某研發(fā)大廈土壤源熱泵系統(tǒng)能耗分析*

宋 偉 張厚安 張華北 陳翔燕 劉 誠

(1.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，100144，北京； 2.江蘇盛世節(jié)能科技股份有限公司，222000，連云港)

我國建筑能耗隨社會(huì)發(fā)展逐年增加，已超過我國總能耗的30%，而空調(diào)能耗在建筑能耗中占比約為30%～60%.[1]土壤源熱泵系統(tǒng)因其經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)得到業(yè)內(nèi)人士的一致好評(píng)，但土壤源熱泵系統(tǒng)在我國的應(yīng)用起步較晚，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和施工方面也在逐步完善. 系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段，大多僅考慮系統(tǒng)運(yùn)行的可行性，對(duì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及運(yùn)行維護(hù)等方面的重視有待加強(qiáng). 系統(tǒng)在施工階段，由于初投資較大，大多在安裝控制器和監(jiān)測(cè)器等方面節(jié)約成本. 不完善的自控設(shè)備導(dǎo)致機(jī)組啟停策略不合理，進(jìn)而加大了系統(tǒng)能耗.[2]因此我國真正實(shí)現(xiàn)土壤源熱泵系統(tǒng)在實(shí)際工程中的高效節(jié)能，現(xiàn)階段仍需深入研究.

對(duì)于土壤源熱泵系統(tǒng)，近年來隨著研究的逐漸深入，對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)初投資、自控能力和運(yùn)行策略等方面的關(guān)注也越來越多. 王松慶針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行策略不合理的問題，提出了負(fù)荷域法和時(shí)間域法兩種運(yùn)行策略，提高了土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性.[3]許本亮針對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)初投資過大的問題，提出采用土壤源熱泵系統(tǒng)與其他空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行的策略.[4]曹金龍針對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)控制不科學(xué)的問題，設(shè)計(jì)出一種變頻器，以此來控制循環(huán)水的流量，并以某單位機(jī)關(guān)大樓為例，得出安裝該變頻器后每半年可節(jié)約電費(fèi)4 779.2元.[5]歐陽長文針對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)熱堆積的現(xiàn)象，提出夜間冷卻塔運(yùn)行策略和夜間熱泵制熱工況運(yùn)行策略，并通過模擬發(fā)現(xiàn)夜間熱泵制熱工況運(yùn)行策略可有效解決此問題.[6]李元旦通過分析土壤源熱泵冬季工況系統(tǒng)COP和壓縮機(jī)COP，得出系統(tǒng)要獲得更好的節(jié)能效果，必須減少循環(huán)泵和風(fēng)機(jī)等設(shè)備的能耗.[7]

為進(jìn)一步開展對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)能耗的研究，本文以江蘇省某土壤源熱泵系統(tǒng)為例，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和調(diào)研，采用實(shí)測(cè)調(diào)查法對(duì)該系統(tǒng)2016—2017年的室外溫度、運(yùn)行機(jī)組數(shù)量和總耗電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并分析，找出影響系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵原因，并結(jié)合系統(tǒng)設(shè)備調(diào)查情況給出改造建議.

1 調(diào)查對(duì)象概況及內(nèi)容

1.1 建筑概況

該項(xiàng)目主樓地上20層，地下2層，建筑面積49 016.83 m2，主要用于辦公和科研工作；夏季最大負(fù)荷為2 585 kW，冬季最大負(fù)荷為1 395 kW. 副樓為圖書館，地上3層，地下1層，建筑面積13 116.16 m2.

1.2 土壤源熱泵系統(tǒng)概況

表1給出該土壤源熱泵系統(tǒng)主要設(shè)備情況，其中夏季采用3臺(tái)土壤源熱泵機(jī)組和1臺(tái)冷水螺桿機(jī)組聯(lián)合供冷，供回水溫度為7/12 ℃，冬季集中熱源為3臺(tái)地源熱泵機(jī)組，供回水溫度為45/40 ℃. 冷凍水泵共有5臺(tái)，其中#1、#2、#3水泵供應(yīng)主樓，采用變頻控制，#4、#5水泵供應(yīng)圖書館，采用定頻控制. 地源側(cè)冷卻水泵共有4臺(tái)，其中#6、#7水泵采用變頻控制，#8、#9水泵采用定頻控制. 此外系統(tǒng)補(bǔ)水水泵2臺(tái)，冷卻塔1臺(tái)(含冷卻風(fēng)扇2臺(tái)與冷卻水泵1臺(tái))均未采用變頻控制. 末端為風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)溫度控制，其系統(tǒng)如圖1所示.

