基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的地源熱泵系統(tǒng)運行性能分析

李曉萍 陳晨 徐迎春

中國建筑科學(xué)研究院天津分院

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，綠色建筑近年來在建筑行業(yè)中也受到大力推廣，對促進(jìn)節(jié)能減排，緩解我國的能源壓力有積極的促進(jìn)作用。地源熱泵作為一種高效、可靠的可再生能源利用技術(shù)，具有良好的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益，因此，被廣泛應(yīng)用于綠色建筑中，作為能源系統(tǒng)為建筑供冷、供熱、生活熱水[1]。地源熱泵系統(tǒng)的實際運行效果與設(shè)計預(yù)期之間往往存在較大差異的問題也越來越受到人們重視，其系統(tǒng)運行穩(wěn)定，性能發(fā)揮良好，對綠色建筑的能耗水平和室內(nèi)舒適度影響顯著。通過對綠色建筑運營階段地源熱泵系統(tǒng)實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集，利用信息化、智能化技術(shù)進(jìn)行能耗監(jiān)測與控制，深入分析能源利用率和節(jié)能潛力，及時發(fā)現(xiàn)問題并優(yōu)化控制，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的[2-3]。通過長期實時監(jiān)測地源熱泵系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)，可掌握地源熱泵系統(tǒng)建筑應(yīng)用項目的實際運行效果，是了解地源熱泵系統(tǒng)能耗狀況的重要手段[4]。

本文以天津某綠色三星級辦公建筑地源熱泵系統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)6 月17 日至9 月18 日夏季運行、11月15 日至次年3 月15 日冬季運行真實數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，主要包括地源熱泵系統(tǒng)地源側(cè)、室內(nèi)側(cè)出入口水溫，機(jī)組COP 等，并在此基礎(chǔ)上，對該綠色建筑地源熱泵系統(tǒng)運行情況和運行效果進(jìn)行了詳細(xì)分析，為地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和節(jié)能運行提供數(shù)據(jù)支持和實踐經(jīng)驗。

1 項目介紹

該綠色三星級辦公建筑位于中新天津生態(tài)城內(nèi)，該項目是集展示、銷售、辦公和檔案儲存等功能于一體的綜合性辦公樓。該項目為地上2 層，建筑面積為3467 m2，地上2 層為3013 m2，地下1 層為454 m2，該項目采用各被動節(jié)能技術(shù)、可再生能源系統(tǒng)以降低建筑的能量需求，其中空調(diào)冷熱源采用地源熱泵系統(tǒng)，設(shè)置1 臺雙機(jī)頭高溫冷水地源熱泵機(jī)組，名義制冷量/制熱量為350 kW/33 kW，名義制冷COP/制熱COP為5.93/4.48，夏季為建筑提供16/21 ℃的冷水作為建筑冷源，冬季為建筑提供42/37 ℃的熱水作為建筑熱源。

地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)建筑冷負(fù)荷為175 kW（單位冷指標(biāo)為55 W/m2），熱負(fù)荷168 kW（單位冷指標(biāo)為49.6 W/m2），該項目室內(nèi)側(cè)大廳采用單區(qū)變風(fēng)量全空氣空調(diào)系統(tǒng)，末端為毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)，在吊頂內(nèi)敷設(shè)毛細(xì)管，通過飾面板向下散熱和吸熱。小開敞房間采用干式風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)盤管為直流無刷型，暗裝于吊頂內(nèi)。地源側(cè)水系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，介質(zhì)為清水，采用雙U 型垂直式換熱系統(tǒng)，室外場地共鉆孔44 口、鉆孔直徑Ф200 mm、單孔深120 m，成矩形布置、兩孔間距5 m，室外換熱系統(tǒng)水平集管采用單管區(qū)域集中＋檢查井式系統(tǒng)。

2 地源熱泵系統(tǒng)運行分析

本項目地源熱泵系統(tǒng)在夏季制冷、冬季供熱運行中每天24 h 連續(xù)運行，除節(jié)假日外，熱泵系統(tǒng)周六、日正常運行，通過分析地源側(cè)、用戶側(cè)運行參數(shù)及系統(tǒng)運行能效分析，評價熱泵系統(tǒng)的運行效果。

2.1 地源側(cè)分析

根據(jù)中新生態(tài)城的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件特點，生態(tài)城淺層地?zé)豳Y源開發(fā)比較適合利用地埋管地源熱泵系統(tǒng)，該地區(qū)可循環(huán)利用的淺層地?zé)崮芸蛇_(dá)1.69×105kW[5]。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)檢測報告，項目土壤換熱器夏季平均放熱能力為68 W/m，冬季平均取熱能力為37 W/m。

