某地下水源熱泵系統運行策略優化研究

(1 華中科技大學能源與動力工程學院 武漢 430074； 2 北京華譽能源技術股份有限公司 北京 100083)

地下水源熱泵系統是一種充分利用淺層低品位地能的地源熱泵形式，近年來已逐漸成為建筑供冷、供暖的主要應用形式之一。

國內外許多學者都對地下水源熱泵系統進行了研究，S. L. Russo等[1]研究了蓄冷與地下水源熱泵結合的系統，結果表明增加蓄冷裝置后，降低了系統對環境的影響且減少了系統能耗；K. Woods等[2]對均勻間隔水井的熱響應性進行了綜合分析，建立了相應的數值模型，并進行實驗驗證；Y. Nam等[3]研究了三維地下抽灌井過程的數值計算方法，并進行實驗驗證，利用計算可以很好地預測地下水源熱泵系統的COP和其它性能；O. Güven等[4]利用解析模型方法對理想含水層儲能系統的熱量損失進行了評價分析；S. Chevalier等[5]應用隨機游離法對多孔介質含水層儲能進行了模擬研究；Y. Fujimitsu等[6]監測了地下水源熱泵所在地的地下水位和溫度，并由此模擬了地下水源熱泵對地表下熱環境變化的影響。

Zhou Zhihua等[7]對地下水源熱泵在國內不同地區應用的可行性進行了分析，結果表明在嚴寒B區和寒冷地區熱泵的經濟性較好，而在嚴寒A區、夏熱冬冷地區及夏熱冬暖地區經濟性較差。潘俊等[8]利用FEFLOW軟件對沈陽地區某地下水源熱泵項目進行了地下溫度場的模擬，預測了傳熱溫差不同時，地下水溫度的變化趨勢。傅允準等[9]通過實驗方法，得出了地下水溫度的變化對熱泵機組性能的影響。張淑秘[10]對不同地區的地下水源熱泵空調系統進行模擬分析，得出在冷熱均衡的地區地下水源熱泵具有較好的運行優勢。武佳琛等[11]對某復合式地源熱泵系統進行多年的運行模擬，得出夜間間歇的地源熱泵機組優先制冷的運行方式是較優的運行策略。

目前，國內外關于地下水源熱泵的研究主要集中在地下水源熱泵的適用性、經濟性評價，數值分析和技術改進[12]，對實際系統運行的管理策略方面研究較少，而地源熱泵系統運行節能與否，除了與系統設計和施工質量等因素有關外，還與系統的運行控制策略息息相關[13]。本文對某地下水源熱泵系統進行實驗分析并提出優化的節能運行策略。

1 系統簡介

1.1 地下水源熱泵系統

研究對象為河南省一棟辦公大樓，分為東樓、西樓、南樓和北樓，其中北樓地下1層、地上9層，南樓、東樓、西樓各5層。建筑總面積約25 000 m2，建筑高度42.9 m。空調末端設計冷負荷為2 438 kW，熱負荷為1 696 kW。空調冷熱源為2臺型號為HE1200B的渦旋機組，夏季制冷高峰期時2臺機組全開，冬季采暖時開啟1臺，系統運行2臺循環水泵，均為變頻控制，熱源井設計10眼井，2口抽水井，7口回水井，1口抽水井備用，潛水泵共4臺，用2備2。冬夏季工況由管路中閥門切換控制，夏季冷水供回水溫度設計為7 ℃/12 ℃，冬季熱水供回水溫度為45 ℃/40 ℃，末端設備均采用風機盤管。

機組的啟停及壓縮機的頻率均由運行人員控制，一般運行時間為周一至周五08∶00—17∶30。

1.2 數據監測采集系統

系統采集的數據主要有分水器壓力、分集水器壓差、冷凍水供回水溫度、壓縮機運行數量、累計流量、系統功率、循環水泵頻率、壓縮機功率。其中每項數據采集頻率均為10 min。監測時間覆蓋整個夏季工況和冬季工況。系統原理如圖1所示。

