綠色公共建筑地源熱泵系統(tǒng)運行效果分析

陳晨 李曉萍

中國建筑科學(xué)研究院天津分院

0 引言

近年來我國綠色建筑正在蓬勃發(fā)展，綠色建筑的實際運行效果與設(shè)計預(yù)期之間往往存在較大差異的問題也越來越受到人們重視。建筑節(jié)能是綠色建筑的重要目標(biāo)之一，其設(shè)備、系統(tǒng)運行穩(wěn)定，性能發(fā)揮良好，將切實降低資源能源消耗[1-2]。地源熱泵作為一種清潔、可再生的新能源技術(shù)，具有良好的經(jīng)濟與環(huán)境效益，在能源的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中起著重要作用。對地源熱泵系統(tǒng)進行監(jiān)測是了解地源熱泵系統(tǒng)能耗狀況的重要手段[3]。通過對地源熱泵系統(tǒng)進行情況進行監(jiān)測與分析，可對地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的運行情況進行診斷評估，進而對系統(tǒng)進行優(yōu)化，真正實現(xiàn)系統(tǒng)運營階段舒適、節(jié)能、環(huán)保[4]。

本文以4 個綠色建筑中地源熱泵系統(tǒng)的全年運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于有關(guān)設(shè)計資料和項目的實際運行數(shù)據(jù)，深入分析系統(tǒng)的運行情況和運行效果，主要包括地源熱泵系統(tǒng)地源側(cè)、用戶側(cè)出入口水溫，負(fù)荷率、機組 COP 等參數(shù)，研究綠色建筑中地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法和運行策略，并對綠色建筑中地源熱泵系統(tǒng)運行性能提升建議。

1 工程項目介紹

選取4 個綠色建筑（辦公建筑）的地源熱泵系統(tǒng)作為案例，通過長期的數(shù)據(jù)監(jiān)測，分別對熱泵系統(tǒng)的數(shù)據(jù) 進行節(jié)能性計算，分析綠色建筑地源熱泵系統(tǒng)的運行效果，項目基本情況如表1 所示。

表1 項目概況

2 案例項目地源熱泵系統(tǒng)運行分析

對 4 個綠色建筑地源熱泵的項目至少監(jiān)測一個供暖季和一個供冷季。其中項目一、案例三、項目四監(jiān)測數(shù)據(jù)夏季供冷為6 月～9 月，冬季供暖季為 11 月～ 次年 3 月。

2.1 系統(tǒng)供回水溫度分析

通過分析項目夏季工況和冬季工況運行情況下的用戶側(cè)/地源側(cè)供回水溫差分析項目地源熱泵運行狀況和末端運行情況，如圖1 所示，項目1 夏季和冬季熱泵系統(tǒng)均為24 h 全天運行，夏季工況下用戶側(cè)負(fù)荷小，用戶側(cè)供回水溫差主要集中在0～1 ℃區(qū)間內(nèi)，遠(yuǎn)低于設(shè)計5 ℃溫差值，長期處于“小溫差大流量”運行條件下，同樣夏季、冬季地源側(cè)供回水溫差主要集中在 0～1 ℃區(qū)間內(nèi)，使得系統(tǒng)水泵能耗占比偏大。項目2 采用夏季夜間蓄冷、冬季夜間蓄熱運行模式降低系統(tǒng)運行費用，每天運行時間約7 個小時，用戶側(cè)供回水溫差基本符合設(shè)計溫差要求，系統(tǒng)運行狀況較好。項目 3 夏季和冬季熱泵系統(tǒng)均為24 h 全天運行，用戶側(cè)供回水溫也是小溫差運行，循環(huán)水泵都是在額定工況下運行。項目 4 運行方式采用“工作日時長”運行模式，系統(tǒng)運行較好，用戶側(cè)供回水溫差基本符合設(shè)計要求。

