夏熱冬冷地區(qū)水（地）源熱泵系統(tǒng)測試及問題分析

許 楊 黃小君

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夏熱冬冷地區(qū)水（地）源熱泵系統(tǒng)測試及問題分析

許 楊 黃小君

（中國建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司 成都 610041）

對(duì)夏熱冬冷地區(qū)2個(gè)水（地）源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行的夏季工況測試數(shù)據(jù)分析，獲得了水（地）地源熱泵系統(tǒng)的夏季工況部分負(fù)荷下機(jī)組和系統(tǒng)的制冷系數(shù)及水泵輸送能效比，并得出在部分負(fù)荷情況下系統(tǒng)的節(jié)能率較難達(dá)到30%。對(duì)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況下節(jié)能效果不顯著的原因進(jìn)行了分析，如主機(jī)、水泵低效運(yùn)行、換熱誤差、冷熱堆積、實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用高于預(yù)計(jì)等問題，并提出相應(yīng)建議。

水（地）源熱泵；測試；能效；效益；建議

0 引言

隨著生態(tài)環(huán)境保護(hù)的深入人心和節(jié)能意識(shí)的加強(qiáng)，越來越多的人開始認(rèn)識(shí)和利用地?zé)崮芎偷叵滤Y源的供熱制冷熱泵系統(tǒng)。國家和各個(gè)地區(qū)政府也提供了很多補(bǔ)助和優(yōu)惠政策來推廣這項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，使得近年來地源熱泵行業(yè)的發(fā)展勢頭十分良 好[1,9]。

雖然水（地）源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)用越來越廣泛，但實(shí)際運(yùn)行效果往往達(dá)不到設(shè)計(jì)效果，其實(shí)際運(yùn)行效果與節(jié)能環(huán)保潛力等與系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行狀況有很大的關(guān)系[8]。國內(nèi)由于發(fā)展較晚，水（地）源熱泵技術(shù)在工程應(yīng)用上還有很多亟待解決的問題，王陳棟、吳曉寒[2]提出了地下水熱泵系統(tǒng)缺乏必要的地區(qū)適應(yīng)性分析，地下水回灌井堵塞和溢出以及地源熱泵對(duì)地下水生物環(huán)境的影響問題。劉學(xué)來、李永安、張耀鵬[3]提出了土壤熱物性取值不當(dāng)引起地埋管換熱器和熱泵機(jī)組運(yùn)行效率、埋管深度、地埋管防漏、回填材料和系統(tǒng)調(diào)試等問題。王雷崗、鄭中援、馬健、石海軍[4]提出在設(shè)計(jì)階段土壤熱響應(yīng)測試方法和冷熱平衡等問題。而上述對(duì)水（地）源熱泵系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中存在的問題研究較少，本文選取夏熱冬冷地區(qū)兩個(gè)分別使用水源熱泵系統(tǒng)和地源熱泵系統(tǒng)的建筑，分析兩種熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行能效并分析其中出現(xiàn)的問題，如主機(jī)、水泵低效運(yùn)行，換熱誤差導(dǎo)致的冷熱失衡，及實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用高于預(yù)計(jì)等，并提出相應(yīng)的建議。

1 熱泵系統(tǒng)概況及測試內(nèi)容

1.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目1為土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，該項(xiàng)目建筑由住宅建筑A及公共建筑B組成，總建筑面積2.48萬m2。該項(xiàng)目A樓高層住宅采用豎直埋管地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)，共有2臺(tái)型號(hào)為LSBLGR-550MD地源熱泵螺桿機(jī)組，設(shè)備標(biāo)稱制冷量為424.2kW，制熱量為343.3kW，額定輸入功率制冷工況為76.1kW，制熱工況為89.5kW。A樓地下?lián)Q熱器共計(jì)216口井，每口井深為85米。B樓公共建筑采用集中水平埋管分散式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，共有1臺(tái)型號(hào)為AWSHO352DM2的地源熱泵機(jī)組，設(shè)備標(biāo)稱制冷量為357.8kW，制熱量為394kW，額定輸入功率制冷工況為69.6kW，制熱工況為90.4kW，水平埋管20314米。

