蘇州某地源熱泵系統(tǒng)變水溫調(diào)節(jié)方式節(jié)能效果研究

陳章宇 劉成剛*

(蘇州科技大學(xué)，江蘇 蘇州 215009)

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蘇州某地源熱泵系統(tǒng)變水溫調(diào)節(jié)方式節(jié)能效果研究

陳章宇 劉成剛*

(蘇州科技大學(xué)，江蘇 蘇州 215009)

以蘇州某辦公樓淺埋式地源熱泵系統(tǒng)為例，針對該系統(tǒng)在夏季供冷時能源利用效率低的問題，對其進(jìn)行了變水溫調(diào)節(jié)，并分析了其節(jié)能效果，結(jié)果表明，在夏季供冷時，相比于定水溫系統(tǒng)，變水溫調(diào)節(jié)具有明顯的節(jié)能效果。

地源熱泵系統(tǒng)，水溫，節(jié)能，負(fù)荷

0 引言

目前國內(nèi)建筑，空調(diào)能耗占建筑總能耗的比例越來越大，因此，多種節(jié)能型空調(diào)以及空調(diào)節(jié)能方式相繼出現(xiàn)在實際應(yīng)用中。蒸發(fā)式冷卻器、磁懸浮變頻離心機(jī)組等等都具有高效的能源利用效率，其中磁懸浮變頻離心機(jī)組相比于普通機(jī)組，能夠節(jié)約30%以上的能耗。從節(jié)能方式入手，分為節(jié)能改造和運行調(diào)節(jié)兩種方式，節(jié)能改造主要針對已在使用且效率低下的機(jī)組和系統(tǒng)；運行調(diào)節(jié)可適應(yīng)于各種空調(diào)系統(tǒng)，其方式主要有變風(fēng)量、變流量、變水溫以及聯(lián)合使用四種，其中變水溫可分為漸變和定變水溫。文獻(xiàn)[1]中李高建，胡玉葉，朱秀斌說明了地源熱泵系統(tǒng)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀。不同節(jié)能控制方式在空調(diào)冷水系統(tǒng)中獲得的效果也各不相同[2]。通過文獻(xiàn)[3]可知當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)在部分負(fù)荷時，保證室內(nèi)處于舒適度環(huán)境前提下，變水溫調(diào)節(jié)具有明顯的節(jié)能效果。文獻(xiàn)[4]針對不同的建筑，空調(diào)系統(tǒng)采用變水溫調(diào)節(jié)在負(fù)荷降低時是適用的；文獻(xiàn)[5]中則提出了分階段變水溫運行，在上海浦東機(jī)場的負(fù)荷特點及氣象條件下，分階段變水溫能有效提高機(jī)組運行效率，降低運行能耗，節(jié)約運行成本。同時，基于變水溫和變水量的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略，在部分負(fù)荷時，節(jié)能效果更加明顯[6]。李愷淵，王景剛則提出了冷卻塔輔助冷卻地源熱泵系統(tǒng)，并對其做出了經(jīng)濟(jì)分析，節(jié)能效果明顯[7]。

逆卡諾循環(huán)：

(1)

(2)

或:

ExQ0=T0Sf-Q0

(3)

由式(1)可知，當(dāng)T↑時，熱泵機(jī)組的效率即機(jī)組COP會隨之提高；通過式(2)可得，當(dāng)T↑時，在同等供冷工況下，熱泵機(jī)組的輸入功降低。以上表明，在部分負(fù)荷時，提高冷凍水的供水溫度，能夠提高機(jī)組的COP,降低能耗。

