舒适家居网讯：通过文献调研发现，我国北方地区中小学校冬季供暖不论是在舒适性还是在节能性上都存在诸多不足，优化空间非常大。通过查阅文献，对我国北方城市、北方农村、西北农村及一些欧洲国家中小学校供暖情况进行了深入调研，发现都存在供暖能耗高、室内舒适性差的问题，甚至农村地区的中小学校还存在安全隐患，具体调查结果见表1。

    随着供暖技术的发展，供暖模式如雨后春笋般发展起来，不同供暖模式各有利弊，通过文献调研总结对比了4种常见供暖模式的优势和弊端，如表2所示。

    本文以电驱动地源热泵系统用于青岛市中小学校供暖的实际项目为例，总结典型问题，分析本质原因，提出定性解决思路，旨在提高电驱动热泵系统用于我国北方地区中小学校供暖的实用性和增强其优越性。

1项目介绍

    于2018年3月16-20日对青岛市2所小学（以小学A和小学B代称）进行了实地调研和测试,测试期间处于末寒期，室外环境温度为3~10 ℃，相对比较暖和，供暖负荷较小。青岛市属于寒冷地区，供暖时间为每年的11月16日至次年的4月5日，共141d。2所小学均使用电驱动地源热泵系统供暖，其系统简图分别见图1，2。

    小学A建筑面积29060m2，供暖面积23780m2，地上共5层，地下1层，供暖热源为1台地源热泵机组和10台空气源热泵机组；小学B建筑面积15000m2，地上共5层，地下2层，供暖热源为2台地源热泵机组。2所小学的供暖水系统均采用两管制一级泵变流量系统；末端教室和办公室均采用风机盘管加新风形式，新风经过吊顶热回收式新风换气机回收部分排风热量后送入室内。

    2所小学校供暖系统的热泵和主要水泵额定参数分别如表3，4所示。根据额定装机容量计算得到小学A和小学B的装机指标分别为53.7 W/m2和76.7W/m2，装机指标偏大。

2.中小学校负荷特点

    中小学校供暖的最大特点是供暖需求为间歇性的，与居住建筑连续稳定供暖不同，它仅需在工作时间供暖，夜间、假期都不需要供暖，供暖系统的运行管理相对复杂，对系统控制提出了很高的要求。

    中小学校供暖季耗热量指标低，但热负荷差异大，原因是：中小学校实际供暖时间较短、寒假不需要供暖；教室人员、灯光、设备产热量大，使得中午、下午室内热负荷非常低甚至为冷负荷，但由于夜间自然蓄冷及室内产热延迟，早上及上午热负荷较大，因此一天内热负荷差异较大。

    教室人员密度高，新风需求量大,新风负荷大。但实际上大多数新风系统难以满足学生需求，而上课期间新风不足容易导致学生乏困，因此学生习惯在课间开窗自然通风，这样容易导致课间教室内温度波动较大。因此，中小学校合理供给新风显得尤为重要。

3典型问题分析

3.1 过量供热——放学时段耗热量高

    中小学校供暖具有间歇性，运行管理复杂,而学校一般缺乏专门的管理人员，因此运行管理问题严重——在无供暖需求的时段大量耗热。图3显示了小学A19日（周一）1：00至20日（周二）11：00的逐时耗热量，可以看到，在周一16：00到周二07：00期间热泵依然同白天一样正常制热，其间制热量占全天制热量的57%（如图4a所示）。同样的问题在小学B也存在，图5所示为小学B19日（周一）07：00至20日（周二）07：00的逐时耗热量，可以看到，虽然相比小学A有所好转，但放学时段耗热量占比仍然达到38%（如图4b所示）。

3.2 机组频繁启停，制热能效比低

    中小学校寒假不需要供暖，因此其实际尖峰负荷应较低。但实际项目中，一方面由于负荷设计偏大，另一方面机组选型不合理，导致装机容量偏大。中小学校热负荷波动幅度大，再加上单台热泵装机容量大，使得热泵机组长期处于低负荷率运行状态，或频繁启停。负荷率过低导致机组运行性能降低，频繁启停不仅电耗高，而且对机组损伤大，降低机组寿命。