項(xiàng)目2為地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，為A座酒店、B座商場提供冬季采暖、夏季制冷，并提供A座酒店夏季生活熱水，總建筑面積9.5萬m2。本項(xiàng)目A座酒店區(qū)域采用2臺(tái)型號(hào)為GSHP2050H部分熱回收水源熱泵機(jī)組，名義制冷量為2050kW、名義制熱量為2235kW，額定制冷輸入功率為372kW，額定制熱輸入功率為498kW，并設(shè)置1臺(tái)型號(hào)為GSHP1120B全熱回收水源熱泵機(jī)組，名義制冷量為1120kW，名義制熱量為1098kW，額定制冷輸入功率為207kW，額定制熱輸入功率為372kW，B座商場區(qū)域采用2臺(tái)型號(hào)為GSHP2160水源熱泵機(jī)組，名義制冷量為2160kW，名義制熱量為2419kW，額定制冷輸入功率為415kW，額定制熱輸入功率為541kW。該系統(tǒng)酒店共打井12口，商場打井7口，兩套系統(tǒng)共計(jì)19口，可抽可灌，每口井均安裝水表。

1.2 測試內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理

1.2.1 測試內(nèi)容

測試系統(tǒng)均已穩(wěn)定運(yùn)行一年以上，測試時(shí)系統(tǒng)按實(shí)際負(fù)荷需求運(yùn)行空調(diào)系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)停機(jī)現(xiàn)象時(shí)，等系統(tǒng)重新啟動(dòng)并處于穩(wěn)定工況后，繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。測試部分主要包括溫度、流量、功率等參數(shù)。水溫采用溫度記錄儀測量，流量采用超聲波流量計(jì)測量，主機(jī)功率采用電能質(zhì)量分析儀測量，其他設(shè)備功率采用鉗形功率表計(jì)量。測試儀器規(guī)格、測量范圍及測量精度見表1。

表1 測試儀器參數(shù)一覽表

1.2.2 數(shù)據(jù)處理方法

采用間接測量法得到熱泵機(jī)組性能系數(shù)、熱泵系統(tǒng)能效系數(shù)。根據(jù)能量守恒定律，機(jī)組的制冷量通過測量機(jī)組的用戶側(cè)進(jìn)出水溫和相應(yīng)的流量得到。通過測試數(shù)據(jù)處理可以得到水（地）源熱泵系統(tǒng)的機(jī)組制冷能效、系統(tǒng)能效。

（1）機(jī)組制冷量

=(t-t) （1）

式中，為機(jī)組制冷量，kW；為水的密度，kg/m3；為冷凍水的體積流量，m3/s；為冷凍水的比熱容，J/(kg·℃)；t，t為機(jī)組冷凍水進(jìn)出水溫度，℃。

（2）機(jī)組的性能系數(shù)

（2）

式中，1為機(jī)組的性能系數(shù)；1為機(jī)組的輸入功率，kW。

（3）系統(tǒng)的性能系數(shù)

式中，2為系統(tǒng)的性能系數(shù)；2為冷凍水泵的輸入功率，kW；3為冷卻水泵的輸入功率，kW。

2 測試結(jié)果與效益分析

圖1～9為水（地）源熱泵機(jī)組及輸配系統(tǒng)的實(shí)測數(shù)據(jù)，能夠直觀的反映出機(jī)組的性能系數(shù)。結(jié)合前面所述的水泵和機(jī)組的具體數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題。

圖1 冷凍水回水溫度

圖2 冷凍水供水溫度

圖3 冷凍水供回水溫差

圖4 冷卻水供水溫度

圖5 冷卻水回水溫度

圖6 冷卻水供回水溫差

圖7 主機(jī)制冷效率COP

圖8 系統(tǒng)制冷效率

圖9 水泵輸送能效比

2.1 空調(diào)機(jī)組的供回水溫差

空調(diào)機(jī)組冷凍水供回水溫差設(shè)計(jì)參數(shù)一般為 5℃，項(xiàng)目1平均溫差為4.7℃，基本符合設(shè)計(jì)要求；項(xiàng)目2平均溫差為2.3℃，偏低。項(xiàng)目1冷凍水回水溫度在12℃上下波動(dòng)，供水溫度在7℃上下波動(dòng)，項(xiàng)目2冷凍水回水溫度為11℃左右，供水溫度為8.5℃左右。由圖6可以看出，項(xiàng)目1的冷卻水供回水溫差明顯高于項(xiàng)目2，項(xiàng)目1平均溫差為6.5℃，項(xiàng)目2為3.2℃，項(xiàng)目1與項(xiàng)目2冷卻水供水溫度相差不大，但項(xiàng)目1的冷卻水回水溫度大于項(xiàng)目2的回水溫度。另外，地下水源熱泵機(jī)組溫差的波動(dòng)性小于地埋管熱泵系統(tǒng)，雖然同時(shí)受實(shí)際負(fù)荷的影響，但從工程設(shè)計(jì)的角度來說可以看出其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性稍優(yōu)于地埋管熱泵系統(tǒng)。