表1 土壤源熱泵系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)

1.3 調(diào)查內(nèi)容

土壤源熱泵系統(tǒng)能耗的調(diào)查方法較多，其中設(shè)表實(shí)測(cè)法是通過在系統(tǒng)上設(shè)置電表來精準(zhǔn)的測(cè)量耗電量，該調(diào)查方法因其誤差較小常作為其他方法的對(duì)照基準(zhǔn)，因此本文采用該方法采集2016年和2017年系統(tǒng)的逐日耗電量. 由于室外溫度直接影響建筑物的負(fù)荷，進(jìn)而影響機(jī)組運(yùn)行數(shù)量，因此本文統(tǒng)計(jì)2016年和2017年逐日室外溫度和機(jī)組運(yùn)行數(shù)量，并分析室外溫度對(duì)機(jī)組運(yùn)行數(shù)量和耗電量的影響. 同時(shí)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，最終對(duì)機(jī)組啟停策略進(jìn)行合理性評(píng)估.

2 調(diào)查結(jié)果及分析

2.1 室外溫度情況的調(diào)查及分析

圖2比較了2016、2017年部分采暖季(1月—3月)和部分空調(diào)季(6月—8月)的室外平均溫度. 在采暖季中，2016年1月室外平均溫度最低，僅為0.3 ℃，2017年1月平均溫度為2.3 ℃，同比上升2.0 ℃；在空調(diào)季中，2016年8月室外平均溫度最高為27.1 ℃，2017年7月平均溫度最高為29.8 ℃，同比上升2.7 ℃. 由此可見，該地區(qū)每年每月的室外溫度都不盡相同，1月與7月相差較大.

2.2 系統(tǒng)能耗情況的調(diào)查及分析

表2給出了該系統(tǒng)2016年和2017年機(jī)組開啟日期和耗電情況，系統(tǒng)單位面積年電耗在2016年與2017年分別為16.82 kW·h/m2、17.66 kW·h/m2，與江蘇地區(qū)某11棟辦公建筑統(tǒng)計(jì)得出的單位面積年電耗(10.12～38.72 kW·h/m2)相比相對(duì)較低[8]，由此可以看出土壤源熱泵系統(tǒng)與其他空調(diào)系統(tǒng)相比在節(jié)能方面有很大優(yōu)勢(shì)，但仍有提升空間. 圖3、圖4給出了2016、2017部分采暖季(1月—3月)和部分空調(diào)季(6月—8月)的室外平均溫度、機(jī)組開啟數(shù)量和耗電量的對(duì)比情況. 從圖中可以看出：

1)該系統(tǒng)當(dāng)日耗電量與當(dāng)日機(jī)組開啟數(shù)量呈正相關(guān)，且二者在采暖季隨室外溫度的降低而升高，在空調(diào)季隨室外溫度的升高而升高. 這是由于室外溫度決定著建筑物冷/熱負(fù)荷，系統(tǒng)根據(jù)建筑物的負(fù)荷調(diào)整機(jī)組開啟數(shù)量，而機(jī)組開啟的數(shù)量直接影響著系統(tǒng)得總耗電量，因此合理控制機(jī)組開啟數(shù)量對(duì)于降低土壤源熱泵系統(tǒng)總能耗尤為重要.

2)整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)日耗電量差別較大，低峰時(shí)段僅有約2 000 kW·h，高峰時(shí)段可達(dá)約11 000 kW·h，這是由于該系統(tǒng)耗電量受機(jī)組開啟數(shù)量、機(jī)組開啟時(shí)間、系統(tǒng)設(shè)備情況、室外溫度等多重原因影響，因此出現(xiàn)當(dāng)日耗電量差別很大的情況.

3)2016年的6個(gè)月中，系統(tǒng)耗電高峰期出現(xiàn)在1月；2017年的6個(gè)月中，系統(tǒng)耗電高峰期出現(xiàn)在8月. 這是由于在2016年1月出現(xiàn)當(dāng)日室外最低溫度低于-10 ℃的情況，為避免室內(nèi)溫度太低而導(dǎo)致管道結(jié)凍，需要24小時(shí)不間斷的開啟機(jī)組，因此當(dāng)日耗電量遠(yuǎn)大于其他日期的耗電量. 而2017年副樓圖書館在5月22日時(shí)投入使用，8月又出現(xiàn)室外溫度高達(dá)38 ℃的情況，因此加大了2017年8月的系統(tǒng)耗電量.