    图8显示了小学B19日（周一）12：00-24：00机组回水温度的变化情况。热泵机组平均COP低至2.35，远低于额定值3.76。

3.3 水系统输送系数小，水泵运行性能差

    水系统输送系数小的问题普遍存在于很多实际工程中，对于运行管理较差的中小学校来说更为突出，如表5所示，小学A用户侧和热源侧输送系数分别为11.6和14.5。

3.4 多台热泵并联时旁通混水情况严重，导致输送温差小

    实际工程中，往往由多台热泵并联为建筑供暖，运行中多采用台数控制，仅开启部分热泵运行。这种情况下容易出现热泵关闭后水阀开启，导致旁通混水现象，进而造成能源品位浪费和输送能源浪费。如图10所示，小学A配置的10台空气源热泵与1台地源热泵并联运行。

    以青岛市某空气源热泵系统为例，如图12所示，4台空气源热泵（编号热泵1~4）并联，其中热泵1和热泵2处于停机状态，46.5℃的回水通过热泵1和热泵2漏热后温度分别降低0.4℃和0.3℃，通过计算发现漏热量占到热泵3和热泵4制热量的20%。

3.5 末端教室温度波动和新风不足

    温度是最重要的环境参数,控制室内温度也是供暖的主要目的，但是由于水力不平衡、部分负荷下热泵频繁启停、开关门窗导致局部渗风等引起过冷或者过热的问题。图13显示了2018-03-19T14：00-16：30期间抽测小学B1~3层各1间教室得到的温度变化情况。

    除此之外，由于中小学校建筑内人员密度高，空气新鲜程度（用CO2浓度反映）也是非常重要的控制参数。图14显示了小学A某教室2018-03-19T12：00-17：00期间温度和CO2体积分数的变化情况。

总结与思考

    前面对小学A和小学B供暖系统存在的典型问题分别进行了整理和分析，下面从更宏观的角度总结这些典型问题并思考主要矛盾。

    这些典型问题分为2类：一是供暖系统普遍存在的系统问题，比如输配能效比低，其具体原因包括水泵的设计选型不合理导致水泵效率低及部分负荷下水系统大流量小温差运行，直接原因在于控制策略和运行管理太差，这类问题可以通过优化控制与加强管理来改善。另外，若考虑使用蓄热系统，那么热泵两侧水系统均可以一直保持恒定工作状态，很容易保持高效；用户侧水泵则根据需求进行台数和频率的匹配调节，以扩大调节范围、保证输配能效比。二是由于没有充分考虑到学校的负荷特点导致设计和运行不合理，比如机组频繁启停及低负荷率下运行导致COP偏低、多台热泵并联时未开启热泵旁通混水等问题，其根本原因在于供应侧和需求侧的不匹配，用户需求随天气、假期、学生活动等因素时刻变化；而供应侧（热泵）提供的热量可变范围非常小（若要保证高效运行可调范围更小），且难以与用户需求实时匹配。要解决供需两侧间的耦合问题可以引入蓄热系统，既作为热泵供应的“需求侧”，以供定蓄,又作为用户需求的“供应侧”，以需定供。因此，结合热泵蓄热技术是一条好的思路。另外，还有室内环境保障的问题，主要是室温控制与新风供应之间的矛盾，根据前面的分析，采用辐射供暖结合自然开窗通风的方式是否更适合中小学校的负荷特点，也是一个值得深入分析的方向。

    保证环境舒适是建筑供暖的目的，在此前提下实现低能耗、高能效是进一步的追求和目标。就实测2所中小学校的情况来看，在实际运行过程中既没有达到环境舒适的要求，也没有达到节能的目标，而且通过文献调研发现这种情况是普遍存在的，各个中小学校供暖系统存在的问题大同小异。因此，以小学A和小学B为案例，通过上面的总结分析和初步思考，为今后进一步通过模拟、实验等方式提出适用于我国北方地区中小学校的供暖系统方案，解决我国北方地区中小学校供暖存在的普遍问题，提高舒适度、降低供暖能耗提供参考。

更多请持续关注舒适家居网~