圖1 為地源熱泵系統(tǒng)2016 年6 月17 日至9 月18日夏季工況、2016 年11 月15 日至2017 年3 月15日冬季運行工況下，地埋管總管地源水出入口水溫、溫差情況。如圖2 所示，夏季工況系統(tǒng)運行期間，地源出口溫度介于15～20 ℃之間，水入口溫度在16～22 ℃之間波動，出入口平均溫度約為18 ℃，出入口溫差主要集中在1 ℃左右。從6 月中旬開始至8 月中旬，由于系統(tǒng)連續(xù)運行，地源水溫呈現(xiàn)上升趨勢，溫度上升了4 ℃左右，進(jìn)入8 月下旬，地源水出入口溫度隨著制冷負(fù)荷下降而逐漸降低，相比8 月下降約2 ℃左右。冬季工況地源測出入口溫度隨著系統(tǒng)運行的持續(xù)逐漸降低，供暖初期地源側(cè)出入口溫度分別為14/13 ℃，供暖末期為11/10 ℃，下降約3 ℃，地源側(cè)出入口溫差約為1 ℃。因此，針對以上情況，合理控制控制地源側(cè)水泵頻率，降低水泵能耗。

圖1 地源側(cè)出入水溫度分布

2.2 熱泵系統(tǒng)運行分析

通過分析該項目夏季制冷工況、冬季制熱工況運行情況下的用戶側(cè)供回水溫差、系統(tǒng)能耗分析項目地源熱泵運行狀況和末端運行情況，如圖2 所示，夏季運行工況下地源熱泵機(jī)組供水溫度約為11～14 ℃左右，回水溫度約為12～15 ℃，夏季工況下用戶側(cè)負(fù)荷小，用戶側(cè)供回水溫差主要集中在0～1 ℃區(qū)間內(nèi)，遠(yuǎn)低于設(shè)計5 ℃溫差值；冬季制熱運行工況下，室內(nèi)側(cè)供水溫度主要介于40～45 ℃之間，回水溫度主要介于38～43 ℃之間，供回水溫差約為2 ℃，同樣也低于設(shè)計5 ℃溫差值，熱泵系統(tǒng)長期處于“小溫差大流量”運行條件下，使得系統(tǒng)水泵能耗占比偏大，如圖3 所示，在夏季制冷工況下，水泵能耗占系統(tǒng)能耗的49%，造成系統(tǒng)總體能效偏低，冬季制熱工況下，水泵能耗占系統(tǒng)能耗的39%，系統(tǒng)整體運行效果優(yōu)于夏季工況。

圖2 用戶側(cè)供回水溫度分布

圖3 熱泵機(jī)組水泵能耗比

圖4 為地源熱泵系統(tǒng)夏季制冷工況和冬季制熱工況運行期間機(jī)組COP 和系統(tǒng)EERsys。從圖4 可以看到，夏季制冷工況下地源熱泵系統(tǒng)運行期間機(jī)組COP值為1.5～5.5，機(jī)組COP 值主要分布在2.5 左右，平均COP 約為2.2，系統(tǒng)EERsys 值為1.0～3.5，系統(tǒng)EERsys 值主要分布在1.5 左右，平均EERsys 約為1.1；冬季制熱工況，地源熱泵系統(tǒng)運行期間機(jī)組COP值為2.5～4.8，平均COP 約為3.1，系統(tǒng)EERsys 值為1.5～3.6，系統(tǒng)EERsys 平均值約為1.9，從計算結(jié)果來看，COP 與EERsys 明顯低于系統(tǒng)的額定值，系統(tǒng)運行能效偏低，冬季制熱工況運行效果要優(yōu)于制冷工況。

圖4 機(jī)組COP 與系統(tǒng)EERsys 比較

圖5 為項目夏季制冷工況和冬季制熱工況下，熱泵機(jī)組逐時制冷（熱）量及制冷（熱）負(fù)載率分布情況，如圖5 所示項目，地源熱泵系統(tǒng)全年運行中的負(fù)荷率都在比較低的狀態(tài)下運行，在大部分時間內(nèi)，建筑的實際冷（熱）負(fù)荷小于設(shè)計工況，多數(shù)時間是在較低的負(fù)載率下運行，進(jìn)而造成系統(tǒng)能效偏低。夏季工況下大部分時間內(nèi)機(jī)組負(fù)載率低于10%，冬季工況下大部分時間內(nèi)機(jī)組負(fù)載率低于30%，熱泵系統(tǒng)實際運行情況與設(shè)計偏離度較大。

