上海某辦公樓土壤源熱泵系統冬季運行特性實測分析

李崢嶸，傅 強，錢必華，劉遞多

（1.同濟大學暖通空調及燃氣研究所，上海 200092；2.同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092）

目前地源熱泵系統主要應用在北美、歐洲和中國，據2010年世界地熱大會統計數據，截止2009年，地源熱泵的利用能量已達到214 782 TJ/a，與2005年世界地熱大會的統計數據相比，5年內增長了2.45倍，平均年增長率達到了19.7%，中國地源熱泵總利用面積2008年為6 200萬m2，2009年達到10 070萬m2，總利用功率約5 210 MWt[1]．

近年來，國家對于可再生能源的開發與利用逐漸重視，并出臺了一系列的法規政策，在此背景下，作為可再生能源利用的一種重要方式，我國地源熱泵（尤其土壤源熱泵）產業的發展日益加快[2]．國內學者對該系統運行特性的研究方法多以短期實測與長期模擬相結合為主[3-10]，而國外相關研究很多都是基于全年監測數據或多年監測數據展開，如2010年 T.Magraner等人在西班牙巴倫西亞理工大學的土壤源熱泵系統實驗臺進行全年實測，研究系統長期運行特性[11]；2011年C.Montagud等人對西班牙巴倫西亞理工大學的土壤源熱泵系統實驗臺運行 5年的數據分析系統性能[12]；2011年 Scott Hackel和Amanda Pertzborn對美國三幢應用復合式地源熱泵系統的建筑進行全年監測研究[13]；2012年Jin Taek Chung和Jong Min Choi在韓國忠南一個167m2的住宅建筑進行全年監測研究[14]；2013年A.Michopoulos和 T.Zachariadis對希臘北部一幢市政大樓的地源熱泵系統進行全年監測研究[15]．目前國內土壤源熱泵的推廣遇到很大問題[16]，尤其缺少長期運行數據．基于這一問題，本文通過對上海市某辦公樓土壤源熱泵系統供暖工況長期監測，得到上海市辦公類建筑土壤源熱泵系統冬季的長期運行特性，為土壤源熱泵系統的設計和運行提供參考．

1 土壤源熱泵系統的監測及分析方法

1.1 土壤源熱泵系統及監測

1.1.1系統介紹

研究對象為一幢位于上海市新江灣城的辦公樓，分為東樓和西樓，東樓地下一層、地上五層，西樓地下一層、地上四層．總建筑面積為 21 959 m2(其中地上部分13 152 m2 )，建筑總高度為23.95 m．建筑朝向為南偏東29°．東向窗墻比為0.67，南向為0.61，西向為0.33，北向為0.66．空調冷熱源為兩臺地源熱泵主機（名義制冷量 1203.5kW，名義制熱量1204.4 kW）與三臺輔助閉式冷卻塔相結合的形式，地埋管按冬季熱負荷設計，共設置垂直單U管223個，有效深度100 m，孔徑150 mm，埋管間距4.5 m×4.5 m，回填材料采用專用的土、砂混合物．用戶側循環水泵和地埋管側循環水泵均為2用1備，型號為WILO的NL150/315-37/4．冬夏季工況由管路閥門調控，夏季地埋管與冷卻塔并聯．末端設備采取空調箱與風機盤管，大堂和餐廳采用空調箱，辦公室采用風機盤管加獨立新風系統．

系統主機和水泵的啟停由管理人員控制，正常開啟時間為周一到周五，7:00-17:30．管理人員通過設定用戶側機組出水溫度控制機組的運行．

冬季室內設計參數及典型日實測參數見表1所示，對比發現，只有會議室溫度過高（設計參數為19-21℃），其他參數均符合設計參數范圍，說明該空調系統運行狀況基本與設計工況相符合．

圖1 供暖工況測點布置圖Fig. 1 Schematic diagram of GSHP and measuring points

表1 冬季室內設計參數與典型日實測參數Tab.1 winter indoor design parameters and measured parameters on typical days

1.1.2監測系統

供暖工況監測參數為兩臺熱泵機組的蒸發器和冷凝器進出口水溫、地埋管回水溫度、用戶側流量、地埋管側流量、熱泵機組小時電耗、循環水泵小時電耗．其中溫度監測采用天建華儀WZYW-1溫度記錄儀，精度±0.3℃；地埋管側流量采用超聲波流量計典型日實測，精度±0.1m3/h；用戶側流量、熱泵機組小時電耗和循環水泵小時電耗均采用BA系統數據庫數據，其中用戶測流量經過超聲波流量計校核，誤差在5%以內．監測時間為整個冬季工況，2013年11月11日-2014年4月3日．系統原理圖及具體測點布置見圖1所示．圖1中箭頭方向為冬季工況，冷卻塔側開關閥門冬季關閉．T為壁溫測點，V為流量測點．

