劉 雨 謝艷萍 余曉平 郭金成

（1.重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院 重慶 401331；2.重慶海潤(rùn)節(jié)能技術(shù)股份有限公司 重慶 401147）

0 引言

地源熱泵系統(tǒng)作為一種清潔可再生的新能源技術(shù)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，在能源的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中起著重要的作用[1]。在政策引導(dǎo)與需求推動(dòng)之下，地源熱泵系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用于各類建筑中，并取得了良好的節(jié)能效果。地源熱泵系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果不僅與設(shè)計(jì)有關(guān)，也與運(yùn)行管理有關(guān)。對(duì)地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是了解地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行效果的重要手段[2]，對(duì)監(jiān)測(cè)所得系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可全面了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，找出影響其使用效果和節(jié)能效果的根源所在，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化，使系統(tǒng)充分發(fā)揮出舒適、節(jié)能、環(huán)保的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[3]。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行分析集中在數(shù)值模擬分析和典型工況實(shí)測(cè)兩個(gè)方面，缺乏針對(duì)長(zhǎng)周期的連續(xù)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析[4-9]。本文收集整理了貴陽某綜合醫(yī)院地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)2015-2019年連續(xù)監(jiān)測(cè)為期4年的數(shù)據(jù)，包括主機(jī)用戶側(cè)和地源側(cè)進(jìn)出水流量、溫度、壓力和壓縮機(jī)電流電壓，其中溫度、壓力及電流電壓數(shù)據(jù)由主機(jī)自帶對(duì)應(yīng)傳感器測(cè)量經(jīng)主機(jī)控制面板導(dǎo)出，流量數(shù)據(jù)則由安裝在主管上的超聲波流量計(jì)測(cè)得。通過連續(xù)四年全年運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能進(jìn)行診斷，可為項(xiàng)目持續(xù)調(diào)適提供參考。

1 項(xiàng)目介紹

該工程為貴陽某綜合醫(yī)院，是集門診和住院為一體的綜合大樓，總建筑面積27243m2，總樓層為18 層，總高度為61.6m，屬于一類高層建筑。冷熱源采用兩臺(tái)地源熱泵主機(jī)，提供風(fēng)機(jī)盤管和大樓新風(fēng)系統(tǒng)的冷熱量，主機(jī)參數(shù)如表1 所示，夏季供回水溫度為7℃/12℃，冬季供回水溫度為40℃/45℃；夏季地埋側(cè)設(shè)計(jì)供回水溫度為25℃/30℃，冬季地埋側(cè)設(shè)計(jì)供回水溫度為5℃/10℃。項(xiàng)目采用樁基三螺旋埋管形式。

表1 系統(tǒng)主機(jī)參數(shù)Table 1 Technical date of the ground source heat pump unit

2 地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行分析

2.1 系統(tǒng)供回水溫度

系統(tǒng)的供回水溫度反映了系統(tǒng)夏季工況和冬季工況運(yùn)行時(shí)地源側(cè)和用戶側(cè)的運(yùn)行狀況。自2015年下半年制熱季開始起至2019年制冷季結(jié)束為止，分別統(tǒng)計(jì)1#和2#主機(jī)用戶側(cè)和地源側(cè)供回水溫差，計(jì)算溫差分布，四年的供回水溫度變化和溫差分布計(jì)算結(jié)果如圖1-圖6 所示。該結(jié)果能反映出地源熱泵系統(tǒng)主機(jī)在用戶側(cè)和地源側(cè)的運(yùn)行狀況，同時(shí)反映出實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與設(shè)計(jì)預(yù)期的偏離程度。

圖1 1#主機(jī)兩側(cè)供回水溫度變化Fig.1 Temperature variations of supply and return water on both sides of the No.1 heat pump unit

圖2 1#主機(jī)用戶側(cè)供回水溫差分布Fig.2 Distribution of temperature difference between supply and return water at user side of No.1 heat pump unit

圖3 1#主機(jī)地源側(cè)供回水溫差分布Fig.3 Distribution of temperature difference between supply and return water at ground side of No.1 heat pump unit

圖4 2#主機(jī)兩側(cè)供回水溫度變化Fig.4 Temperature variations of supply and return water on both sides of the No.2 heat pump unit

圖5 2#主機(jī)用戶側(cè)供回水溫差分布Fig.5 Distribution of temperature difference between supply and return water at user side of No.2 heat pump unit

圖6 2#主機(jī)地源側(cè)供回水溫差分布Fig.6 Distribution of temperature difference between supply and return water at ground side of No.2 heat pump unit

