū)中小學(xué)校的供暖系統(tǒng)方案，解決我國北方地區(qū)中小學(xué)校供暖存在的普遍問題，提高舒適度、降低供暖能耗提供參考。
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