2.2 機(jī)組能效和系統(tǒng)能效

從實(shí)測數(shù)據(jù)可以得出，主機(jī)的負(fù)荷率為58.3%，機(jī)組的平均COP為4.6，最高COP為5.2，系統(tǒng)能效平均為2.8，可見項(xiàng)目2雖然機(jī)組COP能滿足要求，但是由于水泵流量偏大導(dǎo)致系統(tǒng)能效偏低。經(jīng)計(jì)算，項(xiàng)目1的節(jié)能率為34.3%，項(xiàng)目2的節(jié)能率為17.9%，項(xiàng)目2在部分負(fù)荷情況下，節(jié)能率偏低，達(dá)不到地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能率期望值。

2.3 水泵輸送能效比

根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：空調(diào)冷水管道水泵輸送能效比不應(yīng)低于0.0241。項(xiàng)目1的水泵輸送平均能效比為0.0245，項(xiàng)目2的水泵輸送平均能效比為0.0558，可見項(xiàng)目2的水泵輸送能效比遠(yuǎn)大于規(guī)定值。

3 存在的問題及建議

以上實(shí)測結(jié)果和其他資料反映了國內(nèi)水（地）源熱泵技術(shù)工程應(yīng)用的現(xiàn)狀：水（地）源熱泵系統(tǒng)相對(duì)于常規(guī)制冷系統(tǒng)來說，雖然是一種更為節(jié)能的方式，但實(shí)際上在工程應(yīng)用上并沒有常規(guī)制冷系統(tǒng)的制冷效果可靠性強(qiáng)，其原因主要分為以下幾個(gè)方面。

3.1 部分負(fù)荷下主機(jī)低效運(yùn)行

項(xiàng)目1測試時(shí)一周內(nèi)日平均最高溫度為33℃，日平均最低溫度為24℃，項(xiàng)目2平均最高溫度為30℃，平均最低溫度為22℃，項(xiàng)目1、2所在地為同一城市，空調(diào)室外干球計(jì)算溫度為31.8℃。項(xiàng)目1與項(xiàng)目2的建筑功能不同，項(xiàng)目1以住宅為主，項(xiàng)目2以酒店為主，兩種建筑的同時(shí)使用系數(shù)不同。可以看出，項(xiàng)目2測試所在日處在部分負(fù)荷狀態(tài)，同時(shí)由于當(dāng)天酒店入住率不足30%，即使只開啟了一臺(tái)機(jī)組，進(jìn)出水溫差仍然達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，處于低效運(yùn)行狀態(tài)。在常規(guī)中央空調(diào)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員一般按照室外設(shè)計(jì)計(jì)算溫度進(jìn)行建筑物負(fù)荷計(jì)算，因此計(jì)算負(fù)荷一般大于建筑實(shí)際負(fù)荷，有資料顯示建筑全年累計(jì)負(fù)荷約為設(shè)計(jì)負(fù)荷的70%左右。而在進(jìn)行設(shè)備選型時(shí)，為了保證熱舒適度，選型時(shí)常留有10%的裕量，使機(jī)組選型進(jìn)一步變大。如此一來，從設(shè)計(jì)到選型階段使最終機(jī)組的制冷能力大于建筑實(shí)際需求。

3.2 水泵低效運(yùn)行

水泵選型偏大導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)小溫差、大流量的現(xiàn)象，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效率降低。

