夏熱冬冷地區(qū)水（地）源熱泵系統(tǒng)測試及問題分析

許 楊 黃小君

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夏熱冬冷地區(qū)水（地）源熱泵系統(tǒng)測試及問題分析

許 楊 黃小君

（中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司 成都 610041）

對夏熱冬冷地區(qū)2個水（地）源熱泵系統(tǒng)進行的夏季工況測試數(shù)據(jù)分析，獲得了水（地）地源熱泵系統(tǒng)的夏季工況部分負荷下機組和系統(tǒng)的制冷系數(shù)及水泵輸送能效比，并得出在部分負荷情況下系統(tǒng)的節(jié)能率較難達到30%。對系統(tǒng)實際運行情況下節(jié)能效果不顯著的原因進行了分析，如主機、水泵低效運行、換熱誤差、冷熱堆積、實際運行費用高于預(yù)計等問題，并提出相應(yīng)建議。

水（地）源熱泵；測試；能效；效益；建議

0 引言

隨著生態(tài)環(huán)境保護的深入人心和節(jié)能意識的加強，越來越多的人開始認識和利用地?zé)崮芎偷叵滤Y源的供熱制冷熱泵系統(tǒng)。國家和各個地區(qū)政府也提供了很多補助和優(yōu)惠政策來推廣這項節(jié)能技術(shù)，使得近年來地源熱泵行業(yè)的發(fā)展勢頭十分良 好[1,9]。

雖然水（地）源熱泵系統(tǒng)的運用越來越廣泛，但實際運行效果往往達不到設(shè)計效果，其實際運行效果與節(jié)能環(huán)保潛力等與系統(tǒng)設(shè)計及運行狀況有很大的關(guān)系[8]。國內(nèi)由于發(fā)展較晚，水（地）源熱泵技術(shù)在工程應(yīng)用上還有很多亟待解決的問題，王陳棟、吳曉寒[2]提出了地下水熱泵系統(tǒng)缺乏必要的地區(qū)適應(yīng)性分析，地下水回灌井堵塞和溢出以及地源熱泵對地下水生物環(huán)境的影響問題。劉學(xué)來、李永安、張耀鵬[3]提出了土壤熱物性取值不當(dāng)引起地埋管換熱器和熱泵機組運行效率、埋管深度、地埋管防漏、回填材料和系統(tǒng)調(diào)試等問題。王雷崗、鄭中援、馬健、石海軍[4]提出在設(shè)計階段土壤熱響應(yīng)測試方法和冷熱平衡等問題。而上述對水（地）源熱泵系統(tǒng)在實際使用過程中存在的問題研究較少，本文選取夏熱冬冷地區(qū)兩個分別使用水源熱泵系統(tǒng)和地源熱泵系統(tǒng)的建筑，分析兩種熱泵系統(tǒng)實際運行能效并分析其中出現(xiàn)的問題，如主機、水泵低效運行，換熱誤差導(dǎo)致的冷熱失衡，及實際運行費用高于預(yù)計等，并提出相應(yīng)的建議。

1 熱泵系統(tǒng)概況及測試內(nèi)容

1.1 項目概況

項目1為土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，該項目建筑由住宅建筑A及公共建筑B組成，總建筑面積2.48萬m2。該項目A樓高層住宅采用豎直埋管地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)，共有2臺型號為LSBLGR-550MD地源熱泵螺桿機組，設(shè)備標稱制冷量為424.2kW，制熱量為343.3kW，額定輸入功率制冷工況為76.1kW，制熱工況為89.5kW。A樓地下?lián)Q熱器共計216口井，每口井深為85米。B樓公共建筑采用集中水平埋管分散式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，共有1臺型號為AWSHO352DM2的地源熱泵機組，設(shè)備標稱制冷量為357.8kW，制熱量為394kW，額定輸入功率制冷工況為69.6kW，制熱工況為90.4kW，水平埋管20314米。

項目2為地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，為A座酒店、B座商場提供冬季采暖、夏季制冷，并提供A座酒店夏季生活熱水，總建筑面積9.5萬m2。本項目A座酒店區(qū)域采用2臺型號為GSHP2050H部分熱回收水源熱泵機組，名義制冷量為2050kW、名義制熱量為2235kW，額定制冷輸入功率為372kW，額定制熱輸入功率為498kW，并設(shè)置1臺型號為GSHP1120B全熱回收水源熱泵機組，名義制冷量為1120kW，名義制熱量為1098kW，額定制冷輸入功率為207kW，額定制熱輸入功率為372kW，B座商場區(qū)域采用2臺型號為GSHP2160水源熱泵機組，名義制冷量為2160kW，名義制熱量為2419kW，額定制冷輸入功率為415kW，額定制熱輸入功率為541kW。該系統(tǒng)酒店共打井12口，商場打井7口，兩套系統(tǒng)共計19口，可抽可灌，每口井均安裝水表。

