山东省某三星级绿色医院，其集中空调系统采用了多种绿色建筑技术，2020年11月投入运行。本文对其地埋管地源热泵空调系统设计方案及系统运行情况进行介绍，通过分析运行数据指出其存在的问题及提出改进建议，以期对其他医院集中空调系统建设及运营提供思路。
PART 01、项目介绍
该医院位于山东省滨州市，项目占地面积约86 700.0m2，规划总建筑面积99020.0m2。一期工程为医疗区，建筑主体为门诊、医技、病房综合楼，如图1所示，建筑面积62509.8m2，规划设计床位600张，同时配套建设公用、消防、安全、环保、绿化、硬化等辅助设施。当地主管部门及医院领导高度重视该院区的建设，希望打造出满足社会需要、符合当今科学技术发展的现代化中医医院，从建筑建设角度提出将医院打造成为三星级绿色医院。经过设计优化，一期工程施工图于2018年5月通过山东省住房和城乡建设厅的专家审查，获得三星级绿色建筑设计标识证书。
该项目绿色医院建筑申报采用GB/T 51153—2015《绿色医院建筑评价标准》（以下简称《评价标准》）。《评价标准》中标识的设计评价共计56条评分项，评价总分为100分，并有12条创新加分项，限制最高加分10分。该项目专家评审最终评分为82.08分，其中，与地源热泵系统相关的5个评分项加权计算得分为9.54分，占比11.6%。由此可见，采用地源热泵系统对创建绿色建筑具有较大助益。
PART 02、空调系统设计建设情况
本着建设健康、适用、高效及节能环保的绿色建筑原则，该项目集中空调系统冷热源因地制宜地采用了地埋管地源热泵，病房采用双面地板辐射供冷供暖系统+动力分布式新排风系统通风空调末端，门诊、医技及办公区域采用风机盘管+动力集中式可变新排风系统通风空调末端。其空调系统在疫情之下仍能正常运行，有效保障了医院的空气安全及环境品质，同时取得了较好的节能成效。
2.1、负荷计算
采用空调负荷计算软件进行逐项逐时空调冷负荷计算及逐项空调热负荷计算，室内外设计参数见表1、2。集中空调系统承担门诊、医技、病房综合楼除净化空调系统、分体空调外的冷热负荷，以及后勤楼的冷热负荷，共计承担冷负荷6701kW、热负荷4480kW。
2.2、岩土热响应测试及计算
在该项目规划设计前期（2015年10—11月）进行了岩土响应测试。根据GB 50366－2005《地源热泵系统工程技术规范》（2009年版）的要求，共设置了2个试验孔。测试结果为：场地内地面至地下100m（地埋管换热器埋设范围）岩土恒温层的参考平均温度为15.13℃，岩土的参考导热系数为1.45W/(m·℃)，参考单位体积热容为3.14 MJ/(m3·℃)，岩土温度条件较好。同时，打孔测试发现该项目区域的地质结构主要以黏土和沙粒岩地层为主，可钻性较好，地源热泵钻孔施工难度较小。
根据热响应测试结果，采用地埋管换热系统设计辅助软件对该地质条件下双U形地埋管换热器不同工况下的换热能力进行计算，输入参数见表3。
双U形地埋管换热器不同工况测试条件下的单位埋管深度参考换热量见表4。
2.3、地埋管换热器设计
综合考虑场地布局，利用四周空地竖向打孔埋管布置地埋管换热器。图2为地埋管布孔平面图，其中100m深换热孔（A区）390个，120m深换热孔（B区）930个，总计打孔1320个，总换热延米数为150600m。
