基于實(shí)測數(shù)據(jù)的地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

汪雨清，張文宇，王慧麗（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司， 上海 201108）

隨著節(jié)能減排工作的有效推進(jìn)，可再生能源建筑一體化應(yīng)用越來越普遍，在國家大力的政策法規(guī)支持和驅(qū)動(dòng)下，作為可再生能源利用的典型代表，地源熱泵技術(shù)在我國實(shí)際工程中得到了廣泛的推廣和應(yīng)用[1]。國家整體的地源熱泵應(yīng)用發(fā)展日益加快。

為有效揭示不同類型建筑應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)后的實(shí)際效果，本文通過對(duì)某公共建筑（商業(yè)建筑）和某居住建筑應(yīng)用土壤源熱泵系統(tǒng)，基于兩類建筑在夏季和冬季兩種工況運(yùn)行下的實(shí)測數(shù)據(jù)，總結(jié)分析了兩類建筑在不同工況下的運(yùn)行性能。希冀可為后續(xù)同類氣候區(qū)的不同類型建筑應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)做參考。

1 應(yīng)用項(xiàng)目概況

1.1 典型公共建筑

某商業(yè)建筑位于上海地區(qū)，商場建筑地上 4 F，地下 1 F，總建筑面積 8.40 萬 m2，項(xiàng)目空調(diào)冷熱源采用 2 臺(tái)離心式地源熱泵機(jī)組（名義制冷量 2 813 kW，名義制熱量 2 817 kW）和 3 臺(tái)離心式冷水機(jī)組（名義制冷量 2 800 kW）相結(jié)合的空調(diào)形式。地源熱泵系統(tǒng)為土壤源熱泵系統(tǒng)，地埋管數(shù)量按冬季熱負(fù)荷確定，夏季冷負(fù)荷多余部分由常規(guī)離心式冷水機(jī)組承擔(dān)，并配備 2 臺(tái)冷卻塔排除夏季多余熱量。項(xiàng)目共有 1 360 口單 U 形井，各井深度 100 m，埋管間距 4 m。整個(gè)冷熱源配套冷卻水泵、地源側(cè)循環(huán)水泵、冷凍水泵、熱水泵各 3 臺(tái)，冬夏季運(yùn)行工況通過閥門進(jìn)行切換。

1.2 典型居住建筑

居住項(xiàng)目由 2 棟 19 F 高層住宅、4 棟 22 層高層住宅及其配套設(shè)施組成，地下室連通，總建筑面積為 6.7 萬 m2。項(xiàng)目空調(diào)冷熱源采用 2 臺(tái)螺桿式地源熱泵機(jī)組（名義制冷量1 549 kW，名義制熱量 1 654 kW）、2 臺(tái)螺桿式冷水機(jī)組（2 603 kW）、2 臺(tái)燃?xì)鉄崴仩t（名義制熱量 2 450 kW）及熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組。地源熱泵系統(tǒng)采用土壤源熱泵系統(tǒng)，地埋管數(shù)量按冬季熱負(fù)荷進(jìn)行確定，夏季冷負(fù)荷多余部分由螺桿式冷水機(jī)組承擔(dān)，同時(shí)輔助設(shè)置 2 臺(tái)冷卻塔排除夏季多余熱量。項(xiàng)目設(shè)置地埋管共 837 支，分 14 片區(qū)，設(shè)14 組供回水管。項(xiàng)目整個(gè)冷熱源配套冷卻水泵、地源側(cè)循環(huán)水泵、地源熱泵負(fù)荷側(cè)循環(huán)水泵、冷凍水泵各 3 臺(tái)，一次熱水循環(huán)泵 5 臺(tái)，空調(diào)熱水循環(huán)泵 2 臺(tái)。項(xiàng)目運(yùn)行冬夏季工況通過閥門進(jìn)行切換。

2 測試及處理概況

2.1 測試設(shè)備

測試參數(shù)包括了地源熱泵機(jī)組蒸發(fā)器和冷凝器進(jìn)出、口水溫，地埋管側(cè)供、回水溫度，地埋管側(cè)水流量，用戶側(cè)水流量，熱泵機(jī)組電功率、循環(huán)水泵電功率，以及室內(nèi)溫濕度。其中：室內(nèi)溫濕度測試采用精密數(shù)字溫濕度計(jì)，精度±0.2 K；水流量測試采用超聲波流量計(jì)，精度±1.0%；水溫度測試采用溫度自記儀，精度 ±0.1 K；電功率測試采用三相四線電力分析儀，精度±1.0%。

2.2 實(shí)測時(shí)段

針對(duì)商業(yè)建筑和居住建筑的實(shí)測日期，如表 1 所示。

表 1 夏季、冬季實(shí)測時(shí)段

2.3 實(shí)測室外氣溫

測試時(shí)的室外氣溫，如表 2 所示。

表 2 夏季、冬季實(shí)測室外參數(shù)