圖5 機(jī)組制冷（熱）量及負(fù)載率

3 項目地源熱泵系統(tǒng)運行優(yōu)化分析

通過對該綠色公共建筑地源熱泵系統(tǒng)運行效果分析，能夠總結(jié)該系統(tǒng)設(shè)計、運行管理等方面存在的問題，并進(jìn)一步提出改善和提高實際項目的運行效果方案，提高該項目熱泵系統(tǒng)運行效果。

1）系統(tǒng)存在“小溫差，大流量”現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)組能耗較高，能效偏低，因此，可通過增大供回水溫差減小流量的方法降低機(jī)組的能耗，同時可考慮對水泵設(shè)備進(jìn)行改造，加裝加變頻裝置，降低水泵能耗。

2）機(jī)組選型與建筑冷熱負(fù)荷設(shè)計匹配度不高，系統(tǒng)長時間處于低負(fù)荷運行，機(jī)組COP 和系統(tǒng)EERsys偏低。合理設(shè)定供回水溫度，避免機(jī)組頻繁啟停，降低系統(tǒng)開機(jī)能耗。同時通過機(jī)組的變頻控制，設(shè)置機(jī)組和地源側(cè)水泵聯(lián)動運行，即機(jī)組停止運行，系統(tǒng)水泵能夠低頻運行，提高系統(tǒng)運行能效。

3）地源熱泵系統(tǒng)的運行控制策略不合理，該項目機(jī)組24h 持續(xù)運行，且現(xiàn)場并未能根據(jù)室外氣溫條件進(jìn)行相應(yīng)的節(jié)能操作。應(yīng)對現(xiàn)場系統(tǒng)運行進(jìn)行規(guī)范化管理，制定科學(xué)合理的運行方式，如為保障室內(nèi)滿足舒適度要求，設(shè)置合理設(shè)置機(jī)組開機(jī)、關(guān)機(jī)時間，可在早上辦公時間前1 h 左右啟動熱泵系統(tǒng)，在下午辦公時間結(jié)束前1 h 關(guān)閉熱泵系統(tǒng)，通過減少機(jī)組運行時間，來降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。

4 結(jié)語

本文基于某綠色示范建筑地源熱泵系統(tǒng)實際運行數(shù)據(jù)，分析了該地源熱泵系統(tǒng)在2016 年6 月17 日至9 月18 日和2016 年11 月15 日至2017 年3 月15日之間該系統(tǒng)整體運行狀況。

通過地源熱泵系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)地源熱泵系統(tǒng)全年運行中的負(fù)荷率都在比較低的狀態(tài)下運行，在大部分時間內(nèi)，建筑的實際冷（熱）負(fù)荷小于設(shè)計工況，進(jìn)而造成系統(tǒng)能效偏低。夏季工況地源側(cè)出入口溫差約為1 ℃，且地源水溫隨著系統(tǒng)連續(xù)運行呈上升趨勢，溫度上升了4 ℃左右，到8 月中旬為最高值，之后地源水出入口溫度逐漸降低。用戶側(cè)供回水溫差主要集中在0～1 ℃區(qū)間內(nèi)，低于設(shè)計5 ℃溫差值。機(jī)組平均COP 值約為2.2，機(jī)組存在“小溫差，大流量”現(xiàn)象，造成水泵能耗偏低，水泵能耗占系統(tǒng)總能耗的49%，使得系統(tǒng)能耗偏低，系統(tǒng)的平均EERsys 約為1.1。

冬季工況地源測出入口溫度隨著系統(tǒng)運行的持續(xù)逐漸降低，相比供暖初期地源側(cè)出口下降約3 ℃，地源側(cè)出入口溫差約為1 ℃，用戶側(cè)供回水溫差約為2 ℃，同樣也低于設(shè)計5 ℃溫差值。地源熱泵系統(tǒng)運行期間機(jī)組COP 平均值為3.1，水泵能耗占系統(tǒng)能耗的39%，系統(tǒng)整體運行效果優(yōu)于夏季工況，系統(tǒng)EERsys平均值約為1.9。

因此，基于對該地源熱泵系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測分析，總結(jié)項目中存在的問題，提出的運行管理方案，通過優(yōu)化系統(tǒng)運行方式，改善該綠色建筑地源熱泵系統(tǒng)的運行效果。