1.2 數據分析計算方法

壁溫數據采集頻率為10 min，流量數據采集頻率為30 min，假設30 min內流量不變化，即可將壁溫數據與流量數據建立聯系．

1.2.1負荷

①瞬時負荷

建筑瞬時負荷以用戶側流量和用戶側供回水溫度進行計算，10 min計算一次：

式中：Q˙為建筑瞬時負荷，kW；c為水的比熱容，kJ/(Kg·℃)； ρ為水的密度，kg/m3；V˙為用戶側體積流量，m3/h；Tg為用戶側供水溫度，℃；Th為用戶側回水溫度，℃．

②小時負荷

建筑小時負荷由每 10 min計算一次的建筑瞬時負荷累加得到：

式中：hourQ 為建筑小時負荷，kWh．

③日均小時負荷

1.2.2日均部分負荷率

日均部分負荷率為建筑日均小時負荷與機組小時名義制熱量之比：

式中：PLR為日均部分負荷率；ratedQ 為熱泵機組小時名義制熱量，kWh，當開啟一臺機組時，為一臺機組小時名義制熱量，開啟兩臺機組時，為兩臺機組小時名義制熱量．

1.2.3日均能效比

①機組日均能效比

式中：D PF1為機組日均能效比；Wcomp為機組小時功耗，kWh．

②系統日均能效比

式中： D PF2為系統日均能效比； Wpump為用戶側和地埋管側循環水泵小時功耗，kWh．

2 數據驗證與分析

2.1 數據驗證

為了驗證監測方法和儀器的準確性，以用戶側和地埋管側的小時負荷值進行驗證．理論上，如果忽略水泵散熱量，冬季工況下，用戶側小時負荷應該等于地埋管側小時取熱量與機組小時電耗之和．但在實測過程中，由于種種因素，二者之間會有偏差，以α表示這種相對偏差，結果見圖2所示：

式中： Qhour為用戶側小時負荷，kWh；Qsoil-hour為地埋管側小時取熱量，kWh；Wcomp-hour為機組小時電耗，kWh．

結果顯示，整個冬季工況小時負荷值相對偏差在-10%～+15%，屬于正常誤差范圍，故監測數據準確有效．

圖2 小時負荷相對偏差αFig.2 Hour load relative deviationα

圖3 地埋管出水溫度Fig. 3 Outlet water temperature from buried pipes

2.2 數據分析

影響土壤源熱泵系統性能的因素有很多，如土壤溫度、用戶側供水溫度設置、部分負荷率等．下面主要分析這幾個因素對系統性能的影響．

2.2.1地埋管出水溫度

由于該系統施工時沒有在地埋管上安裝溫度傳感器，得不到土壤溫度，故考慮采用地埋管出水溫度表征地埋換熱器換熱效果[12]，見圖3所示．圖中2月初數據空白是由于春節長假，系統未開啟．可以看出，地埋管出水溫度整個冬季變化趨勢是先降低后升高，在2月中旬開始回升．在11月份地埋管出水溫度日下降約 1.5℃，隨著部分負荷率的增加，系統從土壤中取熱量增加，日降低溫度也會增加，至2月初，日下降可達2.5℃以上．

同時，由于辦公建筑間歇運行方式，土壤溫度恢復特性得到體現，影響土壤溫度恢復特性的因素有很多，如土壤溫度水平、建筑部分負荷率、室外空氣溫度、太陽輻射強度等，此處以地埋管出水溫度表征這一特性．11月份地埋管出水溫度在工作日經過一個夜晚的恢復可提升 1℃左右，經過一個周末的恢復提升也在 1℃左右，這是由于剛進入冬季工況，土壤溫度較高，土壤溫度恢復能力得不到充分體現；12月份工作日恢復溫度約1.5℃，周末溫度恢復可達2.5℃；1月份工作日恢復溫度約1.5℃，周末溫度恢復約 2℃，可能是由于室外空氣溫度比12月份更低，且太陽輻射強度也比12月份低，導致周末溫度恢復略低于12月份；2月中旬工作日溫度恢復約2.5℃，周末溫度恢復高達3℃，這主要由于這時土壤溫度水平已經很低了，溫度恢復能力很強．3月上旬工作日溫度恢復為1℃-2℃，周末溫度恢復約2℃；3月底至4月初，溫度恢復值很小，在 0.5℃以下，這主要是由于部分負荷率很小，系統從土壤取熱量很少，土壤溫度變化受系統影響很小，主要受室外空氣溫度和太陽輻射強度的影響．