圖1 項目用戶側(cè)/地源側(cè)供回水溫差分布

2.2 系統(tǒng)運行能效分析

電驅(qū)動熱泵機組制冷/ 制熱工況下的性能系數(shù) COP 和熱泵系統(tǒng)制冷/ 制熱性能系數(shù) EERsys 是評價地源熱泵系統(tǒng)的重要指標(biāo)。

電驅(qū)動熱泵機組的實際性能系數(shù) COP、系統(tǒng)能效系數(shù)EERsys 見式（1）～（3）：

式中：COP 為熱泵機組的實際性能系數(shù)；N為熱泵機組平均輸入功率，kW；Q0為熱泵機組的供冷（熱）量，kW；V為用戶側(cè)平均流量，m3/h；Δt為用戶側(cè)進、出口平均溫差，℃；ρ為冷（熱）介質(zhì)平均密度，kg/m3；c為冷（熱）介質(zhì)平均定壓比熱，kJ/(kg·℃)；EERsys為熱泵系統(tǒng)能效系數(shù)；ΣNi為測試期間熱泵系統(tǒng)中熱泵機組與系 統(tǒng)中水泵的總功率，kW。

通過分析項目熱泵機組和熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)，進而對進而對地源熱泵系統(tǒng)的性能進行評價。如圖 2 所示，分別為4 個案例熱泵機組COP 與系統(tǒng)EERsys的分布情況，在夏季制冷工況下 4 個案例 COP 范圍在 1.84～7.07 之間，系統(tǒng) EERsys的范圍在 0.94～5.52 之間。在冬季制熱工況下4 個案例 COP 范圍在3.84～5.51 之間，系統(tǒng)EERsys的范圍在 1.82～4.57 之間。其中項目1 的COP 與EERsys明顯低于系統(tǒng)的額定值，系統(tǒng)運行能效偏低。項目 4 制冷工況機組COP 高于項目2 的機組 COP，但其制冷系統(tǒng) EERsys高于項目2，說明項目 4 的水泵能耗占系統(tǒng)能耗的比重較低。

圖2 項目機組COP 與系統(tǒng)EERsys 比較

2.3 系統(tǒng)運行負(fù)荷率PLR

負(fù)荷率 PLR 為某一時刻供給用戶的供能量和一個指定最大值之比（此處是按機組總額定制冷、熱量）。系統(tǒng)運行負(fù)荷率PLR 主要受室外氣象變化、建筑使用功能、正常工作時間等諸多因素影響，是反應(yīng)系統(tǒng)實際運行情況與系統(tǒng)設(shè)計匹配度的重要指標(biāo)。

式中：Q0為熱泵機組的實際供冷（熱）量，kW；Qed為熱泵機組的總額定供冷（熱）量，kW。

如圖 3 所示，項目 1 和項目 3 的夏季工況和冬季工況，地源熱泵系統(tǒng)的負(fù)荷率都在比較低的狀態(tài)下運行，在制冷/供暖季大部分時間，建筑物的實際冷/ 熱負(fù)荷小于設(shè)計工況，熱泵系統(tǒng)多數(shù)時間是在較低的負(fù)荷率下運行，進而造成系統(tǒng)能效偏低。其中項目1 低負(fù)荷率運行現(xiàn)象更加明顯，夏季工況下大部分時間內(nèi)負(fù)荷率低于 10%，冬季負(fù)荷率低于 30%，系統(tǒng)實際運行情況與設(shè)計偏離度較大。項目 2 和項目4 的夏季工況和冬季工況地源熱泵系統(tǒng)的負(fù)荷率都比較穩(wěn)定，且都在較高率和率下運行，系統(tǒng)的能效也較高，與機組性能系數(shù)COP 值分布一致。