2 工程概況

本文所研究的是以土壤源熱泵為冷熱源的淺埋式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)工程位于蘇州某辦公樓第3，4層，空調(diào)面積959 m2，夏季室內(nèi)空調(diào)設(shè)計溫度風(fēng)機(jī)盤管房間25 ℃(GB 50189—2005公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn))。經(jīng)計算，該建筑冷負(fù)荷127 kW。選擇2臺水—水模塊式水源熱泵(冷水)機(jī)組，夏季供回水溫度為7 ℃/12 ℃。每臺機(jī)組制冷輸入功率14.2 kW，名義制冷量69 kW。根據(jù)測試報告，雙U地埋管夏季換熱量73.6 W/m，每個孔按50 m計算，打40 口井?？紤]到地埋管長期使用會有一定的損耗，系統(tǒng)配置了1臺冷卻塔備用。冷卻水泵和冷凍水泵均為一用一備，工頻運行，其中冷卻水泵流量22 m3/h，功率4.4 kW;冷凍水泵31.3 m3/h，功率4.1 kW。冷凍水采用負(fù)荷側(cè)變流量、機(jī)組側(cè)定流量的一次泵系統(tǒng)。

工程系統(tǒng)圖如圖3所示。

3 實驗及數(shù)據(jù)分析

3.1 實驗步驟

首先根據(jù)不同的負(fù)荷，通過實驗選取最佳供水溫度，具體實驗步驟如下：

1)當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷處于滿負(fù)荷50%時，將供水溫度從7 ℃提高到8 ℃，通過樓宇自控系統(tǒng)記錄下冷凍水與冷卻水的流量以及供回水溫度、室外溫度以及室內(nèi)的溫濕度變化。

2)通過室內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境是否處于舒適度范圍內(nèi)，若處于舒適度范圍則進(jìn)行下一步，若不是則將溫度調(diào)回至7 ℃。

3)當(dāng)室外負(fù)荷與之前處于相同負(fù)荷狀態(tài)時，將溫度提高到9 ℃后重復(fù)第1)，2)步驟。

以此類推，選出室內(nèi)環(huán)境處于舒適度范圍臨界值的供水溫度，即為在室內(nèi)負(fù)荷為50%滿負(fù)荷工況下的最佳供水溫度。

采用上述同樣的實驗步驟，選取出不同室內(nèi)負(fù)荷時最佳供水溫度。同時，通過樓宇自控系統(tǒng)記錄下實驗所需數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

熱泵機(jī)組COP計算：

(4)

其中，Q為熱泵系統(tǒng)供冷量；W為熱泵機(jī)組的輸入功。

實驗所得數(shù)據(jù)可計算出熱泵機(jī)組的供冷量，Q與冷凍水的質(zhì)量流量v、冷凍水供回水溫差Δt的關(guān)系如下所示：

Q=cmΔt=cρvΔt

(5)

其中，c為水的比熱容；ρ為水的密度。

熱泵機(jī)組的實際制冷效率為：

(6)

分析實驗部分所得數(shù)據(jù)，研究其節(jié)能潛力。

3.2.1 原始工況

在未進(jìn)行變水溫調(diào)節(jié)時，對機(jī)組運行狀態(tài)及能耗進(jìn)行分析，其分析結(jié)果如表1所示。

表1 未進(jìn)行變水溫調(diào)節(jié)前機(jī)組運行狀態(tài)

由表1可知，當(dāng)機(jī)組在以設(shè)定溫度為7 ℃，定流量運行時，機(jī)組運行效率較低，尤其當(dāng)機(jī)組處于部分負(fù)荷時，機(jī)組效率極其低，會造成嚴(yán)重的能源浪費。

3.2.2 同一負(fù)荷，不同出水溫度

在50%負(fù)荷時，供水溫度從額定輸出溫度到最佳供水溫度過程中熱泵機(jī)組以及末端空調(diào)房間的數(shù)據(jù)分析如表2所示。

表2 同一負(fù)荷，不同出水溫度下機(jī)組運行狀態(tài)

表2 表明：1)夏季供冷，當(dāng)機(jī)組處于部分負(fù)荷狀態(tài)下運行時，在不影響室內(nèi)舒適度的前提下，適當(dāng)提高出水溫度，能夠降低機(jī)組的功率，提高機(jī)組的COP，從而達(dá)到節(jié)能效果；2)出水溫度越接近最佳溫度，機(jī)組輸入功率越低，COP越高，節(jié)能效果越好。