1.2 測試內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理

1.2.1 測試內(nèi)容

測試系統(tǒng)均已穩(wěn)定運行一年以上，測試時系統(tǒng)按實際負荷需求運行空調(diào)系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)停機現(xiàn)象時，等系統(tǒng)重新啟動并處于穩(wěn)定工況后，繼續(xù)進行數(shù)據(jù)采集。測試部分主要包括溫度、流量、功率等參數(shù)。水溫采用溫度記錄儀測量，流量采用超聲波流量計測量，主機功率采用電能質(zhì)量分析儀測量，其他設(shè)備功率采用鉗形功率表計量。測試儀器規(guī)格、測量范圍及測量精度見表1。

表1 測試儀器參數(shù)一覽表

1.2.2 數(shù)據(jù)處理方法

采用間接測量法得到熱泵機組性能系數(shù)、熱泵系統(tǒng)能效系數(shù)。根據(jù)能量守恒定律，機組的制冷量通過測量機組的用戶側(cè)進出水溫和相應(yīng)的流量得到。通過測試數(shù)據(jù)處理可以得到水（地）源熱泵系統(tǒng)的機組制冷能效、系統(tǒng)能效。

（1）機組制冷量

=(t-t) （1）

式中，為機組制冷量，kW；為水的密度，kg/m3；為冷凍水的體積流量，m3/s；為冷凍水的比熱容，J/(kg·℃)；t，t為機組冷凍水進出水溫度，℃。

（2）機組的性能系數(shù)

（2）

式中，1為機組的性能系數(shù)；1為機組的輸入功率，kW。

（3）系統(tǒng)的性能系數(shù)

式中，2為系統(tǒng)的性能系數(shù)；2為冷凍水泵的輸入功率，kW；3為冷卻水泵的輸入功率，kW。

2 測試結(jié)果與效益分析

圖1～9為水（地）源熱泵機組及輸配系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)，能夠直觀的反映出機組的性能系數(shù)。結(jié)合前面所述的水泵和機組的具體數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)運行中存在的問題。

圖1 冷凍水回水溫度

圖2 冷凍水供水溫度

圖3 冷凍水供回水溫差

圖4 冷卻水供水溫度

圖5 冷卻水回水溫度

圖6 冷卻水供回水溫差

圖7 主機制冷效率COP

圖8 系統(tǒng)制冷效率

圖9 水泵輸送能效比

2.1 空調(diào)機組的供回水溫差

空調(diào)機組冷凍水供回水溫差設(shè)計參數(shù)一般為 5℃，項目1平均溫差為4.7℃，基本符合設(shè)計要求；項目2平均溫差為2.3℃，偏低。項目1冷凍水回水溫度在12℃上下波動，供水溫度在7℃上下波動，項目2冷凍水回水溫度為11℃左右，供水溫度為8.5℃左右。由圖6可以看出，項目1的冷卻水供回水溫差明顯高于項目2，項目1平均溫差為6.5℃，項目2為3.2℃，項目1與項目2冷卻水供水溫度相差不大，但項目1的冷卻水回水溫度大于項目2的回水溫度。另外，地下水源熱泵機組溫差的波動性小于地埋管熱泵系統(tǒng)，雖然同時受實際負荷的影響，但從工程設(shè)計的角度來說可以看出其系統(tǒng)設(shè)計的穩(wěn)定性稍優(yōu)于地埋管熱泵系統(tǒng)。

2.2 機組能效和系統(tǒng)能效

從實測數(shù)據(jù)可以得出，主機的負荷率為58.3%，機組的平均COP為4.6，最高COP為5.2，系統(tǒng)能效平均為2.8，可見項目2雖然機組COP能滿足要求，但是由于水泵流量偏大導(dǎo)致系統(tǒng)能效偏低。經(jīng)計算，項目1的節(jié)能率為34.3%，項目2的節(jié)能率為17.9%，項目2在部分負荷情況下，節(jié)能率偏低，達不到地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能率期望值。

2.3 水泵輸送能效比

根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》規(guī)定：空調(diào)冷水管道水泵輸送能效比不應(yīng)低于0.0241。項目1的水泵輸送平均能效比為0.0245，項目2的水泵輸送平均能效比為0.0558，可見項目2的水泵輸送能效比遠大于規(guī)定值。

3 存在的問題及建議

以上實測結(jié)果和其他資料反映了國內(nèi)水（地）源熱泵技術(shù)工程應(yīng)用的現(xiàn)狀：水（地）源熱泵系統(tǒng)相對于常規(guī)制冷系統(tǒng)來說，雖然是一種更為節(jié)能的方式，但實際上在工程應(yīng)用上并沒有常規(guī)制冷系統(tǒng)的制冷效果可靠性強，其原因主要分為以下幾個方面。