圖3 項目夏季/冬季系統(tǒng)運行負(fù)荷率

2.4 地源測冷熱平衡分析

地源熱泵系統(tǒng)在夏季向地下土壤排熱，冬季從地下土壤取熱，地下土壤作為熱量的儲存體，由于建筑的冷熱負(fù)荷不同造成的對其取排熱不均，將導(dǎo)致地下土壤儲存體的溫度升高或降低，形成土壤熱量堆積會冷量堆積，進而影響地源熱泵的運行效果，通過運行數(shù)據(jù)分析項目熱泵系統(tǒng)的熱不平衡率。

地源側(cè)換熱量計算見式（5）

式中：Gg,k為地源側(cè)總水流量，m3/h；Δtg,k為地源側(cè)進出口水溫差，℃；c為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；ρ為水密度，kg/m3。

則供暖季從土壤的取熱量Eextract為：

排供冷季向土壤的排熱量為Einject為：

不平衡率UBRate 為：

若UBRate＜0，取熱多，若UBRate＞0，排熱多。

如表 2 所示，為4 個案例地源側(cè)夏季排熱與冬季取熱值。冬季取熱量為負(fù)數(shù)。項目1 與項目3 不平衡率在5%之內(nèi)，雖然取熱量稍微大于排熱量，可以視為平衡，項目 2 不平衡率為 13.75%，由于土壤本身具有一定的熱擴散能力和蓄熱能力，熱量不平衡對熱泵的運行影響不大，不需要采取措施。項目 4 不平衡率為 34.91%，夏季排熱量大于冬季取熱量，該項目為夏熱多冷地區(qū)，因此在夏季運行時應(yīng)考慮冷卻塔輔助排熱，避免土壤熱量堆積，影響地源熱泵長期使用效果。

表2 不平衡率統(tǒng)計表

3 綠色建筑地源熱泵系統(tǒng)運行優(yōu)化分析

對 4 個綠色建筑項目的地源熱泵系統(tǒng)運行現(xiàn)狀進行分析，總結(jié)分析出不同項目中地源熱泵運行存在的普遍問題，并有針對的提出改善和提高實際項目的運行效果方案，并進一步指導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。

3.1 運行問題分析

1）地源熱泵系統(tǒng)存在“大流量小溫差”的運行模式。在設(shè)計初期可能存在對負(fù)荷計算不準(zhǔn)確或者特殊氣候等原因，導(dǎo)致系統(tǒng)水泵與機組選型不匹配。水泵選型偏大，以至于實際運行中系統(tǒng)用戶側(cè)與地源側(cè)流量均偏大，在獲得相同熱量的同時水泵輸入能耗加大，造成系統(tǒng)能效偏低。

2）機組選型與建筑冷熱負(fù)荷設(shè)計不匹配，機組選型過大，系統(tǒng)長時間處于低負(fù)荷運行，機組 COP 和系統(tǒng)EERsys偏低。

3）地源熱泵系統(tǒng)的運行控制策略不合理，整套系統(tǒng)設(shè)計的自動化程度較高，但實際操作過程中無論是開啟機組還是開啟水泵均為人工開啟，項目 1 和項目 3 現(xiàn)場操作人員不能根據(jù)項目實際使用時間來啟停機組，而是機組 24 h 持續(xù)運行，且現(xiàn)場并未能根據(jù)室外氣溫條件進行相應(yīng)的節(jié)能操作。

4）地源側(cè)全年冷熱不平衡。熱泵系統(tǒng)的冷熱負(fù)荷不平衡率較大，會使得土壤溫度不平衡，常年積累則導(dǎo)致土壤溫度逐年下降，降低系統(tǒng)運行效率。

5）地源側(cè)冬、夏季運行策略選擇不合理。埋管冬、夏季運行策略不得當(dāng)，系統(tǒng)運行過程中系統(tǒng)機組和地源側(cè)水泵未達到聯(lián)動效果，即機組停止運行，地源側(cè)水泵仍然運行，造成系統(tǒng)EERsys偏低。

