上海地區某聯排別墅地源熱泵系統冬季運行效果實測分析

夏 嬋 卜 震 上海市建筑科學研究院

?

上海地區某聯排別墅地源熱泵系統冬季運行效果實測分析

夏 嬋 卜 震 上海市建筑科學研究院

摘要：對上海某聯排別墅小區地源熱泵系統冬季工況的實際運行效果開展了監測分析。結果表明該系統實際運行能效比偏低，通過深入分析提出了該系統控制模式和輸配系統設計不合理，導致人們生活用能習性發生變化，冬季實際運行時負荷率較低，水泵不必要能耗占比較大，存在節能優化空間。

關鍵詞：地源熱泵；生活習性；工作日；非工作日；COP；輸配設計

隨著經濟的發展和人民生活水平的不斷提高，人們對居住環境中的室內熱舒適性要求逐步提高，地源熱泵技術作為一種節能有效的空調方式適應性較強，可實現人們對室內熱環境的高需求。同濟大學譚洪衛等人［1］曾就某一棟別墅地源熱泵系統的供暖情況進行了連續監測，分析得出在滿足同等熱舒適性條件下，地源熱泵系統比常規的空氣源熱泵系統節能31%；陳焰華等［2］人對武漢某一典型小區地源熱泵系統全年運行情況進行了測試，分析得出地源熱泵系統性能系數較空氣源熱泵高出近40%。但由于氣候、圍護結構熱工性能、居民生活習慣及系統運行問題，仍有一部分人對應用地源熱泵系統的冬季室內熱環境不滿意［3］。一般認為地源熱泵等集中式空調系統適合應用于末端負荷率高、負荷變化穩定的場合，例如大型辦公建筑、商業建筑等，與此類建筑相比，居住建筑的使用時間具有較大的靈活性，負荷變化較大，這就使得居住建筑中采用地源熱泵系統的運行管理比較棘手。本文通過對上海某聯排別墅居住建筑的地源熱泵空調系統在冬季工作日與非工作日期間實施連續監測，分析該地源熱泵空調系統的實際運行能效，并從不同角度提出存在的節能問題。

2 研究對象與方法

2.1工程概況

聯排別墅位于上海市閔行區浦江鎮，建筑面積2.78萬m2采用土壤源熱泵空調系統，空調冷熱源由土壤換熱器提供，夏季土壤換熱器井深散熱量為75 W/m，冬季井深取熱量為50 W。土壤換熱器按照5×5 m間距埋設，鉆孔深度100 m，總埋設并聯雙U井214口。

該系統包括4臺熱泵機組，分別位于1號、3號兩個機房，每個機房各1臺PSRHH1702-Y和1臺PSRHHR0802-Y，其中1臺PSRHHR0802-Y熱回收主機同時提供60/55℃的衛生熱水；空調系統末端為風機盤管，冬夏轉換通過雙位電動蝶閥控制實現。系統主要設備參數見表1原理圖見圖1。

2.2測試項目

測試儀器主要參數和測試項目見表2。

圖1　地源熱泵系統原理圖

表1　空調系統主要設備參數表

2.3測試過程

本次測試僅選取一個機房（3號機房）的設備進行測試；測試時間選取冬季供熱時的某一工作日和非工作日。測試期間3號機房的兩臺機組全天24 h供熱，地源側循環水泵、用戶側循環水泵及生活熱水循環泵各開啟1臺。各測試點布置如圖2所示，其中3號機組是型號PSRHH1702-Y的高溫熱泵機組，供應用戶空調用熱水；4號機組是型號為PSRHHR0802-Y的高溫水/地源熱泵機組，供應用戶生活熱水。測點布置如圖2所示，其中T代表溫度，V代表流量，N代表功率。

2.4數據處理

（1）地源側換熱器取熱量

式中，Q1為地源側換熱器取熱量，kJ；C1為地源側水的比熱容，kJ/（kg·℃）；ρ1為地源側水密度，kg/m3；V1為地源側水流量，m3/h；Tg1、Th1分別為地源側進出水溫度，℃； 。

（2）用戶側供熱量

式中，Q2為用戶側取熱量，kJ；C2為用戶側水的比熱容，kJ/（kg·℃）；ρ2為用戶側水密度，kg/ m3；V2為用戶側水流量，m3/h；Tg2、Th2分別為用戶側進出水溫度，℃。

（3）機組平均COP

式中，COP為機組的平均性能系數；W1為機組的輸入功率，kW。

（4）系統能效比COPs

式中，COPs為系統性能系數；W2為系統水泵的輸入功率（包括地源側水泵和用戶側水泵），kW。

（5）負荷使用率

實際能達到的最大冷負荷（熱負荷）與系統設計冷負荷（熱負荷）的比值［4］。

圖2　3號機房測點布置示意圖

3 結果與討論

3.1水流量測試結果

測試期間，3號機房地源熱泵空調系統運行時地源側與用戶側水流量的測試結果如表3所示。

表3　地源側與用戶側水流量測試結果

3.2溫度測試結果

（1）室外溫度

測試期間，工作日與非工作日的室外氣溫變化如圖3所示。由圖3可知，工作日與非工作日當天室外平均氣溫分別為7℃和6℃；最高氣溫可分別達12℃和10℃。

（2）地源側水溫度

測試期間，溫度自記儀溫度采集間隔設置為1 min。工作日和非工作日空調用地源側供回水溫度變化如圖4和圖5所示。由圖4、圖5可知不論工作日與非工作日地源側供水溫度全天趨于穩定，約為16.6℃；回水溫度根據用戶需求而變化。由圖還可看出，工作日和非工作日平均溫差均為2.0℃左右；但溫差波動較大的時間段略有不同，這與一般居民在工作日和非工作日的生活習性相似。