圖1 系統原理Fig.1 Principle of the system

2 系統運行節能實驗研究

2.1 系統運行現狀

原有運行策略是根據運行人員經驗來設定冷凍水供水溫度，即人為預測開機時的供水溫度范圍，并保持不變，其熱負荷與供水溫度變化如圖2所示。由圖2可知，原有運行策略為室內熱負荷越高時，設定的供水溫度越低，且供水溫度的波動范圍約為3 ℃。

圖2 熱負荷與供水溫度變化Fig.2 Variation of heat load and water supply temperature

理論上供水溫度越低，室內溫度降到適宜區域所需時間越少[14]，故原有運行策略的優勢在于開機后可迅速使室內溫度達到適宜區域。但室內溫度滿足熱舒適性條件后，還保持設定的初始供水溫度不變會造成大量的冷量浪費，如實際中有很多末端用戶選擇開窗來調節室內溫度。

從現場運行中觀察可知，當2臺機組運行時，2臺備用機組的旁通閥處于開啟狀態，此時機組冷凍水出水溫度和冷凍水主供水溫度之間的溫差為2～3 ℃，且循環水泵工頻運行時，冷凍水流量約為180～190 m3/h；而關閉2臺備用機組的旁通閥后，機組冷凍水出水溫度與冷凍水主供水溫度基本一致，但循環水泵工頻運行下的冷凍水流量僅為130～140 m3/h。在同等能耗條件下，開啟旁通閥，系統流量增大，但只有一部分冷凍水的回水經過機組制冷，另一部分回水與機組冷凍水出水匯合，進入冷凍水主供水管道；關閉旁通閥，系統流量減小，所有冷凍水回水均經過機組制冷處理。

2.2 系統節能優化策略及實驗

根據現場運行現狀分析，系統還存在較大的節能潛力，基于初始供水溫度的設定進行節能運行策略優化：機組開啟時設定較低的供水溫度，根據室內初始溫度設定機組運行時間，待室內溫度達到可接受溫度上限時，再提高供水溫度，使室內溫度穩定在可接受溫度上限以下。該策略既滿足了熱舒適性需求，又避免了冷量的浪費。

優化的節能運行策略關鍵在于確定機組在初始供水溫度運行的時間及供水溫度變化對節能效果的影響[15]。因此本文分析了室內溫度的變化規律并設計了冷凍水供水溫度調節實驗，且對上述旁通閥開閉狀態對系統能耗的影響進行了實驗分析。

1)冷凍水供水溫度調節實驗：現場操作中，機組供水溫度調節由設定溫度區間來控制，將設定供水溫度以上2 ℃、以下1 ℃作為控制區間，當供水溫度超出區間上下限時，機組才會啟停壓縮機。在氣象數據相近的條件下，保證室內的熱舒適性，對比不同設定供水溫度下系統運行電量。

2)旁通閥關閉實驗：旁通閥關閉對機組的制冷量沒有影響，只會導致主冷凍水供水溫度下降，但當機組冷凍水主供水溫度達到控制區間下限時，機組會自動關閉壓縮機，減少制冷量供應。在氣象數據相近的條件下，保證室內的熱舒適性，對比旁通閥開啟與關閉時系統或循環水泵運行的電量。

3 實驗及數據分析

3.1 室內溫度與運行時間

工作日內室內溫度隨時間變化的規律可以反映機組運行的效果，圖3為某一周工作日室內溫度逐時變化，可以發現室內初始溫度越高，降到某一溫度時所需時間越長。

圖3 工作日室內溫度逐時變化Fig.3 Indoor temperature variation of workday

根據GB/T 50785—2012 民用建筑室內熱濕環境評價標準[16]及文獻[17]中對室內熱舒適性溫度的研究，設定本文建筑室內可接受溫度上限為27.5 ℃。利用MATLAB線性擬合初始室內溫度與室內溫度達到27.5 ℃所需時間，若不同日期的初始室內溫度相同，則取降溫耗時長的日期作為樣本點，結果如圖4所示。直線擬合的方程為：y=77.84x-2 124，其中y為室內溫度達到27.5 ℃所需時間，min;x為初始室內溫度,℃。

圖4 初始溫度與降溫時間關系Fig.4 The initial temperature varies with the cooling time

運行策略中機組在初始供水溫度下運行的時間可由室內初始溫度決定，輸入室內初始溫度后，由上述擬合方程得到機組運行時間。在此策略下運行，室內溫度不會一直呈下降趨勢，而是達到可接受溫度上限后，維持在溫度上限以下波動，避免了冷量的浪費，降低了系統能耗。