圖10 水泵輸送能效比

如圖10所示，Q是系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量，在此流量下水泵揚(yáng)程為H即可，當(dāng)設(shè)計(jì)偏保守，選用水泵揚(yáng)程偏大時(shí)，為了保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量不變，則需要改變管路特性從II變?yōu)镮，此時(shí)對(duì)應(yīng)揚(yáng)程H，可看出通過管路特性改變導(dǎo)致的揚(yáng)程增大Δ=H-H是通過閥門進(jìn)行節(jié)流完成的，這是極不經(jīng)濟(jì)的做法。而在實(shí)際工程運(yùn)用中，由于機(jī)房管理水平參差不齊，在運(yùn)行時(shí)機(jī)械地按說明進(jìn)行操作，未考慮閥門開度的問題，通常不通過節(jié)流調(diào)節(jié)水泵流量，因此在實(shí)際運(yùn)行中，管路特性并沒用從II變?yōu)镮，而是處于水泵a的C工作點(diǎn)工作，此時(shí)揚(yáng)程為H，流量為Q，導(dǎo)致系統(tǒng)流量過大。項(xiàng)目1水泵能耗占總能耗的26.98%，項(xiàng)目2水泵能耗占總能耗的37.42%。空調(diào)冷水管道水泵輸送能效比不應(yīng)低于0.0241，其中項(xiàng)目1的水泵輸送平均能效比為0.0245，項(xiàng)目2的水泵輸送平均能效比為0.0558，項(xiàng)目2水泵能耗與水泵輸送能效比均偏大，同時(shí)主機(jī)單臺(tái)運(yùn)行且負(fù)荷率在58.3%的情況下，即使采用了變頻水泵，進(jìn)出水溫差仍然較低，可知項(xiàng)目2水泵處于如圖10狀態(tài)點(diǎn)C所示的情況運(yùn)行，最終通過調(diào)節(jié)機(jī)組冷凍水供回水溫差來實(shí)現(xiàn)冷量調(diào)節(jié)，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效率降低。

3.3 地埋管熱泵系統(tǒng)的冷熱堆積

表2 換熱器換熱誤差計(jì)算一覽表

夏季工況時(shí)：

Q=+1（4）

式中，Q為地埋管的得熱量。

表2為換熱器換熱平衡計(jì)算一覽表，指式（4）在測試中實(shí)際運(yùn)行情況下產(chǎn)生的換熱誤差，由表2可知，在實(shí)際運(yùn)行情況下，地埋管換熱器受施工和實(shí)際運(yùn)行情況影響，土壤（地下水）得熱量可能高于或低于制冷量與主機(jī)功率之和。在夏熱冬冷地區(qū)，夏季供冷時(shí)間長，冬季供暖時(shí)間短，使一年內(nèi)地埋側(cè)的放熱大于吸熱，系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行會(huì)造成地埋側(cè)的溫度逐年升高，使空調(diào)系統(tǒng)效率逐年降低，地源熱泵系統(tǒng)具有冷熱堆積的風(fēng)險(xiǎn)，而在工程設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)進(jìn)行地源熱泵的冷熱平衡計(jì)算，保證地埋管在使用壽命內(nèi)冷熱平衡保持在一定范圍內(nèi)，但實(shí)際運(yùn)行中，地源熱泵受工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行方式影響大，地埋管換熱器的得熱量與理論計(jì)算存在不可忽略的誤差，項(xiàng)目1在測試期間換熱最高誤差達(dá)到26.6%，項(xiàng)目2平均誤差達(dá)到6%，該換熱誤差不斷累積也會(huì)導(dǎo)致地源熱泵冷熱堆積的問題。由此可知換熱誤差是大多數(shù)地源熱泵系統(tǒng)都會(huì)存在的問題，而通過設(shè)計(jì)階段冷熱平衡計(jì)算并不能規(guī)避換熱誤差對(duì)冷熱平衡的影響，因此相比于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，在整個(gè)壽命周期內(nèi)的使用效果和系統(tǒng)可靠性上具有更大的風(fēng)險(xiǎn)。換熱誤差對(duì)冷熱平衡的影響程度還待更加深入的研究。

3.4 實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用高于預(yù)計(jì)費(fèi)用

在工程設(shè)計(jì)確定系統(tǒng)方案時(shí)，采用水（地）源熱泵系統(tǒng)的一個(gè)主要原因是雖然初投資遠(yuǎn)高于后者，但其預(yù)計(jì)運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)，在使用時(shí)限內(nèi)預(yù)計(jì)動(dòng)態(tài)費(fèi)用年值會(huì)低于傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)，同時(shí)具有良好的環(huán)境效益。但當(dāng)系統(tǒng)建成投入實(shí)際運(yùn)營時(shí)，由于設(shè)計(jì)出現(xiàn)上述問題以及施工質(zhì)量的問題，往往會(huì)出現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用高于預(yù)計(jì)費(fèi)用，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)未達(dá)到使用年限即報(bào)廢而需要更換系統(tǒng)的情況。