2.2.2 用戶側供水溫度

用戶側供水溫度由系統管理人員設定，見圖 4所示．11月到 12月底，供水溫度都設置在 38℃-39℃；從12月底至2月底，大多設置在43-44℃，期間也有部分時間設置在38℃-39℃；3月直至供暖季結束，設置在39℃左右．

圖4 用戶側供水溫度Fig. 4 User‐side supply water temperature

圖5 日均小時負荷Fig.5 Daily average hour load

2.2.3日均小時負荷

由式（1）-式（3）計算得出，結果如圖5所示，從供暖季開始到 12月中旬，建筑日均小時負荷幾乎都在500 kWh以下，12月中旬到3月初該值較大，在2月中旬達到約1 150 kwh．但是在1月2日附近出現一個谷值，在 1月底也出現一個谷值，這是由于元旦法定假日和春節法定假日，部分部門上班人數較少，末端設備開啟相對少，導致建筑負荷相對較小．

2.2.4日均部分負荷率

由式（4）計算得出，結果如圖 6所示，由于冬季供暖工況下一般一臺熱泵機組就可以滿足建筑負荷需求，故日均部分負荷率形式上與日均小時負荷大體相同．11月剛進入供暖季，日均部分負荷率較低，約為 26%～45%，；12月份日均部分負荷率逐漸增大，約為41%～74%；1月份波動較大，約為36%～81%，主要是由于1月9日、10日開啟兩臺機組，由式（4）可知，這兩天日均部分負荷率處于低值，分別為36%和40%，1月底的低值是由于部分部門上班人數較少，建筑負荷相對小；2月份日均部分負荷率較大，約為66%～96%，在2月18日開始降低；3月份逐漸降低，從月初74%降到月底18%；4月份只有前三天供暖，日均部分負荷率約為17%．

將部分負荷率以10%為間隔分成幾個區間，將圖6中不同部分負荷率的時間進行統計，結果見圖7．40%負荷率的時間最長，占整個供暖工況的23.3%；其次為70%和80%負荷率，都為14.1%；同時看出，整個供暖季有約 80%的時間都處于40%～80%負荷率下．

圖6 日均部分負荷率Fig. 6 Daily average part load rate

圖7 不同部分負荷率的時間Fig. 7 Time ratio of different part load rate

2.2.3日均能效比

機組日均能效比見圖8所示．11月份和12月份由于部分負荷率較低，機組日均能效比也較小，在4.1～5.3之間波動；1月份波動很大，為3.9-6.7,主要是因為1月9日、10日開啟兩臺機組，導致部分負荷率較低，能效比較小，而且從圖4可以看出，1月份用戶側供水溫度設置波動很大，導致日均能效比隨之波動；2月份為 4.4～6.0，能效比逐漸降低；3月份為3.9～5.4；4月初為供暖季最后幾天，部分負荷率也很低，而且相比與 11月份，土壤溫度更低，導致機組能效比很低，約為3.8～3.9．

系統日均能效比見圖9所示．11月份為2.4～3.4；12月份為3.0～3.8；1月份大部分時間為3.5～4.3，1月9日、10日開啟兩臺機組，導致部分負荷率較低，系統能效比較小，分別為2.8和3.3；2月份為 3.5～4.7；3月份開始逐漸下降，從 3.9降到2.0；4月初為1.9～2.0．

圖8 機組日均能效比Fig. 8 Daily average unit energy efficiency ratio

圖9 系統日均能效比Fig.9 Daily average system energy efficiency ratio

3 結論

本文基于對上海市某辦公建筑土壤源熱泵系統2013-2014年整個冬季供暖工況的長期監測，分析了上海市土壤源熱泵系統冬季供暖工況的長期運行特性．主要結論如下：

(1)冬季工況下，地埋管回水溫度先下降后有所回升，日下降溫度最高可達 2.5℃．工作日系統經過一個夜晚的間歇，地埋管回水溫度可恢復約1℃～2.5℃，經過一個周末的間歇，可恢復約1℃～3℃．

(2)冬季工況下，日均部分負荷率有80%的時間都處于 40%～80%負荷率下，40%負荷率的時間最長，占整個冬季工況的23.3%．因此，系統部分負荷率下的運行性能尤為重要．

(3)冬季工況下，機組能效比為3.8～6.7，系統能效比為 1.9～4.7．而且能效比不僅受部分負荷率和地埋管出水溫度影響，受用戶側出水溫度影響也較大．因此基于建筑負荷，合理設置機組和水泵開啟臺數及合理設置用戶側出水溫度對土壤源熱泵系統高效運行具有重要意義．

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