3.1 部分負荷下主機低效運行

項目1測試時一周內(nèi)日平均最高溫度為33℃，日平均最低溫度為24℃，項目2平均最高溫度為30℃，平均最低溫度為22℃，項目1、2所在地為同一城市，空調(diào)室外干球計算溫度為31.8℃。項目1與項目2的建筑功能不同，項目1以住宅為主，項目2以酒店為主，兩種建筑的同時使用系數(shù)不同。可以看出，項目2測試所在日處在部分負荷狀態(tài)，同時由于當(dāng)天酒店入住率不足30%，即使只開啟了一臺機組，進出水溫差仍然達不到設(shè)計要求，處于低效運行狀態(tài)。在常規(guī)中央空調(diào)設(shè)計中，設(shè)計人員一般按照室外設(shè)計計算溫度進行建筑物負荷計算，因此計算負荷一般大于建筑實際負荷，有資料顯示建筑全年累計負荷約為設(shè)計負荷的70%左右。而在進行設(shè)備選型時，為了保證熱舒適度，選型時常留有10%的裕量，使機組選型進一步變大。如此一來，從設(shè)計到選型階段使最終機組的制冷能力大于建筑實際需求。

3.2 水泵低效運行

水泵選型偏大導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)小溫差、大流量的現(xiàn)象，整個系統(tǒng)運行效率降低。

圖10 水泵輸送能效比

如圖10所示，Q是系統(tǒng)設(shè)計流量，在此流量下水泵揚程為H即可，當(dāng)設(shè)計偏保守，選用水泵揚程偏大時，為了保證系統(tǒng)設(shè)計流量不變，則需要改變管路特性從II變?yōu)镮，此時對應(yīng)揚程H，可看出通過管路特性改變導(dǎo)致的揚程增大Δ=H-H是通過閥門進行節(jié)流完成的，這是極不經(jīng)濟的做法。而在實際工程運用中，由于機房管理水平參差不齊，在運行時機械地按說明進行操作，未考慮閥門開度的問題，通常不通過節(jié)流調(diào)節(jié)水泵流量，因此在實際運行中，管路特性并沒用從II變?yōu)镮，而是處于水泵a的C工作點工作，此時揚程為H，流量為Q，導(dǎo)致系統(tǒng)流量過大。項目1水泵能耗占總能耗的26.98%，項目2水泵能耗占總能耗的37.42%。空調(diào)冷水管道水泵輸送能效比不應(yīng)低于0.0241，其中項目1的水泵輸送平均能效比為0.0245，項目2的水泵輸送平均能效比為0.0558，項目2水泵能耗與水泵輸送能效比均偏大，同時主機單臺運行且負荷率在58.3%的情況下，即使采用了變頻水泵，進出水溫差仍然較低，可知項目2水泵處于如圖10狀態(tài)點C所示的情況運行，最終通過調(diào)節(jié)機組冷凍水供回水溫差來實現(xiàn)冷量調(diào)節(jié)，使整個系統(tǒng)運行效率降低。

3.3 地埋管熱泵系統(tǒng)的冷熱堆積

表2 換熱器換熱誤差計算一覽表

夏季工況時：

Q=+1（4）

式中，Q為地埋管的得熱量。

表2為換熱器換熱平衡計算一覽表，指式（4）在測試中實際運行情況下產(chǎn)生的換熱誤差，由表2可知，在實際運行情況下，地埋管換熱器受施工和實際運行情況影響，土壤（地下水）得熱量可能高于或低于制冷量與主機功率之和。在夏熱冬冷地區(qū)，夏季供冷時間長，冬季供暖時間短，使一年內(nèi)地埋側(cè)的放熱大于吸熱，系統(tǒng)長時間運行會造成地埋側(cè)的溫度逐年升高，使空調(diào)系統(tǒng)效率逐年降低，地源熱泵系統(tǒng)具有冷熱堆積的風(fēng)險，而在工程設(shè)計時會進行地源熱泵的冷熱平衡計算，保證地埋管在使用壽命內(nèi)冷熱平衡保持在一定范圍內(nèi)，但實際運行中，地源熱泵受工程設(shè)計、施工、運行方式影響大，地埋管換熱器的得熱量與理論計算存在不可忽略的誤差，項目1在測試期間換熱最高誤差達到26.6%，項目2平均誤差達到6%，該換熱誤差不斷累積也會導(dǎo)致地源熱泵冷熱堆積的問題。由此可知換熱誤差是大多數(shù)地源熱泵系統(tǒng)都會存在的問題，而通過設(shè)計階段冷熱平衡計算并不能規(guī)避換熱誤差對冷熱平衡的影響，因此相比于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，在整個壽命周期內(nèi)的使用效果和系統(tǒng)可靠性上具有更大的風(fēng)險。換熱誤差對冷熱平衡的影響程度還待更加深入的研究。

