基于監測數據的地源熱泵系統運行性能分析

李曉萍 陳晨 徐迎春

中國建筑科學研究院天津分院

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，綠色建筑近年來在建筑行業中也受到大力推廣，對促進節能減排，緩解我國的能源壓力有積極的促進作用。地源熱泵作為一種高效、可靠的可再生能源利用技術，具有良好的經濟與環境效益，因此，被廣泛應用于綠色建筑中，作為能源系統為建筑供冷、供熱、生活熱水[1]。地源熱泵系統的實際運行效果與設計預期之間往往存在較大差異的問題也越來越受到人們重視，其系統運行穩定，性能發揮良好，對綠色建筑的能耗水平和室內舒適度影響顯著。通過對綠色建筑運營階段地源熱泵系統實時監測與數據采集，利用信息化、智能化技術進行能耗監測與控制，深入分析能源利用率和節能潛力，及時發現問題并優化控制，從而達到節能降耗的目的[2-3]。通過長期實時監測地源熱泵系統關鍵指標參數，可掌握地源熱泵系統建筑應用項目的實際運行效果，是了解地源熱泵系統能耗狀況的重要手段[4]。

本文以天津某綠色三星級辦公建筑地源熱泵系統地源熱泵系統6 月17 日至9 月18 日夏季運行、11月15 日至次年3 月15 日冬季運行真實數據為基礎，主要包括地源熱泵系統地源側、室內側出入口水溫，機組COP 等，并在此基礎上，對該綠色建筑地源熱泵系統運行情況和運行效果進行了詳細分析，為地源熱泵空調系統的優化設計和節能運行提供數據支持和實踐經驗。

1 項目介紹

該綠色三星級辦公建筑位于中新天津生態城內，該項目是集展示、銷售、辦公和檔案儲存等功能于一體的綜合性辦公樓。該項目為地上2 層，建筑面積為3467 m2，地上2 層為3013 m2，地下1 層為454 m2，該項目采用各被動節能技術、可再生能源系統以降低建筑的能量需求，其中空調冷熱源采用地源熱泵系統，設置1 臺雙機頭高溫冷水地源熱泵機組，名義制冷量/制熱量為350 kW/33 kW，名義制冷COP/制熱COP為5.93/4.48，夏季為建筑提供16/21 ℃的冷水作為建筑冷源，冬季為建筑提供42/37 ℃的熱水作為建筑熱源。

地源熱泵系統承擔建筑冷負荷為175 kW（單位冷指標為55 W/m2），熱負荷168 kW（單位冷指標為49.6 W/m2），該項目室內側大廳采用單區變風量全空氣空調系統，末端為毛細管網輻射系統，在吊頂內敷設毛細管，通過飾面板向下散熱和吸熱。小開敞房間采用干式風機盤管加新風系統，風機盤管為直流無刷型，暗裝于吊頂內。地源側水系統為閉式系統，介質為清水，采用雙U 型垂直式換熱系統，室外場地共鉆孔44 口、鉆孔直徑Ф200 mm、單孔深120 m，成矩形布置、兩孔間距5 m，室外換熱系統水平集管采用單管區域集中＋檢查井式系統。

2 地源熱泵系統運行分析

本項目地源熱泵系統在夏季制冷、冬季供熱運行中每天24 h 連續運行，除節假日外，熱泵系統周六、日正常運行，通過分析地源側、用戶側運行參數及系統運行能效分析，評價熱泵系統的運行效果。

2.1 地源側分析

根據中新生態城的工程地質和水文地質條件特點，生態城淺層地熱資源開發比較適合利用地埋管地源熱泵系統，該地區可循環利用的淺層地熱能可達1.69×105kW[5]。根據區域地質檢測報告，項目土壤換熱器夏季平均放熱能力為68 W/m，冬季平均取熱能力為37 W/m。

圖1 為地源熱泵系統2016 年6 月17 日至9 月18日夏季工況、2016 年11 月15 日至2017 年3 月15日冬季運行工況下，地埋管總管地源水出入口水溫、溫差情況。如圖2 所示，夏季工況系統運行期間，地源出口溫度介于15～20 ℃之間，水入口溫度在16～22 ℃之間波動，出入口平均溫度約為18 ℃，出入口溫差主要集中在1 ℃左右。從6 月中旬開始至8 月中旬，由于系統連續運行，地源水溫呈現上升趨勢，溫度上升了4 ℃左右，進入8 月下旬，地源水出入口溫度隨著制冷負荷下降而逐漸降低，相比8 月下降約2 ℃左右。冬季工況地源測出入口溫度隨著系統運行的持續逐漸降低，供暖初期地源側出入口溫度分別為14/13 ℃，供暖末期為11/10 ℃，下降約3 ℃，地源側出入口溫差約為1 ℃。因此，針對以上情況，合理控制控制地源側水泵頻率，降低水泵能耗。