竖直埋管换热器采用双U形地埋管，管材为PE，孔间距4m，成孔直径130mm（1±5%）。地埋管水平管采用五孔汇管方式，地埋管环路采用两级分集水器设计，各个分区回路通过水平集管连接到二级分集水器，再连接到地下1层制冷机房的一级分集水器，地埋管末端环路采用同程布置（布管方式见图3），一级与二级分集水器之间采用异程布置（见图4）。供水环路的集管与回水环路的集管距地面1.7m，两者最小间距为0.6m，最大间距为2.0m，以减少相互间的热干扰。二级分集水器主管底部距地面1.3m，水平集管保持0.002及以上的坡度，坡向分集水器。
系统采用稳压膨胀罐补水定压。为监测地埋管系统的漏水情况，对膨胀水箱的补水流量及连续补水时间进行监测，故障时自动报警。同时，对埋管区域分区布置了地温采集仪，但传输线路在2019年救灾中被挖断，灾后重建过程中未找到接头，故该项目无运行地温监测数据。
2.4、地源热泵机房选型及设计
该项目空调热泵机组及循环水泵选型结果见表5，地源热泵总装机冷量为6710kW，热量为6398 kW，选择了高能效机组。同时，引入生活热水锅炉房供/回水温度为90℃/65℃的热水作为辅助热源，用于冬季调峰及平衡地热。
常温热泵机组配套3台（两用一备）空调水循环泵，高温热泵机组配套2台（一用一备）空调水循环泵，锅炉热水配套2台换热器及2台热水循环泵，所有水泵都采用高效节能变频水泵。
地源热泵机房及换热站系统原理图见图5。
2.5、末端系统方案
该项目门诊、医技及办公区末端为常规的风机盘管加动力集中新排风系统，病房末端为双面地板辐射加动力分布新排风系统，辐射系统或风机盘管系统承担室内显热负荷，新风系统承担室内潜热负荷及部分显热负荷，新风系统采用双冷源新风机组，其功能段设置见图6。
病房采用的地板辐射系统与常规集中空调系统相比，从能耗角度，辐射传热效率更高且供/回水温度要求低（15℃/20℃），能够充分利用可再生的地源热，更为节能；从室内环境角度，地板辐射系统无吹风感和噪声，从而更为舒适，最重要的是无回风避免了空气的交叉感染，更为安全。动力分布式新排风系统在节能与室内环境品质控制等方面相较动力集中式通风系统更有优势，具体新排风系统布置如图7所示，病房内设新风口与排风口，新风从每层新风机房引入，房间内排风与卫生间排风串联，通过卫生间排风竖井排出屋面。图中EMV35S、EMV35P为直流型智能风量调节模块，可进行无级调速。排风的EMV带有空气品质传感器，可根据空气品质进行风量调节，且带有关断阀，具有防倒流功能。
病房空调通风系统运行时可根据需求智能调节各区域的送、排风量大小，形成梯级压差，使得室内空气流向为从清洁区到过渡区再到污染区，避免交叉感染。在近年新冠疫情反复的背景下，有力地保障了医院的正常运行。
2.6、控制系统方案
该项目地源热泵能源系统采用直接数字式（DDC）监控系统进行参数监测或控制，中央控制中心可根据监控及设定参数对设备运行进行自动调节。监控项目如表6所示。
节能控制逻辑为：
1）热泵主机。主机自带智能控制系统，显示主机制冷（热）循环工况。并根据实际供回水温差，自动增减冷（热）量，达到经济、节能运行目的。
2）空调侧水泵。可设定供回水温差，当实际温差大于设定值时，自动加泵并联运行；当实际温差小于设定值时，自动减泵或降频运行。频率上限为50Hz，下限为35Hz。
3）地源侧水泵。可设定供回水温差，当实际温差大于设定值时，自动加泵并联运行；当实际温差小于设定值时，自动减泵或降频运行。频率上限为50Hz，下限为35Hz。
PART 03、空调系统运行情况分析
3.1、运行基本情况
