袁萌萌 楚廣明 于濤 孫燕 曲曉寧

山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院

地源熱泵技術(shù)是一種高效、節(jié)能、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的空調(diào)技術(shù)，近年在公共建筑中的應(yīng)用越來越廣泛。為了了解地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行與能耗情況，需要對地源熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行測試。到目前為止，部分國內(nèi)學(xué)者對地源熱泵系統(tǒng)在建筑中的運(yùn)行情況作了相關(guān)調(diào)研和分析[1～2]，也有學(xué)者采用數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方法對地源熱泵長期運(yùn)行性能進(jìn)行了研究[3]。本文對某五星級酒店地埋管地源熱泵系統(tǒng)夏季運(yùn)行工況進(jìn)行了測試，并分析了系統(tǒng)性能系數(shù)、土壤溫度變化和節(jié)能效果。

1 工程概況

該酒店位于泰安市，是集餐飲、住宿、會議等為一體的綜合性商務(wù)旅游酒店，占地面積12000m2，地上主體建筑二十層，地下一層，總建筑面積近30000m2。酒店共設(shè)有豪華套房、商務(wù)套房、標(biāo)準(zhǔn)間、單人間等六種不同類型的客房176間；擁有豪華宴會包房13間，可容納600多人同時(shí)就餐，另外，酒店還設(shè)有大、中、小型會議室，可滿足10～300人的會議需求，2008年投入使用。系統(tǒng)采用三臺地源熱泵機(jī)組，四臺地源側(cè)循環(huán)泵，三用一備，四臺負(fù)荷側(cè)循環(huán)泵，三用一備。機(jī)房主要設(shè)備及參數(shù)如表1。

表1機(jī)房主要設(shè)備及參數(shù)

2 地源熱泵機(jī)組的測試與數(shù)據(jù)處理方法

2.1 熱泵機(jī)組測試儀器

1）采用FLUKE 54II型熱電偶溫度計(jì)測量地源側(cè)和負(fù)荷側(cè)水的進(jìn)出口溫度，誤差±0.2℃；

2）采用MICRONICSPH300plus型超聲波流量計(jì)分別測量地源側(cè)和負(fù)荷側(cè)的流量，誤差±5%；

3）采用PROVA 6830型功率諧波分析儀分別測量機(jī)組、地源側(cè)循環(huán)泵和負(fù)荷側(cè)循環(huán)泵的功率，誤差±5%。

2.2 測試注意事項(xiàng)

1）測試時(shí)間四天，截取運(yùn)行穩(wěn)定數(shù)據(jù)。

2）室內(nèi)平均溫度、濕度進(jìn)行連續(xù)檢測，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔不超過30min。

3）檢測工況下，測量水流量、水溫、機(jī)組功耗和水泵功耗，記錄時(shí)間間隔不超過10min。

測試原理如圖1。

圖1 測試原理圖

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

1）夏季地下埋管換熱器換熱量

式中：Qd為地下埋管換熱器換熱量，kW；Vd為地源側(cè)流量，m3/h；Cp為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；tin，tout為地源側(cè)進(jìn)、出水溫度，℃。

2）夏季負(fù)荷側(cè)換熱量

式中：Qf為夏季負(fù)荷側(cè)換熱量，kW；Vf為負(fù)荷側(cè)水流量，kg/s；t′in，t′out為負(fù)荷側(cè)進(jìn)、出水溫度，℃。

3）夏季空調(diào)機(jī)組的性能系數(shù)

式中：COP為夏季空調(diào)機(jī)組的性能系數(shù)；N1為空調(diào)機(jī)組輸入功率，kW。

4）夏季地源熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)

式中：COP′為夏季地源熱泵系統(tǒng)能效比；N1為冷水機(jī)組平均輸入功率；N2為冷凍水泵平均輸入功率；N3為冷卻水泵平均輸入功率。

3 地源熱泵性能分析

3.1 夏季制冷性能測試結(jié)果及分析

2012年8月21日對空調(diào)機(jī)組的各項(xiàng)指標(biāo)及整個(gè)機(jī)房的設(shè)備運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行了測試。由于開機(jī)后水溫有一段時(shí)間不穩(wěn)定，等到穩(wěn)定運(yùn)行后開始記錄數(shù)據(jù)。截取一段穩(wěn)定狀態(tài)的性能參數(shù)，取平均值。見表2。