該項(xiàng)目地源熱泵系統(tǒng)主機(jī)在制熱季和制冷季內(nèi)均連續(xù)運(yùn)行。由機(jī)組兩側(cè)供回水溫度變化可以看出，隨著機(jī)組的持續(xù)運(yùn)行，制熱季地源側(cè)回水溫度逐漸降低，制冷季地源側(cè)回水溫度逐漸上升。由溫差分布圖可以看出：用戶側(cè)，兩臺(tái)主機(jī)制熱季和制冷季供回水溫差主要處于2～3℃范圍內(nèi)，平均占比67%和47%。地源側(cè)，兩臺(tái)主機(jī)的制熱季供回水溫差主要處于2℃以下，平均時(shí)長(zhǎng)占比50%，供回水溫差有逐年下降趨勢(shì)。制冷季供回水溫差主要分布在4～5℃范圍內(nèi)，平均時(shí)長(zhǎng)占比41%。這表明，系統(tǒng)在制冷季時(shí)的運(yùn)行表現(xiàn)要優(yōu)于制熱季，制熱季兩臺(tái)機(jī)組地源側(cè)供回水溫差大部分時(shí)間沒有達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，且偏離較大。

2.2 系統(tǒng)的運(yùn)行能效

系統(tǒng)機(jī)組的制熱性能系數(shù)COP 和制冷能效比EER 是反映熱泵機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和性能的重要指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：

式中，Q為機(jī)組用戶側(cè)瞬時(shí)制熱量/制冷量，kW；Qy為用戶側(cè)累計(jì)負(fù)荷，GJ；N為機(jī)組制熱/制冷工況下瞬時(shí)輸入功率，kW；m1為機(jī)組用戶側(cè)水泵流量，m3/h；C為冷/熱水比熱容，kJ/(kg·℃)；ρ為冷/熱水的密度，kg/m3；Δti為第i次記錄的機(jī)組用戶側(cè)供回水溫差，℃；T為記錄間隔，h。計(jì)算用戶側(cè)累計(jì)負(fù)荷及機(jī)組的制冷能效比EER、制熱性能系數(shù)COP，結(jié)果如圖7、圖8 所示。

圖7 1#主機(jī)COP/EER 及累計(jì)負(fù)荷變化Fig.7 COP/EER and the accumulative load change of No.1 heat pump unit

圖8 2#主機(jī)COP/EER 及累計(jì)負(fù)荷變化Fig.8 COP/EER and The accumulative load change of No.2 heat pump unit

按《可再生能源建筑應(yīng)用工程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50801-2013）[10]所提供的性能級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)兩臺(tái)主機(jī)的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)如表2 所示。

表2 機(jī)組性能評(píng)價(jià)結(jié)果Table 2 The performance evaluation results of the ground source heat pump unit

按時(shí)間順序可以看出，機(jī)組的COP 和EER 水平在4年監(jiān)測(cè)期內(nèi)是逐年下降的，其中，制熱季平均年下降率為11%，制冷季平均年下降率為13%。結(jié)合第一節(jié)中地源側(cè)供回水低溫差占比變化來看，可以推斷出該項(xiàng)目地源熱泵系統(tǒng)累年運(yùn)行下，地源側(cè)地下?lián)Q熱環(huán)境變差。

2.3 機(jī)組部分負(fù)荷率

機(jī)組的部分負(fù)荷率是指機(jī)組某一時(shí)刻所提供的冷量/熱量與其最大制冷量/制熱量的比值，是反映機(jī)組選配與建筑負(fù)荷匹配程度重要指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：

式中，Q為機(jī)組瞬時(shí)制冷量/制熱量，kW；Qr為該熱泵機(jī)組的額定制熱量/制冷量，將為期四年的所有監(jiān)測(cè)時(shí)刻點(diǎn)數(shù)據(jù)逐一計(jì)算該時(shí)刻PLR，并求平均值，結(jié)果如圖9、圖10 所示。

圖9 1#主機(jī)平均PLRFig.9 Average PLR of No.1 heat pump unit

圖10 2#主機(jī)平均PLRFig.10 Average PLR of No.2 heat pump unit

如圖9、10 所示，無論制冷季還是制熱季，兩臺(tái)主機(jī)的部分負(fù)荷率都處于較低的水平，在所有統(tǒng)計(jì)季節(jié)中，1#主機(jī)有6 個(gè)工況季平均部分負(fù)荷率低于40%，2#主機(jī)有6 個(gè)季節(jié)平均部分負(fù)荷率低于35%，熱泵主機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)造成系統(tǒng)的能效偏低。

2.4 地源側(cè)全年冷熱平衡

地源熱泵系統(tǒng)以地下巖石、土壤和水體為熱量存儲(chǔ)載體，在制冷工況向地下排熱，在制熱工況從地下取熱，我國(guó)幅員遼闊，各氣候區(qū)氣候差異明顯，氣候差異和工作原理造成了地源熱泵技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生換熱不平衡的情況：在熱負(fù)荷主導(dǎo)區(qū)域，冬季向地下取熱量大于夏季向地下的排熱量；在冷負(fù)荷主導(dǎo)區(qū)域，夏季向地下排熱量大于冬季向地下取熱量，即造成冬夏季取排熱不平衡，地源熱泵主機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在取排熱不平衡狀態(tài)下運(yùn)行，將會(huì)導(dǎo)致地下儲(chǔ)熱體溫度的升高或降低，形成冷熱堆積，影響其運(yùn)行效果。冷熱平衡計(jì)算公式如下：