2.4 熱泵實(shí)測運(yùn)行情況

為真實(shí)反映兩類建筑地源熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行性能，依據(jù)建筑物實(shí)測期間實(shí)際所需，按需運(yùn)行地源熱泵機(jī)組。實(shí)際測試期間，公共建筑地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行工況為：開啟 2 臺(tái)地源熱泵機(jī)組（1 號(hào)和 2 號(hào)），2 臺(tái)地源側(cè)循環(huán)水泵，2 臺(tái)用戶側(cè)循環(huán)水泵。居住建筑地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行工況為：開啟 1 臺(tái)地源熱泵機(jī)組，1 臺(tái)地源側(cè)循環(huán)水泵，1 臺(tái)用戶側(cè)循環(huán)水泵。

2.5 數(shù)據(jù)處理計(jì)算方式

為有效分析各類型建筑不同運(yùn)行工況下的實(shí)測數(shù)據(jù)，本次處理數(shù)據(jù)所需指標(biāo)分別如表 3 所示。

表 3 處理計(jì)算指標(biāo)公式及參數(shù)定義

3 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

為真實(shí)反映典型工況下地源熱泵機(jī)組及系統(tǒng)的運(yùn)行性能，計(jì)算分析了地埋管側(cè)和用戶側(cè)換熱量、機(jī)組負(fù)荷率、機(jī)組及系統(tǒng)性能系數(shù)等指標(biāo)。分析中涉及的建筑 A 代表商業(yè)建筑，建筑 B 代表居住建筑。

3.1 基礎(chǔ)實(shí)測數(shù)據(jù)

本次實(shí)測的典型公共建筑和居住建筑地源熱泵系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)如表 4 所示。

3.2 運(yùn)行性能分析

計(jì)算夏季運(yùn)行工況和冬季運(yùn)行工況下兩類建筑地源熱泵系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行性能，分別如圖 1 和圖 2 所示。其中各機(jī)組性能系數(shù)對(duì)應(yīng)的實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷率如表 5 所示。

表 4 地源熱泵實(shí)測基礎(chǔ)參數(shù)表

圖 1 典型不同類型建筑地源熱泵實(shí)測機(jī)組性能系數(shù)

圖 2 典型不同類型建筑地源熱泵實(shí)測系統(tǒng)性能系數(shù)

表 5 地源熱泵機(jī)組實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷率

由圖 1、2 并依據(jù) GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應(yīng)用工程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》可知，案例中的公共建筑和居住建筑的地源熱泵系統(tǒng)實(shí)測性能系數(shù)均高于國標(biāo)規(guī)定地源熱泵“系統(tǒng)制冷能效比 EERsys≥3.0，系統(tǒng)制熱性能系數(shù) COPsys≥2.6”的要求，也高于DG/TJ 08—2162—2015《可再生能源建筑應(yīng)用測試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的地源熱泵“系統(tǒng)制冷能效比 EERsys≥3.2，系統(tǒng)制熱性能系數(shù)COPsys≥2.8”的要求。說明在上海地區(qū)，根據(jù)建筑物實(shí)際所需，合理運(yùn)行地源熱泵系統(tǒng)，可大幅提升系統(tǒng)運(yùn)行能效，降低建筑物整體能耗。此外，由圖 1 可知，機(jī)組在典型夏季和冬季工況下運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷率達(dá)到 70% 以上時(shí)，機(jī)組性能系數(shù)分別保持在 4.4～5.1 和 5.1～5.3 之間，運(yùn)行效果良好。

3.3 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

分別根據(jù)實(shí)測機(jī)組及系統(tǒng)運(yùn)行性能，估算典型公共建筑每年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用 58.99 萬元，典型居住建筑每年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用 43.90 萬元，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 語

通過實(shí)測公共建筑和居住建筑各自應(yīng)用的地源熱泵系統(tǒng)，分析可得如下結(jié)論。

（1）兩類典型建筑應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)后，為保證地源熱泵系統(tǒng)保持高負(fù)荷率，應(yīng)制定有效的運(yùn)行策略，確保按需運(yùn)行。

（2）實(shí)測典型公共建筑和居住建筑地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行工況下，可知機(jī)組夏季運(yùn)行性能系數(shù)可達(dá)到 4.4 以上，冬季運(yùn)行性能系數(shù)可達(dá) 5.1 以上，運(yùn)行效果良好；系統(tǒng)運(yùn)行能效夏季可達(dá)在 3.2 以上，冬季運(yùn)行能效可達(dá) 2.8 以上。

（3）典型公共建筑和居住建筑應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)，每年均可節(jié)約一定的運(yùn)行費(fèi)用，有利于節(jié)約建筑整體能耗，減少一次能源消耗。