3.4 實際運行費用高于預(yù)計費用

在工程設(shè)計確定系統(tǒng)方案時，采用水（地）源熱泵系統(tǒng)的一個主要原因是雖然初投資遠高于后者，但其預(yù)計運行費用遠低于傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)，在使用時限內(nèi)預(yù)計動態(tài)費用年值會低于傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)，同時具有良好的環(huán)境效益。但當(dāng)系統(tǒng)建成投入實際運營時，由于設(shè)計出現(xiàn)上述問題以及施工質(zhì)量的問題，往往會出現(xiàn)實際運行費用高于預(yù)計費用，嚴重時可能導(dǎo)致系統(tǒng)未達到使用年限即報廢而需要更換系統(tǒng)的情況。

3.5 建議

（1）進行水（地）源熱泵系統(tǒng)設(shè)計時，采用動態(tài)負荷分析，并結(jié)合建筑實際使用率對負荷進行更高精度的計算，并對當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況進行詳細勘察，合理選擇系統(tǒng)，同時在機組和水泵選型時考慮部分負荷運行的情況，盡量避免出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。

（2）對于酒店類型的建筑物，由于入住率不受季節(jié)、氣候等因素影響，且無法預(yù)測，因此選型時機組選擇兩大一小的方式不適用于這類建筑，在機房條件允許的情況下，可考慮以小機組為主，大機組為輔的方式進行負荷匹配，使系統(tǒng)在低負荷率（入住率低）的情況下盡量提高系統(tǒng)效率。

（3）當(dāng)主機處于部分負荷運行時，可減少主機運行臺數(shù)，當(dāng)夏季室外環(huán)境溫度較低時，可在適當(dāng)時間暫停運行一段時間，整體降低能耗，避免頻繁啟停，提高主機使用壽命。

（4）加強機房運營維護管理的水平，提高運行人員的專業(yè)水平，有利于運行人員根據(jù)實際負荷特性進行合理的調(diào)節(jié)運行，提高系統(tǒng)效率。

（5）對于夏熱冬冷地區(qū)，可考慮設(shè)置輔助冷卻塔系統(tǒng)，夏季多余的熱量由冷卻塔承擔(dān)。或者可考慮以熱負荷計算地源熱泵的埋管量，輔以小型常規(guī)制冷系統(tǒng)，在有效避免冷熱堆積的情況下降低地源熱泵系統(tǒng)的初投資，有資料顯示按冬季制熱工況需求設(shè)計埋管換熱器與按制冷工況設(shè)計比較，可降低投資約36%，投資回收期可大幅度縮短[7]。

4 結(jié)論

通過對上述2個水（地）源熱泵系統(tǒng)的測試和分析發(fā)現(xiàn)，水（地）源熱泵系統(tǒng)盡管是一種節(jié)能的可再生能源技術(shù)，具有較為突出的環(huán)境效益，但同時相比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)來說是一種高投資且多因素耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，對施工和設(shè)計具有更高的要求。在設(shè)計時應(yīng)進行詳細的地質(zhì)考察分析，合理選擇系統(tǒng)，避免設(shè)備選型過大導(dǎo)致系統(tǒng)能效偏低，導(dǎo)致系統(tǒng)節(jié)能率和實際運行費用達不到設(shè)計要求，這對于水（地）源熱泵系統(tǒng)較高的投資來說其實是得不償失的。

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Measurement and Analysis of Two Water orGround Source Heat Pump Systems in Hot Summer and Cold Winter Zone for Issue

Xu Yang Huang Xiaojun

( China Southwest Architecture Design and Research Institute Co., Ltd, Chengdu, 610041 )

By measuring and analyzing two water or ground source heat pump systems in hot summer and cold winter zone, the transportation energy efficiency ratio of water pump and coefficient of performance (COP) for the heat pump units and systems in summer are obtained as well as the energy saving rate is difficult to reach 30%. The paper analyze the reason that the energy saving effect is not significant such as the inefficient operation of air conditioner host and water pump, heat exchange errors, cold and hot accumulation, actual operating cost is higher than expected. At length, put forward suggestions.

water (ground) source heat pump; test; coefficient of performance (COP); benefit; suggestion

1671-6612（2018）01-036-06

TU831.3

A

許 楊（1987-），男，碩士，工程師，E-mail：xud1@xnjz.com

2017-04-14