大型博物館建筑地源熱泵系統實測運行策略分析

地埋管地源熱泵系統在上海的應用已經有十多年的歷史。針對上海冷負荷一般大于熱負荷的氣候特征，為保證土壤的熱平衡，近年來上海地區地源熱泵建筑應用多為復合系統設計，如地源熱泵+冷卻塔、地源熱泵+空氣源熱泵、地源熱泵+冷水機組/冷卻塔等。復合系統運行相對復雜，需要緊密結合建筑設備管理系統、能耗系統等，定期調整和改變系統的運行策略，對物業管理人員提出了更高的要求。同時，博物館建筑的負荷特性相對于其他常規建筑也有較大差異：人員密度高且變化率大，內區數量多、展品要求高等。因此該類型建筑采用地源熱泵系統可參考的項目數量少且系統運行相對復雜。

本文通過對某博物館項目復合地源熱泵系統的實時監測數據進行分析，找出系統運行的問題，提出解決策略，以期為其他類似項目的設計和運行提供參考。

1 項目概述

上海某博物館項目建筑面積約 4.5 萬 m2，2014 年 12月竣工，2015 年 4 月試運行，年接待參觀人數 200 萬人次以上。該項目采用地埋管地源熱泵系統提供 100% 的展廳熱負荷和 40% 的冷負荷，其余冷負荷由螺桿冷水機組+冷卻塔提供，并設置 2 臺冷卻塔為地源熱泵機組備用。設備參數詳見表1 和表2。

表1 冷熱源機組系統參數

表2 冷卻塔參數

地源側換熱采用灌注樁埋管與地下連續墻埋管(外圍地下連續墻和地鐵連續墻)兩種形式。其中：灌注樁埋管 393個，有效深度 45 m；外圍地下連續墻內埋管總計 266 個，有效深度 34～38 m；地鐵連續墻內埋管 186 個，有效深度 18 m。

為了最大限度地體現可再生能源的節能效果，在制熱季節全部采用地源熱泵系統，制冷季節根據負荷大小首選地源熱泵機組。在地源熱泵機組無法滿足的情況下，開啟冷水機組，詳見圖1。

圖1 機組開機策略

2 月典型日地源熱泵 1 號機組運行時間為 8∶00～17∶00，

由圖1 可知，在過渡季節(5 月、9 月、10 月)基本以地源熱泵機組為主，在 7 月、8 月冷負荷高峰期需地源熱泵機組和冷水機組聯合運行。

項目設置了較為完備的建筑設備管理系統，對機組冷凝側和蒸發側的供回水溫度、地源側供回水溫度等進行實時監測，并定期存儲數據。

2 運行實測數據

2.1 機組蒸發/冷凝側進/出水溫度分析

分別選取冬季最冷的 3 個月(12 月、1 月、2 月)各月典型日機組蒸發器進/出水溫度及夏季最熱 3 個月(6 月、7月、8 月)各月典型日機組冷凝器進/出水溫度進行分析。

12 月典型日地源熱泵 1 號機組運行時間為 8∶00～15∶00，連接地源側的蒸發器進/出水溫度 17.5/14 ℃ 左右，進/出水溫差約為 3.5 K；地源熱泵 2 號機組不運行。12 月詳細數據見圖2。

圖2 12 月典型日機組冷凝器進/出水溫度

1 月典型日地源熱泵 2 號機組運行時間為 8∶00～17∶00，連接地源側的蒸發器進/出水溫度為 20/15 ℃ 左右，進出水溫差約為 5 K ；地源熱泵 1 號機組不運行。1月詳細數據見圖3。連接地源側的蒸發器進/出水溫度為 18.5/15 ℃ 左右，進/出水溫差約為 3.5 K；地源熱泵 2 號機組不運行。2 月詳細數據見圖4。

圖3 1 月典型日機組蒸發器進/出水溫度

圖4 2 月典型日機組蒸發器進/出水溫度

6 月典型日冷水機組 2 號運行時間為 8∶00～17∶00，冷凝器側進/出水溫度為 30/36 ℃，進/出水溫差約為 6 K；冷水機組 1 號不運行；地源熱泵 2 號機組運行時間為0∶00～8∶00，17∶00～24∶00，連接地源側的機組冷凝器進/出水溫度為 33～34/36～38 ℃，進/出水溫差為 4～5 K；地源熱泵 1 號機組不運行。6 月詳細數據見圖5、圖6。

圖5 6 月典型日冷水機組 2 號冷凝器進/出水溫度

7 月典型日冷水機組 2 號運行時間為 8∶00～17∶00，冷水機組 1 號運行時間 10∶00～17∶00，冷凝器側進/出水溫度 29/34 ℃，進/出水溫差約為 5 K；地源熱泵 1 號機組夜間運行，連接地源側的機組冷凝器進/出水溫度 37/42℃，進/出水溫差約為 5 K；地源熱泵 2 號機組不運行。7月詳細數據見圖7、圖8、圖9。