该项目2020年10月开始试运行，11月投入使用。由于门诊就诊人数不饱和、住院楼有一层空置楼层、后勤办公楼入住率较低，未启用手术室和ICU的单独冷热源，仅运行地源热泵制冷与供热。该项目供冷季为6月15日至9月30日，供热季为11月15日至次年3月15日。医院全年无休运行，病房区域每日24h运行，门诊区域及后勤办公楼每日运行时间为08:00—17:30。供冷季和供热季每日开启1台离心式机组及对应的循环水泵24h运行，螺杆式机组及其对应的循环水泵由负荷侧供回水温度反馈控制启停。地埋管换热器支路冬季由于防冻需求全部开启，夏季根据供回水温度手动选择开启支路。
室内设计温度为夏季25~26℃、冬季20~22℃。实际运行时，夏季实测温度在26.0℃左右，冬季实测温度在20.5~24.2℃之间，满足设计及用户的使用要求。
3.2、热泵机组运行水温分析
1）供热工况。
供热季每日开启1台离心式机组保持全天24h运行，偶尔停机进行检查保养。分析水温数据发现，除启停时刻水温发生变化外，机组稳定运行时地源侧和负荷侧的供回水温波动较小。为便于展示，选取2021年1月每日12:00的供回水温度进行分析，供回水温度见图8。从图8可以看出：冬季负荷侧供水温度约为45.0℃，满足设计要求；地源侧回水温度平均值为10.3℃，且无波动，地源侧换热稳定。供回水温差见图9，地源侧供回水温差约为2℃，负荷侧供回水温差约为3℃，低于设计温差（5℃）。
由于螺杆式机组的服务末端为双面地板辐射供能末端，具有一定的蓄热功能，故螺杆式机组采用了负荷侧供水温度反馈控制的运行策略，设定供水温度为（38±3）℃，即当供水温度高于41℃时停机，当供水温度低于35℃时开机，机组处于间断运行状态。1月螺杆式机组总计运行了约332.0h，平均每天运行约10.7h，运行时间集中在20:00至次日08:00。1月供回水温度见图10，地源侧供/回水温度平均值为10.7℃/10.3℃，负荷侧供/回水温度平均值为38.9℃/40.3℃。供回水温差见图11，地源侧供回水温差约为0.4℃，负荷侧供回水温差约为1.5℃。
2）供冷工况。
选取2021年6月14日（开始供冷时间）至7月底运行时段的水温数据进行分析，该时段内离心式机组水温见图12。6月14—20日开启了多个地埋管换热器支路，地源侧平均回水温度为21.4℃，负荷侧平均回水温度为14.4℃，该工况下螺杆式机组（设计工况地源侧供/回水温度为25℃/30℃，负荷侧供/回水温度为7℃/12℃）出现故障停机，机组设备厂家解释出现故障的原因为冷水温度和冷却水温度太接近，无法建立机组运行需要的油压差。由于离心式机组和螺杆式机组地源侧水系统连通，为保证螺杆式机组的正常运行，6月21日起减少地埋管换热器支路，同时开通地源侧旁通水阀提高地源侧供水温度。此后运行中手动调节旁通阀门，控制地源侧回水温度在30~35℃之间波动，供回水温差见图13。6月21日调整之后，负荷侧的供回水温差有所提升，地源侧约为2.2℃，负荷侧约为2.3 ℃。
螺杆式机组采用回水温度反馈控制运行策略，设定负荷侧回水温度为（20±4）℃，即当回水温度高于24℃时开机，当回水温度低于16℃时停机。2021年7月螺杆式机组总计运行了约143h，平均每天运行约4.6h，运行时间集中在10:00—22:00。运行时段的供回水温度见图14，7月地源侧回水温度由于人为调节旁通阀控温呈波动趋势。供回水温差见图15，地源侧供回水温差约为1.6 ℃，负荷侧供回水温差约为2.4℃。
根据上述热泵机组冬夏季地源侧和负荷侧供回水温度的运行数据进一步分析如下：
1）常温离心式冷水地源热泵机组和高温螺杆式冷水地源热泵机组冬季和夏季地源侧和负荷侧的设计供回水温差均为5℃。而实际运行时，常温离心式冷水地源热泵机组地源侧和负荷侧的供回水温差为2~3℃，小于设计供回水温差；高温螺杆式冷水地源热泵机组地源侧冬季和夏季供回水温差为1.5℃左右，冬季负荷侧的供回水温差仅为0.4℃左右，远低于设计值，但水泵已处于最低频率（35Hz）运转。分析认为，虽然医院所有科室都已搬迁，但就诊人数不饱和、住院楼有空置楼层、后勤楼入住率较低导致集中空调系统负载较低，而系统设备的选型搭配未充分考虑项目负荷率较低状态下的运行需求。