3.2.3 不同負(fù)荷下最佳供水溫度

在負(fù)荷逐漸上升過程中，選取50%，80%以及100%負(fù)荷率，對機(jī)組以及末端房間數(shù)據(jù)分析。分析結(jié)果見表3。

表3 不同負(fù)荷下最佳供水溫度的機(jī)組運行狀態(tài)

根據(jù)表3可知，當(dāng)冷凍水供水溫度均為各負(fù)荷狀態(tài)下的最佳供水溫度時，機(jī)組效果明顯提高，具有顯著的節(jié)能效果。

綜上所述，可得出以下結(jié)論：1)變水溫調(diào)節(jié)方式在地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中具有可行性；2)變水溫調(diào)節(jié)在地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)上的應(yīng)用具有明顯的節(jié)能效果。

3.3 節(jié)能效果分析

以50%負(fù)荷率為例：由機(jī)組特性所知，壓縮機(jī)輸入功率即為機(jī)組功率。當(dāng)負(fù)荷率為50%時，調(diào)節(jié)前機(jī)組每小時耗電量為8.3 kW·h，調(diào)節(jié)后每小時耗電量為6.8 kW·h，則變水溫調(diào)節(jié)前后每小時節(jié)電量為：8.3-6.8=1.5 kW·h，節(jié)能比為18.07%。

負(fù)荷率分別為50%，80%和100%時的節(jié)能比如圖4所示。

由圖4可知，在部分負(fù)荷時，地源熱泵系統(tǒng)采用變水溫調(diào)節(jié)能夠有效的節(jié)約能耗，且在負(fù)荷率較低時，節(jié)能效果明顯。

4 結(jié)語

1)夏季供冷時，淺埋式地源熱泵系統(tǒng)采用變水溫調(diào)節(jié)具有可行性。2)針對不同負(fù)荷率，在保證室內(nèi)環(huán)境處于舒適度范圍前提下，變水溫調(diào)節(jié)能夠提高機(jī)組COP，降低機(jī)組能耗，具有明顯的節(jié)能效果。3)淺埋式地源熱泵系統(tǒng)在進(jìn)行變水溫調(diào)節(jié)時，空調(diào)末端負(fù)荷較低時，節(jié)能效果較為明顯。

[1] 李高建，胡玉葉，朱秀斌.地源熱泵技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].制冷與空調(diào)，2007,21(4)：105-108.

[2] 鄧 祺，劉新民.不同節(jié)能控制技術(shù)在空調(diào)冷水系統(tǒng)中的碰撞[J].暖通空調(diào)，2015,45(4)：12-20.

[3] 劉金平，周登錦.空調(diào)系統(tǒng)變冷水溫度調(diào)節(jié)的節(jié)能分析[J].暖通空調(diào)，2004，24(5)：90-91.

[4] 劉金平，唐 娟.中央空調(diào)系統(tǒng)變水溫調(diào)節(jié)可適用性研究[J].建筑科學(xué)，2011，27(2)：78-82.

[5] 陸瓊文，劉傳聚，曹 靜.浦東國際機(jī)場變空調(diào)供水溫度節(jié)能運行方案分析[J].暖通空調(diào),2003,33(2):123-125.

[6] 劉金平，麥粵幫.中央空調(diào)系統(tǒng)變水溫和變水量協(xié)調(diào)優(yōu)化控制研究[J].建筑科學(xué)，2007，23(6):12-15.

[7] 李愷淵，王景剛.冷卻塔輔助冷卻地源熱泵技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].建筑節(jié)能，2007，33(1)：58-61.

Study on the energy-saving effect of variable temperature adjustment in a Suzhou area ground source heat pump system

Chen Zhangyu Liu Chenggang*

(SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215009,China)

Taking shallow ground source heat pump system of an office building in Suzhou as an example, according to the problems of this system during the summer cooling energy use low efficiency, made variable water temperature regulation, and analyzed its energy saving effect, the results showed that during the summer cooling, compared to fixed temperature system, the variable temperature regulation had obvious energy-saving effect.

ground source heat pump system, water temperature, energy saving, load

1009-6825(2016)27-0175-03

2016-07-18

陳章宇(1991- )，男，在讀碩士

劉成剛(1958- )，男，教授

TU831.3

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