舒適家居網(wǎng)訊：通過文獻調研發(fā)現(xiàn),，我國北方地區(qū)中小學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,，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校供暖情況進行了深入調研,，發(fā)現(xiàn)都存在供暖能耗高,、室內舒適性差的問題，甚至農(nóng)村地區(qū)的中小學校還存在安全隱患,，具體調查結果見表1,。
隨著供暖技術的發(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,，通過文獻調研總結對比了4種常見供暖模式的優(yōu)勢和弊端，如表2所示,。
本文以電驅動地源熱泵系統(tǒng)用于青島市中小學校供暖的實際項目為例,，總結典型問題，分析本質原因,，提出定性解決思路,，旨在提高電驅動熱泵系統(tǒng)用于我國北方地區(qū)中小學校供暖的實用性和增強其優(yōu)越性。
1項目介紹
于2018年3月16-20日對青島市2所小學（以小學A和小學B代稱）進行了實地調研和測試,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所小學均使用電驅動地源熱泵系統(tǒng)供暖,，其系統(tǒng)簡圖分別見圖1,，2。
小學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臺地源熱泵機組和10臺空氣源熱泵機組,；小學B建筑面積15000m2，地上共5層,，地下2層,，供暖熱源為2臺地源熱泵機組。2所小學的供暖水系統(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機盤管加新風形式,，新風經(jīng)過吊頂熱回收式新風換氣機回收部分排風熱量后送入室內。
2所小學校供暖系統(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)額定裝機容量計算得到小學A和小學B的裝機指標分別為53.7 W/m2和76.7W/m2，裝機指標偏大,。
2.中小學校負荷特點
中小學校供暖的最大特點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)的運行管理相對復雜,，對系統(tǒng)控制提出了很高的要求,。
中小學校供暖季耗熱量指標低，但熱負荷差異大,，原因是：中小學校實際供暖時間較短,、寒假不需要供暖；教室人員,、燈光,、設備產(chǎn)熱量大，使得中午,、下午室內熱負荷非常低甚至為冷負荷,，但由于夜間自然蓄冷及室內產(chǎn)熱延遲,，早上及上午熱負荷較大，因此一天內熱負荷差異較大,。
教室人員密度高,，新風需求量大,新風負荷大。但實際上大多數(shù)新風系統(tǒng)難以滿足學生需求,，而上課期間新風不足容易導致學生乏困,，因此學生習慣在課間開窗自然通風，這樣容易導致課間教室內溫度波動較大,。因此，中小學校合理供給新風顯得尤為重要,。
3典型問題分析
3.1 過量供熱——放學時段耗熱量高
中小學校供暖具有間歇性,，運行管理復雜,而學校一般缺乏專門的管理人員，因此運行管理問題嚴重——在無供暖需求的時段大量耗熱,。圖3顯示了小學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B也存在，圖5所示為小學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A有所好轉，但放學時段耗熱量占比仍然達到38%（如圖4b所示）,。
3.2 機組頻繁啟停,，制熱能效比低
中小學校寒假不需要供暖，因此其實際尖峰負荷應較低,。但實際項目中,，一方面由于負荷設計偏大，另一方面機組選型不合理,，導致裝機容量偏大,。中小學校熱負荷波動幅度大，再加上單臺熱泵裝機容量大,，使得熱泵機組長期處于低負荷率運行狀態(tài),，或頻繁啟停。負荷率過低導致機組運行性能降低,，頻繁啟停不僅電耗高,，而且對機組損傷大，降低機組壽命,。
圖8顯示了小學B19日（周一）12：00-24：00機組回水溫度的變化情況,。熱泵機組平均COP低至2.35,，遠低于額定值3.76。
3.3 水系統(tǒng)輸送系數(shù)小,，水泵運行性能差
水系統(tǒng)輸送系數(shù)小的問題普遍存在于很多實際工程中,，對于運行管理較差的中小學校來說更為突出，如表5所示,，小學A用戶側和熱源側輸送系數(shù)分別為11.6和14.5,。
3.4 多臺熱泵并聯(lián)時旁通混水情況嚴重，導致輸送溫差小
實際工程中,，往往由多臺熱泵并聯(lián)為建筑供暖,，運行中多采用臺數(shù)控制，僅開啟部分熱泵運行,。這種情況下容易出現(xiàn)熱泵關閉后水閥開啟,，導致旁通混水現(xiàn)象，進而造成能源品位浪費和輸送能源浪費,。如圖10所示,，小學A配置的10臺空氣源熱泵與1臺地源熱泵并聯(lián)運行。
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不足
溫度是最重要的環(huán)境參數(shù),控制室內溫度也是供暖的主要目的,，但是由于水力不平衡,、部分負荷下熱泵頻繁啟停、開關門窗導致局部滲風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，由于中小學校建筑內人員密度高,，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A某教室2018-03-19T12：00-17：00期間溫度和CO2體積分數(shù)的變化情況。
總結與思考
前面對小學A和小學B供暖系統(tǒng)存在的典型問題分別進行了整理和分析,，下面從更宏觀的角度總結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計選型不合理導致水泵效率低及部分負荷下水系統(tǒng)大流量小溫差運行,，直接原因在于控制策略和運行管理太差，這類問題可以通過優(yōu)化控制與加強管理來改善。另外,，若考慮使用蓄熱系統(tǒng),，那么熱泵兩側水系統(tǒng)均可以一直保持恒定工作狀態(tài)，很容易保持高效,；用戶側水泵則根據(jù)需求進行臺數(shù)和頻率的匹配調節(jié),，以擴大調節(jié)范圍、保證輸配能效比,。二是由于沒有充分考慮到學校的負荷特點導致設計和運行不合理,，比如機組頻繁啟停及低負荷率下運行導致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側和需求側的不匹配,，用戶需求隨天氣、假期,、學生活動等因素時刻變化,；而供應側（熱泵）提供的熱量可變范圍非常小（若要保證高效運行可調范圍更?。译y以與用戶需求實時匹配,。要解決供需兩側間的耦合問題可以引入蓄熱系統(tǒng),，既作為熱泵供應的“需求側”，以供定蓄,又作為用戶需求的“供應側”,，以需定供,。因此，結合熱泵蓄熱技術是一條好的思路,。另外,，還有室內環(huán)境保障的問題，主要是室溫控制與新風供應之間的矛盾,，根據(jù)前面的分析,，采用輻射供暖結合自然開窗通風的方式是否更適合中小學校的負荷特點，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,，在此前提下實現(xiàn)低能耗、高能效是進一步的追求和目標,。就實測2所中小學校的情況來看,，在實際運行過程中既沒有達到環(huán)境舒適的要求，也沒有達到節(jié)能的目標,，而且通過文獻調研發(fā)現(xiàn)這種情況是普遍存在的,，各個中小學校供暖系統(tǒng)存在的問題大同小異。因此，以小學A和小學B為案例,，通過上面的總結分析和初步思考,，為今后進一步通過模擬、實驗等方式提出適用于我國北方地區(qū)中小學校的供暖系統(tǒng)方案,，解決我國北方地區(qū)中小學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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