3.2 地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化建議

地源熱泵系統(tǒng)按設(shè)計工況下運行為節(jié)能系統(tǒng)，但地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果與項目所在地的氣候條件、建筑物負(fù)荷特征、運行管理措施等因素有關(guān)。通過實際項目熱泵系統(tǒng)運行分析可知，若能合理解決目前存在問題、優(yōu)化運行管理，地源熱泵系統(tǒng)依然具有較好的節(jié)能潛力。

1）通過增加輔助系統(tǒng)解決系統(tǒng)目前存在的取放熱不平衡問題。在供暖初期和供暖末期采用其它供熱形式，地源熱泵輔助供熱的方式進行供暖，減少地源熱泵從地下抽取的熱量。同時在過度季向地下回灌熱量，以此來保證系統(tǒng)長時間安全穩(wěn)定的運行。

2）對水泵設(shè)備進行改造，論證更換小型水泵還是加變頻裝置更為經(jīng)濟。用戶側(cè)可以根據(jù)末端負(fù)荷進行流量調(diào)節(jié)，減小水泵輸入的能耗。地源側(cè)可設(shè)置供熱和供冷兩個運行頻率。

3）對現(xiàn)場系統(tǒng)運行進行規(guī)范化管理。在運行時，避免不了出現(xiàn)不專業(yè)、耗能的管理模式，所以需對地源熱泵系統(tǒng)使用人員進行相應(yīng)培訓(xùn)。制定科學(xué)合理的運行方式，冬季不設(shè)置過高的供暖溫度，夏季不設(shè)置過低的供冷溫度，在滿足舒適度要求的情況下減小末端負(fù)荷，進而減小整個系統(tǒng)的輸入功率。管理上要求機房操作員工需熟悉設(shè)備的結(jié)構(gòu)及基本的運行原理，以及注意事項，且應(yīng)該嚴(yán)格按照系統(tǒng)設(shè)備的自身特性進行運行和保養(yǎng)。需要管理人員加強空調(diào)制冷理論和實際操作的相關(guān)知識，要善于總結(jié)經(jīng)驗，提高操作技能，確保系統(tǒng)及其附屬設(shè)備正常工作并實現(xiàn)節(jié)能的目的。

4 結(jié)語

通過對3 個天津寒冷地區(qū)和1 個江蘇夏熱冬冷地區(qū)綠色建筑地源熱泵系統(tǒng)，經(jīng)過前期系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的調(diào)研，了解系統(tǒng)目前運行狀況，對系統(tǒng)實際運行的流量、溫度、功率等數(shù)據(jù)進行整理和分析，同時評價綠色建筑地源熱泵系統(tǒng)的運行效果。

1）地源熱泵系統(tǒng)“大流量小溫差”運行模式，系統(tǒng)水泵能耗占熱泵系統(tǒng)能耗比重很大，選擇變頻水泵、降低水泵耗電比，可以有效減少系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng) EERsys，進而提高綠色建筑的能源利用效率。

2）熱泵機組在低負(fù)荷下運行，機組啟停頻繁，機組啟停能耗較高，因此選用機組功率可隨熱負(fù)荷變化的變頻熱泵機組可有效地提高機組 COP，降低機組的能耗。

3）熱泵系統(tǒng)的運行策略和運行時長對系統(tǒng)能耗影響很大，在保證室內(nèi)溫度的前提下，可在停止使用前的某一段時間停機，縮短機組的運行時間，降低能量消耗，可以獲得更高運行效率和較好的節(jié)能效果。

4）地源熱泵系統(tǒng)的地下取放熱量不平衡問題，無論是循環(huán)水泵改造、埋管分區(qū)運行還是增加復(fù)合系統(tǒng)最終都是為了解決系統(tǒng)冷、熱負(fù)荷不平衡的問題，所以在設(shè)計初期應(yīng)進行充分的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)研，包括空調(diào)系統(tǒng)的使用規(guī)律、系統(tǒng)所在地區(qū)的地下熱物性情況等，對系統(tǒng)進行足夠的可行性研究后方可進行設(shè)計和施工。