圖6 6 月典型日地源熱泵 2 號冷凝器進/出水溫度

圖7 7 月典型日冷水機組 2 號冷凝器進/出水溫度

圖8 7 月典型日冷水機組 1 號冷凝器進/出水溫度

圖9 7 月典型日地源熱泵 1 號冷凝器進/出水溫度

8 月典型日冷水機組 1 號和 2 號的運行時間為 8∶00～17∶00，冷凝器側進出水溫度為 28/32 ℃、28/33 ℃，進出水溫差為 4～5 ℃；地源熱泵 1 號機組不運行，地源熱泵 2號機組全天 24 h運行，連接地源側的機組冷凝器進出水溫度夜間為 40～44 ℃，白天為 39～43 ℃，進出水溫差約為4 K。8 月詳細數據見圖10、圖11、圖12。

圖10 8月典型日冷水機組 1 號冷凝器進/出水溫度

圖11 8月典型日冷水機組 2 號冷凝器進/出水溫度

圖12 8 月典型日地源熱泵 2 號冷凝器進/出水溫度

由圖2～圖12 的數據可知：① 在制熱季時，12 月開啟一臺地源熱泵機組，地源側進出水溫差約為 3.5 K；1 月開啟一臺地源熱泵機組，地源側進出水溫差約為 5 K；2 月開啟一臺地源熱泵機組，熱負荷降低，地源側進出水溫差降為 3.5 K。② 在制冷季時，6 月冷水機組和地源熱泵機組各開一臺，冷水機組冷凝側進出水溫差為 6 K，地源機組地源側進出水溫差最大為 5 K；7 月冷負荷逐步進入高峰期，白天需兩臺冷水機組全開，機組冷凝側進出水溫差約 5 K，夜間開啟一臺地源熱泵機組，機組冷凝側進出水溫差為 5 K，但出水溫度高達 42 ℃； 8 月冷負荷仍舊處于高峰期，白天兩臺冷水機組全開，冷凝側進出水溫差為 4～5 K，夜間開啟一臺地源熱泵機組，機組冷凝側進出水溫差為 4 K，出水溫度最高達到 44 ℃。

結合以上實際運行數據和現場調研得知，由于上海地區濕度大，且有黃梅天氣，為防止展品發霉，夏季較長時間均需要 24 h 開啟空調制冷。由于夜間負荷相對較低，因此夜間以地源熱泵系統為主。白天根據負荷情況，以冷水機組為主，或冷水機組和地源熱泵機組搭配運行。

由于本項目場館大部分位于地下(地上面積 1.2 萬 m2，地下面積 3.3 萬 m2)，且內區很大，因此冬季圍護結構熱負荷較小。再加上人員、燈光等的散熱，通常只需要開啟一臺地源熱泵機組即可滿足需求。此外，地源熱泵機只需要在白天場館開放時開啟，休息日和夜間可關閉，開啟時間遠遠短于夏季。

2.2 地埋側取放熱平衡分析

依據整個空調季的運行情況可以發現，場館的熱需求遠遠小于冷需求。盡管在設計中已經考慮了復合系統設計，即用冷水機組+冷卻塔系統來調整峰值負荷，但由于運行時間相差懸殊(夏季部分時間 24 h，冬季 8～9 h)，很可能導致向地下的取放熱不平衡。

從 2015～2016 年地埋管取放熱熱量表監測數據可看出，地埋管夏天的排熱量約為冬天取熱量的 4 倍。另外，供回水溫度的年變化趨勢也可以說明此點。從 2015 年 3月～2017年 4 月地埋側各年出水溫度和回水溫度中選取12∶00 這一時刻的數值，可以發現出水溫度和回水溫度都有一個逐年升高的趨勢。冬季，2016 年出水溫度比 2017 年出水溫度低大約 4 K；夏季，2015 年出水溫度比 2016 年出水溫度低 2～5 K 不等。回水溫度也有相似的規律。

2.3 用電量分析

此項目設置了詳細的用電計量系統，圖13、圖14 分別為 2015 年和 2016 年的分項能耗情況。

圖13 2015 年逐月用電量

圖14 2016 年逐月用電量

從圖13、圖14 可以看出，夏季 8 月份空調能耗最高；冬季 1 月能耗最高，但冬季最高空調能耗僅為夏季最高空調能耗的 1/3 左右。

3 運行策略調整

以上分析結果證明了地源熱泵機組在冬季的節能優勢。但同時，由于大型博物館建筑展品的特殊需求，夏季空調需24 h 開啟，這是設計階段未預料到的，因此實際運行過程中冬、夏季累計負荷相差懸殊，也給地源熱泵系統的熱平衡和系統長期穩定運行帶來了巨大的挑戰。這說明地源熱泵系統的運行策略需根據監測數據及時調整，而非按照一個原則常年不變。

項目在后續夏季運行期已改變運行策略，以保證熱平衡為首要原則，減少地源熱泵系統夏季的運行時間。必要時啟動備用冷卻塔，逐步調整地埋側的取放熱，并密切關注地埋側供回水溫等監測數據，使得土壤取放熱逐漸趨于平衡，以保證系統運行的高效性和長期有效性。

參考文獻：

[1]郝赫,張素芳,李妍,等.負荷平衡度對地源熱泵系統的影響[J].暖通空調, 2014,44(2)：51-54.

[2]陸游,王恩宇,楊久順,等.地源熱泵系統土壤溫度變化的影響因素分析[J].河北工業大學學報, 2015,44(1)：66-72.