表2某穩(wěn)定時(shí)段的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

表2的數(shù)據(jù)是在夏季接近設(shè)計(jì)工況的情況下取得的，三臺機(jī)組同時(shí)開啟，負(fù)荷側(cè)、地源側(cè)水泵分別開啟三臺。由表2可知，制冷量為額定工況的87.6%，機(jī)組的COP值比較高，達(dá)到了4.91?？梢钥闯鰴C(jī)組在較高負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，COP處于理想值，這與以往的經(jīng)驗(yàn)相一致。所以，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，選擇機(jī)組時(shí)要充分考慮機(jī)組大部分時(shí)間的運(yùn)行工況，盡可能地使機(jī)組處于高效的運(yùn)行狀態(tài)。

經(jīng)調(diào)查，泰安地區(qū)地下60m左右的土壤溫度為15℃~16℃，在整個(gè)測試期間地下土壤溫度比較穩(wěn)定，最高值和最低值分別為21.1℃、22.3℃，均處在機(jī)組正常運(yùn)行的合理范圍內(nèi)。

用溫頻法和度日法分別計(jì)算該建筑物的累積冷熱負(fù)荷分別為 3.23×106kW·h、5.39×106kW·h，考慮到機(jī)組自身夏、冬季分別產(chǎn)生大約為1.28×106kW·h、1.06×106kW·h的熱量，因此，夏季實(shí)際排入地下的熱量為4.51×106kW·h，冬季實(shí)際從地下吸取的熱量為4.33×106kW·h，冬夏季地源側(cè)吸放熱基本相等。

從上述分析和計(jì)算得出，該系統(tǒng)自2008年運(yùn)行四年以來，并未出現(xiàn)土壤溫度異常變化，主要原因是目前的排熱量和取熱量基本處于平衡狀態(tài)，沒有超出土壤自身調(diào)節(jié)的能力范圍，但若干年后，土壤溫度是否依然在合理的范圍之內(nèi)，有待進(jìn)一步檢測后驗(yàn)證。

3.2 機(jī)組進(jìn)出口水溫測試結(jié)果及分析

地源熱泵是以地下淺層土壤為冷熱源，夏季土壤溫度遠(yuǎn)低于大氣溫度，冬季土壤溫度遠(yuǎn)高于大氣溫度，所以不管是制冷還是制熱，其性能系數(shù)均高于空氣源熱泵，這是地埋管地源熱泵節(jié)能的機(jī)理[4]。盡管地下?lián)Q熱器與巖土之間是非穩(wěn)態(tài)、無限大區(qū)域內(nèi)的傳熱，但受諸多非線性因素的影響，在不同地區(qū)會產(chǎn)生不同的埋管傳熱效果，而這一傳熱過程的強(qiáng)弱必然影響到埋管換熱器的進(jìn)出口水的溫度。為了得到機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性情況，連續(xù)測試了2012年8月20日至8月23日的地源側(cè)和負(fù)荷側(cè)的進(jìn)、出口溫度（圖2）。

圖2 溫度及溫差隨時(shí)間的變化

由圖2可知，整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，地源側(cè)和負(fù)荷側(cè)的進(jìn)水溫度、出水溫度均未出現(xiàn)異常波動，地源側(cè)出水溫度在21.5℃左右，進(jìn)水溫度在26.3℃左右，整個(gè)機(jī)組的性能處于較高水平。負(fù)荷側(cè)供水溫度基本保持在6.3℃左右，能夠滿足空調(diào)末端的要求；地源側(cè)和空調(diào)側(cè)的進(jìn)、出口溫差在4.7～5.3℃之間，地埋管換熱器的換熱效果比較理想。

另外，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，8月23日較8月20日的地源側(cè)出水溫度上升了0.4℃，由此可見，制冷季地下溫度會隨時(shí)間逐漸升高，這必將影響到機(jī)組的制冷性能。對于累積排熱量大于吸熱量的地源熱泵系統(tǒng)，在必要時(shí)可以增加一些輔助散熱裝置（如冷卻塔），與地源熱泵組成復(fù)合系統(tǒng)，這樣有利于保證地下溫度場的平衡，系統(tǒng)常年運(yùn)行工況穩(wěn)定。