2）夏季运行策略存在问题，由于6月14—20日地源侧回水温度过低（21.4℃），冷水和冷却水温度接近导致螺杆式机组报警停机，运行人员采取了减少地埋管换热器支路开启数量并手动调节地源侧旁通阀的措施，将地源侧回水温度调节至30℃以上，高于离心式机组和螺杆式机组的设计冷却水温度要求（25℃），运行水温甚至超过常规冷水机组的设计供回水温度，机组的实际运行制冷性能系数降低。系统的运行控制手段有待进一步完善，运行控制水平有待进一步提高。
3.3、能耗分析
表7给出了该项目自投入运行以来的地源热泵机房能耗数据。据了解，由于地源热泵系统供热稳定，工程自投入使用以来冬季未采用过锅炉进行补充供热。
根据表7，该工程2020年11月至2021年10月地源热泵系统共耗电261.7万kW·h，单位面积耗电41.9kW·h/m2。地源热泵机房电耗分布见图16。
地源热泵系统采用辐射末端情况下，热泵机组+水泵的能耗与末端能耗的比值约为12.5∶1，估算得到该项目暖通空调单位面积电耗约为45.3 kW·h/m2，折算标准煤（电力折算系数取0.3kg/（kW·h））约为13.6kg/m2。
根据宁宇对山东地区综合医院能耗的调研，6家与该工程同等规模的二级及以下综合医院空调能耗（不含供暖）指标均值约为50.6kW·h/m2，折算标准煤为15.18kg/m2，供暖能耗指标均值约为8.9 kg/m2，暖通空调总能耗约为24.1kg/m2。
根据以上对比可知，该项目空调系统相较传统的集中空调系统，暖通空调系统节能约10.5kg/m2，建筑全年节省标准煤656t，约减少碳排放2000t。
PART 04、结语
该工程集中空调系统结合了可再生地源热利用、双面辐射地板技术、动力分布式通风系统、分体式能量回收技术及高效节能设备等多项技术，响应了国家的减碳号召，并给医院应对疫情提供了有力的基础设施支撑。虽然系统设计和运行控制还存在一定的优化空间，但通过对运行能耗的分析可知，地源热泵空调系统相比常规的冷水机组和锅炉或市政供暖，仍然有一定的节能效果，有较好的环境效益。针对地源热泵空调系统的设计及运行，总结并提出以下建议：
1）通风空调供暖冷热源的系统设计及设备选型应调研分析建筑的冷热负荷特性，根据全年动态建筑冷热负荷进行冷热源机组的选型搭配，不仅考虑设计工况下空调设备的高效率运行，同时考虑低负荷率下设备的高效率运行。
2）寒冷地区全年平均气温较低，岩土恒温层的平均温度也较低，对于采用了地源热泵+末端供冷供暖辐射系统的项目，可考虑设置板式换热器，过渡季及供冷初期可不开制冷机组，通过板式换热器直接采用地下换热器的水系统循环进行免费辐射供冷。
3）该项目夏季运行时为了维持螺杆式机组冷凝侧和蒸发侧的压差，调整地埋管换热器的开启数量及地源侧旁通阀将冷却水温度调节得过高（33 ℃），造成热泵机组运行效率降低，在目前的机械旁通阀条件下，建议加强旁通水阀的精细化管理，调节地源侧回水温度使之接近25℃。新项目设计有条件时可考虑电动旁通调节阀，以便自动控制水温。
4）该项目能源管理平台未与项目同步完善，空调末端电耗自动计量系统暂未运行，升级改造计量系统又导致地源热泵机房月电耗数据丢失，这对能耗分析造成了影响。建议建设单位重视能耗计量系统的同步建设，运行单位重视能耗数据的记录、保存与分析，及时控制不合理的能源消耗。