3.2 實驗結果

兩組實驗的前提條件是氣象數據近似，根據新鄉當地氣象數據記錄情況，篩選了6月15日和6月16日兩天工況作為實驗對象，分別稱為典型日一和典型日二，兩天的工作時間氣溫變化如圖5所示。

圖5 氣溫變化趨勢Fig.5 Variation trends of temperature

對比供水溫度高低對系統能耗的影響需要相近的天氣情況，選取典型日一與典型日二7∶50—9∶50時段進行能耗對比，由圖5可知，此時段內的天氣參數與變化趨勢保持一致，典型日一、二設定的供水溫度分別為12 ℃和11 ℃，系統2 h累計耗電量對比如圖6所示。

圖6 典型日一、二累計耗電量Fig.6 Cumulative power consumption of typical day one and typical day two

由圖6可知，供水溫度由11 ℃升至12 ℃時，系統2 h累計節省耗電量37.8 kW5h。因此提高供水設定溫度對優化系統的節能運行效果明顯，由此可證明優化的節能運行策略在能耗上比原有運行策略更具有優勢。

由3.1節可知，旁通閥開啟或關閉的情況下，循環水泵工頻運行時的流量不同，引入流量頻率比，即循環水流量與循環水泵頻率之比，以分辨旁通閥的開閉狀態。

數據分析可知，若旁通閥的開閉狀態不變，則流量與頻率之比會穩定在某一數值附近，僅發生小幅波動；而旁通閥狀態變化后，兩者間的流量頻率比則會相差很遠。上述特性可作為數據分析時，判斷是否開關旁通閥的主要判據。

圖7所示為典型日一流量頻率比變化特性曲線。旁通閥全天保持開啟狀態，流量頻率比與上述分析保持一致，保持在3.9左右波動。圖8所示為典型日二的流量頻率比變化特性曲線。開旁通閥后，流量頻率比在3.7左右波動，而關閉旁通閥時在2.5～2.8之間。這是由于機組閥門關閉時，系統循環水流量減少，因此出現小流量頻率比的情況。

圖7 典型日一流量頻率比變化特性曲線Fig.7 Variation of flow frequency ratio in typical day one

圖8 典型日二流量頻率比變化特性曲線Fig.8 Variation of flow frequency ratio in typical day two

圖9 開關旁通閥循環水泵累計耗電量對比Fig.9 Comparison of cumulative power of circulating water pump between bypass valve opening and closing

由圖5可知，兩典型日內前期天氣變化較為一致，但從中午開始典型日二外界負荷高于典型日一，故無法直接從系統耗電量中觀察到開關旁通閥對能耗的影響。而水泵功率不受室外溫度影響，對比同頻率(35 Hz)下，開關旁通閥后循環水泵的累計耗電量，時間為14∶25—17∶25，如圖9所示。

由圖9可知，在同頻率下關旁通閥循環水泵運行3 h比開旁通閥累計節省約7 kW·h。從理論上分析，開關旁通閥主要影響水泵工作點，旁通閥關閉時，回路的流量減少，阻力增加，此時水泵的功率會有所下降；而對于整個機組的制冷量，無論旁通閥開啟與否，機組提供的制冷量不變，影響的只是冷凍水進出口的溫度。

4 結論

本文對地下水源熱泵系統進行了實驗研究，調節了供水溫度及旁通閥的啟閉，得出如下結論：

1)優化的系統運行策略改變了原有供水溫度設定模式，避免供水溫度設定值維持過低水平，比原有運行策略更為節能。

2)在外界氣溫及變化趨勢相近的條件下，將冷凍水供水溫度由11 ℃提高至12 ℃，系統2 h累計耗電量減少了37.8 kW·h。

3)機組旁通閥的啟閉對循環水泵的功耗有影響，循環水泵維持在35 Hz頻率下運行3 h，旁通閥處于關閉狀態比旁通閥處于開啟狀態累計耗電量減少7 kW·h。

4)地下水源熱泵運行可根據室內溫度變化進行供水溫度調節，既可以保證室內熱舒適性，又避免了冷量浪費。