4 地源熱泵與空氣源熱泵供冷比較

由于地源熱泵是通過地?zé)釗Q熱器與土壤進(jìn)行換熱，且土壤溫度穩(wěn)定，范圍適宜，所以室外環(huán)境對其運(yùn)行工況影響極小，而空氣源熱泵由于受室外環(huán)境影響大，所需制冷量最大的時(shí)候正是它效率最低的時(shí)候。但是，空氣源熱泵相比地源熱泵節(jié)省了冷卻水泵的功耗，所以要更直觀地評價(jià)地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效果就需要將系統(tǒng)的能耗轉(zhuǎn)化為一個(gè)制冷季的耗電量。根據(jù)國標(biāo)[5～6]規(guī)定，地源熱泵機(jī)組制冷性能系數(shù)COP為l4.45，螺桿式空氣源熱泵機(jī)組制冷性能系數(shù)COPl為2.64。假設(shè)分別采用這兩種空調(diào)方式對該酒店進(jìn)行供冷，平均負(fù)荷按最大負(fù)荷的60%考慮，冷凍水泵和冷卻水泵各開啟兩臺，能耗結(jié)果見表3。

表3兩種空調(diào)方式的能耗比較

由表3可以看出，單從機(jī)組制冷性能系數(shù)上看，地源熱泵是空氣源熱泵的近兩倍，而從整個(gè)系統(tǒng)來看，地源熱泵要比空氣源熱泵輸入功率低17.53%，耗電量低17.51%，節(jié)能效果顯著。

5 結(jié)語

整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，地源側(cè)和負(fù)荷側(cè)的進(jìn)水溫度、出水溫度均未出現(xiàn)異常波動，地源側(cè)出水溫度在21.5℃左右，進(jìn)水溫度在26.3℃左右，整個(gè)機(jī)組的性能處于較高水平。負(fù)荷側(cè)供水溫度基本保持在6.3℃左右，能夠滿足空調(diào)末端的要求；地源側(cè)和空調(diào)側(cè)的進(jìn)、出口溫差在4.7～5.3℃之間，地埋管換熱器的換熱效果比較理想。

1）在測試期間，整個(gè)系統(tǒng)的地埋管側(cè)出水溫度在21.5℃左右，進(jìn)水溫度在26.3℃左右，溫差在4.8℃左右，空調(diào)供水溫度基本保持在6.3℃左右，回水溫度在11.2℃左右，溫差在4.9℃左右，地源熱泵機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，地埋管換熱器的換熱效果較好。

2）機(jī)組COP達(dá)到4.91，系統(tǒng)COP為3.18，盡管機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性很好，但隨著機(jī)組的運(yùn)行，地下溫度略有上升，這必然影響到機(jī)組的制冷性能。有必要的情況下，應(yīng)對土壤的傳熱特性進(jìn)行理論分析，建立相應(yīng)的預(yù)測模型，采取相應(yīng)措施，以保證系統(tǒng)常年運(yùn)行性能穩(wěn)定。

3）從整個(gè)系統(tǒng)來看，地源熱泵要比空氣源熱泵輸入功率低17.53%，耗電量低17.51%，節(jié)能效果顯著。

[1] 張信樹,劉澤華,陳北領(lǐng),等.某寫字樓地源熱泵冬季供暖性能測試及節(jié)能分析[J].制冷空調(diào)與電力機(jī)械,2007,28(3):30-33

[2] 胡平放,於仲義,孫啟,等.地埋管地源熱泵系統(tǒng)冬季運(yùn)行試驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械,2009,37(1):59-63

[3] 王華軍,趙軍,沈亮.地源熱泵系統(tǒng)長期運(yùn)行特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2007,34(2):52-54

[4] 孫恒虎,崔建強(qiáng),毛信理.地源熱泵的節(jié)能機(jī)理[J].太陽能學(xué)報(bào),2001,25(1):24-27

[5] 水源熱泵機(jī)組(GBT19409-2003)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003

[6] 蒸氣壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機(jī)組工商業(yè)用和類似用途的冷水(熱泵)機(jī)組(GBT18430.1-2001)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001