表2 2016—2017年該系統(tǒng)能耗情況

2.3 機(jī)組啟停情況的調(diào)查和分析

將2016年部分供暖季與部分空調(diào)季室外溫度每5 ℃劃分一個(gè)區(qū)間，觀察機(jī)組開啟數(shù)量的情況，從圖5、圖6可以看出，在2016年部分供暖季當(dāng)日室外最低溫度在-10～-5 ℃和-5～0 ℃的溫度區(qū)間范圍內(nèi)，出現(xiàn)了3種機(jī)組開啟數(shù)量的情況，而2016年部分空調(diào)季當(dāng)日最高溫度在30～35～35 ℃以上的溫度區(qū)間也出現(xiàn)了相同的情況，表明該系統(tǒng)對(duì)機(jī)組啟停數(shù)量的控制未根據(jù)建筑物負(fù)荷的變化而改變. 當(dāng)日開啟一臺(tái)機(jī)組的耗電量約為2 400 kW·h，而開啟兩臺(tái)機(jī)組的耗電量約為3 200 kW·h，由此可見，手動(dòng)啟停機(jī)組會(huì)直接導(dǎo)致機(jī)組開啟數(shù)量偏多進(jìn)而使系統(tǒng)耗電量增加.

表3可以看出2016年1月18日—24日該系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，1月18日—22日室外最低溫度均高于-10 ℃，1月23日和24日的室外溫度最低，達(dá)到-13 ℃，而該系統(tǒng)在1月18日就提前開啟了3臺(tái)機(jī)組，并且在23日、24日為防止管道結(jié)凍全天24小時(shí)開啟3臺(tái)機(jī)組，導(dǎo)致系統(tǒng)耗電量較高. 但是即使在室外溫度較低的情況下，由于夜間建筑物內(nèi)無工作人員，應(yīng)適當(dāng)減少機(jī)組開啟數(shù)量，僅使室內(nèi)溫度達(dá)到管道不會(huì)結(jié)凍即可.

通過上述調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)主機(jī)沒有明確的自動(dòng)啟停策略，仍以人工手動(dòng)的啟停操作為主，導(dǎo)致存在24小時(shí)滿機(jī)組運(yùn)行和機(jī)組開啟數(shù)量對(duì)室外溫度變化反應(yīng)延遲等問題，無法有效降低系統(tǒng)能耗.

表3 2016年空調(diào)季部分運(yùn)行數(shù)據(jù)

2.4 系統(tǒng)設(shè)備情況的調(diào)查及分析

該系統(tǒng)在設(shè)備安裝時(shí)有約一半的水泵、冷卻風(fēng)機(jī)沒有安裝變頻器，地源側(cè)、冷卻塔、空調(diào)側(cè)等，也未安裝供回水溫度的監(jiān)測(cè)器，部分安裝的監(jiān)測(cè)器也無法自動(dòng)保存監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，無法即時(shí)反饋有效的能耗信息. 表4給出了該系統(tǒng)2016年和2017年空調(diào)機(jī)房設(shè)備維修情況.

表4 系統(tǒng)維修情況

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)長時(shí)間啟停同一臺(tái)機(jī)組，且沒有明確的啟停策略，導(dǎo)致系統(tǒng)機(jī)組經(jīng)常由于馬達(dá)線圈溫度過高或油系統(tǒng)堵塞等原因發(fā)生故障. 水泵處由于沒有安裝變頻器，系統(tǒng)實(shí)際工作壓力經(jīng)常大于設(shè)計(jì)工作壓力，導(dǎo)致水泵的進(jìn)出水橡膠軟接多次起鼓、止回閥多次損壞.