3.5 建議

（1）進(jìn)行水（地）源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用動(dòng)態(tài)負(fù)荷分析，并結(jié)合建筑實(shí)際使用率對(duì)負(fù)荷進(jìn)行更高精度的計(jì)算，并對(duì)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)勘察，合理選擇系統(tǒng)，同時(shí)在機(jī)組和水泵選型時(shí)考慮部分負(fù)荷運(yùn)行的情況，盡量避免出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。

（2）對(duì)于酒店類型的建筑物，由于入住率不受季節(jié)、氣候等因素影響，且無法預(yù)測，因此選型時(shí)機(jī)組選擇兩大一小的方式不適用于這類建筑，在機(jī)房條件允許的情況下，可考慮以小機(jī)組為主，大機(jī)組為輔的方式進(jìn)行負(fù)荷匹配，使系統(tǒng)在低負(fù)荷率（入住率低）的情況下盡量提高系統(tǒng)效率。

（3）當(dāng)主機(jī)處于部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，可減少主機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)，當(dāng)夏季室外環(huán)境溫度較低時(shí)，可在適當(dāng)時(shí)間暫停運(yùn)行一段時(shí)間，整體降低能耗，避免頻繁啟停，提高主機(jī)使用壽命。

（4）加強(qiáng)機(jī)房運(yùn)營維護(hù)管理的水平，提高運(yùn)行人員的專業(yè)水平，有利于運(yùn)行人員根據(jù)實(shí)際負(fù)荷特性進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)運(yùn)行，提高系統(tǒng)效率。

（5）對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)，可考慮設(shè)置輔助冷卻塔系統(tǒng)，夏季多余的熱量由冷卻塔承擔(dān)。或者可考慮以熱負(fù)荷計(jì)算地源熱泵的埋管量，輔以小型常規(guī)制冷系統(tǒng)，在有效避免冷熱堆積的情況下降低地源熱泵系統(tǒng)的初投資，有資料顯示按冬季制熱工況需求設(shè)計(jì)埋管換熱器與按制冷工況設(shè)計(jì)比較，可降低投資約36%，投資回收期可大幅度縮短[7]。

4 結(jié)論

通過對(duì)上述2個(gè)水（地）源熱泵系統(tǒng)的測試和分析發(fā)現(xiàn)，水（地）源熱泵系統(tǒng)盡管是一種節(jié)能的可再生能源技術(shù)，具有較為突出的環(huán)境效益，但同時(shí)相比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)來說是一種高投資且多因素耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，對(duì)施工和設(shè)計(jì)具有更高的要求。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)考察分析，合理選擇系統(tǒng)，避免設(shè)備選型過大導(dǎo)致系統(tǒng)能效偏低，導(dǎo)致系統(tǒng)節(jié)能率和實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，這對(duì)于水（地）源熱泵系統(tǒng)較高的投資來說其實(shí)是得不償失的。

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Measurement and Analysis of Two Water orGround Source Heat Pump Systems in Hot Summer and Cold Winter Zone for Issue

Xu Yang Huang Xiaojun

( China Southwest Architecture Design and Research Institute Co., Ltd, Chengdu, 610041 )

By measuring and analyzing two water or ground source heat pump systems in hot summer and cold winter zone, the transportation energy efficiency ratio of water pump and coefficient of performance (COP) for the heat pump units and systems in summer are obtained as well as the energy saving rate is difficult to reach 30%. The paper analyze the reason that the energy saving effect is not significant such as the inefficient operation of air conditioner host and water pump, heat exchange errors, cold and hot accumulation, actual operating cost is higher than expected. At length, put forward suggestions.

water (ground) source heat pump; test; coefficient of performance (COP); benefit; suggestion

1671-6612（2018）01-036-06

TU831.3

A

許 楊（1987-），男，碩士，工程師，E-mail：xud1@xnjz.com

2017-04-14