圖1 地源側出入水溫度分布

2.2 熱泵系統運行分析

通過分析該項目夏季制冷工況、冬季制熱工況運行情況下的用戶側供回水溫差、系統能耗分析項目地源熱泵運行狀況和末端運行情況，如圖2 所示，夏季運行工況下地源熱泵機組供水溫度約為11～14 ℃左右，回水溫度約為12～15 ℃，夏季工況下用戶側負荷小，用戶側供回水溫差主要集中在0～1 ℃區間內，遠低于設計5 ℃溫差值；冬季制熱運行工況下，室內側供水溫度主要介于40～45 ℃之間，回水溫度主要介于38～43 ℃之間，供回水溫差約為2 ℃，同樣也低于設計5 ℃溫差值，熱泵系統長期處于“小溫差大流量”運行條件下，使得系統水泵能耗占比偏大，如圖3 所示，在夏季制冷工況下，水泵能耗占系統能耗的49%，造成系統總體能效偏低，冬季制熱工況下，水泵能耗占系統能耗的39%，系統整體運行效果優于夏季工況。

圖2 用戶側供回水溫度分布

圖3 熱泵機組水泵能耗比

圖4 為地源熱泵系統夏季制冷工況和冬季制熱工況運行期間機組COP 和系統EERsys。從圖4 可以看到，夏季制冷工況下地源熱泵系統運行期間機組COP值為1.5～5.5，機組COP 值主要分布在2.5 左右，平均COP 約為2.2，系統EERsys 值為1.0～3.5，系統EERsys 值主要分布在1.5 左右，平均EERsys 約為1.1；冬季制熱工況，地源熱泵系統運行期間機組COP值為2.5～4.8，平均COP 約為3.1，系統EERsys 值為1.5～3.6，系統EERsys 平均值約為1.9，從計算結果來看，COP 與EERsys 明顯低于系統的額定值，系統運行能效偏低，冬季制熱工況運行效果要優于制冷工況。

圖4 機組COP 與系統EERsys 比較

圖5 為項目夏季制冷工況和冬季制熱工況下，熱泵機組逐時制冷（熱）量及制冷（熱）負載率分布情況，如圖5 所示項目，地源熱泵系統全年運行中的負荷率都在比較低的狀態下運行，在大部分時間內，建筑的實際冷（熱）負荷小于設計工況，多數時間是在較低的負載率下運行，進而造成系統能效偏低。夏季工況下大部分時間內機組負載率低于10%，冬季工況下大部分時間內機組負載率低于30%，熱泵系統實際運行情況與設計偏離度較大。

圖5 機組制冷（熱）量及負載率

3 項目地源熱泵系統運行優化分析

通過對該綠色公共建筑地源熱泵系統運行效果分析，能夠總結該系統設計、運行管理等方面存在的問題，并進一步提出改善和提高實際項目的運行效果方案，提高該項目熱泵系統運行效果。

1）系統存在“小溫差，大流量”現象，導致機組能耗較高，能效偏低，因此，可通過增大供回水溫差減小流量的方法降低機組的能耗，同時可考慮對水泵設備進行改造，加裝加變頻裝置，降低水泵能耗。

2）機組選型與建筑冷熱負荷設計匹配度不高，系統長時間處于低負荷運行，機組COP 和系統EERsys偏低。合理設定供回水溫度，避免機組頻繁啟停，降低系統開機能耗。同時通過機組的變頻控制，設置機組和地源側水泵聯動運行，即機組停止運行，系統水泵能夠低頻運行，提高系統運行能效。

3）地源熱泵系統的運行控制策略不合理，該項目機組24h 持續運行，且現場并未能根據室外氣溫條件進行相應的節能操作。應對現場系統運行進行規范化管理，制定科學合理的運行方式，如為保障室內滿足舒適度要求，設置合理設置機組開機、關機時間，可在早上辦公時間前1 h 左右啟動熱泵系統，在下午辦公時間結束前1 h 關閉熱泵系統，通過減少機組運行時間，來降低空調系統能耗。

4 結語

本文基于某綠色示范建筑地源熱泵系統實際運行數據，分析了該地源熱泵系統在2016 年6 月17 日至9 月18 日和2016 年11 月15 日至2017 年3 月15日之間該系統整體運行狀況。

通過地源熱泵系統運行數據分析發現地源熱泵系統全年運行中的負荷率都在比較低的狀態下運行，在大部分時間內，建筑的實際冷（熱）負荷小于設計工況，進而造成系統能效偏低。夏季工況地源側出入口溫差約為1 ℃，且地源水溫隨著系統連續運行呈上升趨勢，溫度上升了4 ℃左右，到8 月中旬為最高值，之后地源水出入口溫度逐漸降低。用戶側供回水溫差主要集中在0～1 ℃區間內，低于設計5 ℃溫差值。機組平均COP 值約為2.2，機組存在“小溫差，大流量”現象，造成水泵能耗偏低，水泵能耗占系統總能耗的49%，使得系統能耗偏低，系統的平均EERsys 約為1.1。

冬季工況地源測出入口溫度隨著系統運行的持續逐漸降低，相比供暖初期地源側出口下降約3 ℃，地源側出入口溫差約為1 ℃，用戶側供回水溫差約為2 ℃，同樣也低于設計5 ℃溫差值。地源熱泵系統運行期間機組COP 平均值為3.1，水泵能耗占系統能耗的39%，系統整體運行效果優于夏季工況，系統EERsys平均值約為1.9。

因此，基于對該地源熱泵系統持續監測分析，總結項目中存在的問題，提出的運行管理方案，通過優化系統運行方式，改善該綠色建筑地源熱泵系統的運行效果。