（3）用戶側水溫度

工作日和非工作日地源熱泵系統用戶側供回水溫度變化如圖6和圖7所示。由圖6可知，工作日與非工作日用戶側供水溫度平均為46.3℃，較為穩定；用戶側回水平均溫度均為43.5℃，平均溫差為2.8℃，較設計溫差5℃低2.2℃。由圖還可看出，工作日和非工作日空調集中使用時間略有不同，工作日主要集中在20：00左右；而非工作日主要集中在8：00～12：00及16：00之后。

圖3　室外溫度變化圖

圖4　工作日地源側供回水溫度變化

圖5　非工作日地源側供回水溫度變化

圖6　工作日用戶側供回水溫度變化

圖7　非工作日用戶側供回水溫度變化

3.3機組及系統COP

工作日與非工作日累計供熱量和耗電量如表4所示。由表4可知，對于空調用供熱機組，工作日和非工作日機組COP分別為3.4和3.5，而系統能效比（COPs）分別為2.5和2.6；相對空氣源熱泵（2.3～2.6）并無明顯節能優勢。這可能是由于末端用戶負荷使用率低（由圖8可看出）且水泵全天24h定頻運行導致不必要能耗消耗的緣故。

表4　機組COP和系統能效COPs kWh

圖8　 地源熱泵空調供熱負荷率

經現場調研分析可知，導致空調供熱負荷率低的原因主要有兩點。

（1）空調系統控制模式。該小區使用地源熱泵中央空調系統，供冷和供熱時間均有合同規定，且系統機房設備的啟閉由小區物業來執行，住戶不能自主控制，導致部分住戶自主安裝分體空調和地板輻射供熱，從而導致地源熱泵空調系統的使用率較低；

（2）居住人群和生活習慣的影響。不同人群的生活習慣和節能意識都不同，現場調研發現不少居民自主安裝了地板輻射供暖，采用家用燃氣鍋爐提供熱源，在熱舒適性方面，地暖末端比地源熱泵系統的末端風機盤管更有優勢的，且每月燃氣費用和使用地源熱泵費用相比增加并不多。

就本項目使用地源熱泵中央空調系的排別墅，建議各家各戶安裝獨立的輸配水泵，住戶不僅可自主控制地源熱泵空調的開啟，還能降低系統水泵能耗；同時合理制定空調的使用費，增加住戶對地源熱泵中央空調的開啟使用率，從而提高系統性能系數。

4 結論

（1）測試期間，不論工作日和非工作日，地源側供水溫度較穩定，均為16.6℃；且用戶側供水溫度和溫差也趨于穩定。

（2）采用系統COPs和機組COP可反映地源熱泵系統的實際運行效果，分析結果可見：冬供熱時，工作日和非工作日熱泵機組COP分別為3.4 和3.5，而系統COPs值分別為2.5和2.6。

（3）地源熱泵系統能效較低，這可能是因為系統集中控制模式不合理，導致人們生活用能習性發生變化，從而使得地源熱泵系統負荷使用率較低；同時輸配水泵全天24小時連續定頻運行，不必要能耗占比較大，存在節能優化空間，建議可采用各家各戶安裝獨立輸送水泵的方式來提高能效。

參考文獻

［1］譚洪衛，胡依峰，雷勇，等.獨棟住宅土壤源熱泵系統冬季供暖實證研究［J］.建筑科學，2013，29（6）.

［2］陳焰華，胡平放，雷飛，等.武漢地區地源熱泵系統的運行測試與分析［J］.暖通空調，2009，39（6）.

［3］張建忠.江蘇省地源熱泵技術在住宅中的應用［J］.特別關注.

［4］徐輝.夏熱冬冷地區地源熱泵系統運行特性分析［D］.江蘇：揚州大學，2014.

夏嬋：（1988-），女，碩士研究生，助理工程師。

Fund item： Science and Technology Committee of Shanghai Scientific Research Topic：Groudn Source Heat Pump Technology Appplication Effect Analysis and Evaluation Index Research （14DZ12012002）

Surveillance and Analysis of Ground Source Heat Pump System in Winter Operation Effect at some Shanghai Row-House

Xia Chan， Bu Zheng Shanghai Architectural Science Research Institute

Abstract：The article carries out surveillance and analysis of ground source heat pump system winter operation effect at some Shanghai row-house compound. The result shows that this system has low operation energy efficiency. It figures out unreasonable system control mode with transportation and distribution system design through deepening analysis， which could result in unnecessary high water pumps energy consumption when low load in winter according to people living habits changes. There is still some energy saving and optimization possibilities.

Key words：Ground Source Heat Pump， Living Habits， Working Days， Non-Work Days， COP，Transportation and Distribution System

基金項目：上海市科學技術委員會科研計劃課題：地源熱泵技術應用效果分析及評價指標研究（14DZ12012002）

DOI：10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.05.004

［作者簡介］