3 節(jié)能改造建議

雖然該土壤源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比在節(jié)能、環(huán)保等方面有很大優(yōu)勢(shì)，但是由于初投資過大，在前期設(shè)計(jì)和施工階段為了降低成本未完善系統(tǒng)自控設(shè)備和機(jī)組啟停策略，導(dǎo)致該系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中還遺留著一些問題，因此對(duì)該系統(tǒng)自控設(shè)備和運(yùn)行策略等方面提出了改造建議和優(yōu)化措施，主要有以下2個(gè)方面：

1)系統(tǒng)設(shè)備優(yōu)化. 將系統(tǒng)地源側(cè)、冷卻塔、空調(diào)側(cè)的水泵和風(fēng)機(jī)加裝變頻器，加強(qiáng)該系統(tǒng)各設(shè)備間的聯(lián)動(dòng)配合. 對(duì)供回水管道和房間內(nèi)的監(jiān)測(cè)器進(jìn)行完善，實(shí)現(xiàn)供回水管道和房間在溫度上的即時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄與反饋. 定期通過記錄的運(yùn)行數(shù)據(jù)，檢查系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，通過監(jiān)測(cè)器與控制器的反饋信息，定期檢查設(shè)備故障以及性能衰減情況，對(duì)于老化或損壞的設(shè)備及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)、校準(zhǔn)和更換，以便于更精準(zhǔn)的調(diào)控整個(gè)系統(tǒng).

2)機(jī)組啟停策略優(yōu)化. 綜合該系統(tǒng)運(yùn)行條件，設(shè)計(jì)出一種根據(jù)實(shí)時(shí)建筑室內(nèi)溫度和供水溫度來控制機(jī)組啟停的優(yōu)化策略. 采暖季機(jī)組啟停原理如圖7所示，機(jī)組開啟數(shù)量根據(jù)即時(shí)空調(diào)房間平均溫度和機(jī)組供水溫度的反饋信息進(jìn)行增減機(jī)組調(diào)節(jié)，在滿足室內(nèi)溫度要求的情況下，盡量減少機(jī)組的開啟數(shù)量. 同時(shí)，在建筑物無人員的時(shí)間，設(shè)置房間最低溫度，防止管道結(jié)凍；空調(diào)季啟停原理如圖8所示，由于無須考慮管道結(jié)凍的問題，因此在夜間等建筑內(nèi)無人員的時(shí)間關(guān)閉所有機(jī)組.

4 結(jié)論

為了進(jìn)一步降低土壤源熱泵系統(tǒng)的能耗，對(duì)某研發(fā)大廈土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行能耗調(diào)查與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，統(tǒng)計(jì)了該土壤源熱泵系統(tǒng)2016年與2017年的室外溫度、機(jī)組開啟數(shù)量和系統(tǒng)耗電量數(shù)據(jù)，分析了三者之間的關(guān)系，并調(diào)查了該系統(tǒng)設(shè)備使用情況. 得出該系統(tǒng)有以下特點(diǎn)，并根據(jù)特點(diǎn)給出節(jié)能改造建議.

該系統(tǒng)機(jī)組未能根據(jù)室外溫度與建筑負(fù)荷的變化進(jìn)行合理啟停. 機(jī)組開啟數(shù)量直接影響系統(tǒng)總能耗，不合理的機(jī)組啟停策略導(dǎo)致系統(tǒng)總能耗較高，2016、2017年該系統(tǒng)單位面積年電耗分別達(dá)到16.82 kW·h/m2、17.66 kW·h/m2. 系統(tǒng)在前期設(shè)計(jì)和施工時(shí)，為降低初投資，系統(tǒng)設(shè)備控制器和監(jiān)測(cè)器安裝不足，有效的能耗信息不能得到及時(shí)的反饋.

節(jié)能改造建議：1)將系統(tǒng)水泵和風(fēng)機(jī)全部加裝變頻器，加強(qiáng)該系統(tǒng)各設(shè)備間的聯(lián)動(dòng)配合. 2)對(duì)供回水管道和房間上的監(jiān)測(cè)器進(jìn)行完善，實(shí)現(xiàn)對(duì)房間和供回水管道溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè). 3)通過房間溫度和供水溫度的反饋信息設(shè)計(jì)出了一種新的機(jī)組啟停策略，機(jī)組能夠在采暖季和空調(diào)季通過實(shí)時(shí)反饋的溫度信息合理控制開啟數(shù)量，實(shí)現(xiàn)在建筑物有人員時(shí)，以最少的機(jī)組開啟數(shù)量滿足室內(nèi)熱舒適要求，并且在供暖季建筑物無人員時(shí)，以最少的機(jī)組運(yùn)行數(shù)使管道不結(jié)凍，以此實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)能耗的效果.