式中，R為不平衡率，其值為正，說明排熱大于取熱，反之，排熱小于取熱；Qd和Qd*分別為地源側(cè)夏季排熱總量和冬季取熱總量，GJ；m2為制冷季/制熱季機(jī)組地源側(cè)水泵流量，m3/h；C為冷/熱水比熱容，kJ/(kg·℃)；ρ為冷/熱水的密度，kg/m3；Δti為第i次記錄的機(jī)組地源側(cè)供回水溫差，℃；T為記錄間隔，h。計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

表3 地源側(cè)全年換熱不平衡率Table 3 Unbalanced rate of annual heat exchange at ground side

結(jié)合機(jī)組工作時(shí)間和用戶側(cè)累計(jì)負(fù)荷進(jìn)行分析，2016年兩臺(tái)機(jī)組制冷總計(jì)運(yùn)行143 天，制熱運(yùn)行84 天，造成夏季向地下排熱量大于冬季的取熱量，不平衡率為正；2017年制熱總計(jì)運(yùn)行118天，制冷運(yùn)行52 天，取熱量遠(yuǎn)大于排熱量；2018年制熱累計(jì)運(yùn)行125 天，制冷83 天，取排熱總量接近；2019年制熱總計(jì)運(yùn)行137 天，制冷78 天，取熱量遠(yuǎn)大于排熱量，不平衡率較高。總體來講，該項(xiàng)目為熱負(fù)荷主導(dǎo)即冬季取熱大于夏季排熱，全年換熱是不平衡的，部分年度不平衡率遠(yuǎn)高于20%的限值[11]，易影響熱泵主機(jī)的運(yùn)行效果。

3 討論

（1）該系統(tǒng)運(yùn)行存在“大流量小溫差”的現(xiàn)象。設(shè)計(jì)水流量與主機(jī)匹配，按最大負(fù)荷設(shè)計(jì)，以保證最不利情況用戶需要。在實(shí)際運(yùn)行過程中，建筑負(fù)荷變化很大，高峰負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)間很短，當(dāng)負(fù)荷變小而流量不變，就造成了“大流量小溫差”問題。

（2）地源熱泵主機(jī)選型配置不合理，導(dǎo)致主機(jī)部分負(fù)荷率低，能效低。具體來說，主機(jī)容量過大，長(zhǎng)期處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致機(jī)組的COP/EER 偏低，與機(jī)組名義COP/EER 相比，COP平均低31.4%，EER 平均低40%；此外，兩臺(tái)主機(jī)的部分負(fù)荷率長(zhǎng)時(shí)間都低于35%，也表明機(jī)組的容量選配與建筑的負(fù)荷不匹配。

（3）經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該項(xiàng)目地源熱泵主機(jī)一年內(nèi)制熱季平均運(yùn)行120 天，制冷季平均運(yùn)行68 天，表明該地區(qū)建筑冬季供熱需求遠(yuǎn)高于夏季供冷需求。若冷熱源配置不考慮這樣的負(fù)荷特點(diǎn)，僅設(shè)置地源熱泵系統(tǒng)以滿足建筑冷熱需求，則容易造成地源側(cè)冬夏季換熱不平衡。

4 改進(jìn)建議

（1）地源熱泵系統(tǒng)按設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)能夠發(fā)揮其節(jié)能綠色的優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員需充分了解項(xiàng)目所在地的氣候條件和建筑物的負(fù)荷特征，因?yàn)檫@會(huì)造成到地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況的偏離，影響其節(jié)能效果。

（2）通過增加輔助制熱系統(tǒng)解決該項(xiàng)目目前存在的取排熱不平衡問題，在制熱季部分極端天氣或者分時(shí)段采用其他制熱形式，一方面減少該系統(tǒng)冬季取熱量，另一方面為地下?lián)Q熱環(huán)境提供恢復(fù)時(shí)間；或者使輔助系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合制熱，減少地源熱泵系統(tǒng)的地源側(cè)取熱量；合理利用過渡季節(jié)對(duì)地下儲(chǔ)熱體做一定的熱量補(bǔ)充。

（3）若醫(yī)院內(nèi)有新建或改擴(kuò)建建筑有冷負(fù)荷需求，則可利用該項(xiàng)目現(xiàn)有地源熱泵系統(tǒng)為其提供冷量，最大程度發(fā)揮該系統(tǒng)在本項(xiàng)目實(shí)際情況下的夏季制冷潛力，同時(shí)對(duì)地下儲(chǔ)熱體補(bǔ)充部分熱量。

（4）改定頻水泵為變頻水泵，避免出現(xiàn)“小溫差大流量”的低效耗能運(yùn)行模式。

（5）規(guī)范地源熱泵主機(jī)使用管理。對(duì)于該項(xiàng)目實(shí)際情況而言，在滿足熱舒適需求的情況下，冬季不必追求過高的供暖溫度，以減少末端耗能。運(yùn)行維護(hù)人員應(yīng)提升對(duì)本項(xiàng)目地源熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況及現(xiàn)存運(yùn)行問題的掌握水平，便于靈活控制機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能的目的。