校園建筑中水源熱泵能源站系統(tǒng)夏季運(yùn)行特性研究

胡映寧，蘇錦文，張恒，雷俊

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004）

1 引言

水源熱泵憑借其高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢受到人們廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[1]基于熱經(jīng)濟(jì)學(xué)和定量分析理論，通過實驗比較了傳統(tǒng)的水源熱泵系統(tǒng)和優(yōu)化后的水源熱泵系統(tǒng)的參數(shù)，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)的功率消耗更小。文獻(xiàn)[2]借助Force Contro16.0軟件設(shè)計了再生水源熱泵系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，對全國20多個地區(qū)再生水處理基地進(jìn)行實時監(jiān)測，為再生水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用提供指導(dǎo)。文獻(xiàn)[3]基于TRNSYS構(gòu)建了冷卻塔復(fù)合水源熱泵系統(tǒng)的動態(tài)模型，提出了依據(jù)溫差來控制冷卻塔啟停的優(yōu)化控制策略。在集中供冷供暖研究方面，文獻(xiàn)[4]介紹了水源熱泵能源站作為區(qū)域能源中心，在設(shè)計特點(diǎn)上有很大的不同，要綜合考慮低溫?zé)嵩?、供冷供熱輸送管網(wǎng)布置、機(jī)組配置、末端設(shè)置等方面。文獻(xiàn)[5]以上海世博園江水源熱泵區(qū)域供冷系統(tǒng)為研究對象，分析系統(tǒng)在區(qū)域化應(yīng)用中的系統(tǒng)流程對水質(zhì)的影響。文獻(xiàn)[6]將南京鼓樓軟件園江水源熱泵區(qū)域供冷供暖系統(tǒng)和東京晴海廣場區(qū)域供冷供暖系統(tǒng)作對比，最終結(jié)果表明，要提高系統(tǒng)的能效比，區(qū)域能源站系統(tǒng)應(yīng)該盡量設(shè)置在靠近冷負(fù)荷集中的區(qū)域。

可見，國內(nèi)外學(xué)者對水源熱泵集中供冷供熱開展了大量研究，但對校園建筑群相對集中、用能規(guī)律強(qiáng)的學(xué)生公寓的水源熱泵能源站系統(tǒng)的針對性研究還較少，尤其是針對夏熱冬暖地區(qū)，校園建筑以水源熱泵能源站供冷的運(yùn)行特性研究還比較欠缺。本文以崇左某高校水源熱泵能源站系統(tǒng)為研究對象，研究了在夏季制冷工況下的運(yùn)行特性。

2 項目概況

該項目分2期進(jìn)行，本文只研究一期項目1#～4#學(xué)生公寓供冷。一期學(xué)生公寓使用空調(diào)的建筑面積為15 318 m2，能容納約4 500名學(xué)生入住，由于本項目是在新校區(qū)，本文研究時間的在校學(xué)生人數(shù)約3 000人。本項目采用區(qū)域供冷熱泵系統(tǒng)能源站為學(xué)生公寓樓提供冷量，該項目地處夏熱冬暖地區(qū)，夏季制冷時間長、制冷負(fù)荷大，學(xué)生公寓制冷負(fù)荷峰值為2 451 kW，各棟建筑的具體冷負(fù)荷如表1所示。

3 實驗方案與測試內(nèi)容

本次實驗采用單因素法。夏季制冷以冷卻塔為釋熱源，根據(jù)相應(yīng)工況下制訂實驗方案，在水源熱泵系統(tǒng)制冷運(yùn)行時，研究機(jī)組運(yùn)行時間、不同的主機(jī)負(fù)荷、循環(huán)泵流量等條件改變時對水源熱泵系統(tǒng)能效的影響。具體方案如下：第一天早上7：00開機(jī)運(yùn)行，保持機(jī)組連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)72 h，每隔10 min，溫度巡檢儀自動記錄1次數(shù)據(jù)。對水源熱泵系統(tǒng)各設(shè)備進(jìn)行測試，主要記錄的數(shù)據(jù)為：蒸發(fā)器側(cè)和冷凝器側(cè)的進(jìn)、出水溫度，室內(nèi)外溫度，熱泵機(jī)組的功率、蒸發(fā)器側(cè)和冷凝器側(cè)的進(jìn)、出水流量。水源熱泵能源站實驗原理如圖1所示。

本次實驗的變量調(diào)節(jié)范圍如表2所示。

圖1 水源熱泵能源站實驗原理圖

表2 實驗的變量調(diào)節(jié)參數(shù)

4 水源熱泵能源站系統(tǒng)的運(yùn)行特性分析

以下內(nèi)容分析均以冷卻塔為釋熱源。

圖2為測試時間內(nèi)冷卻水流量、冷凍水流量以及機(jī)組的制冷量隨機(jī)組運(yùn)行時間的變化關(guān)系圖。在9：00～11：30上午時段，由于上午時段大部分學(xué)生都去上課，學(xué)生公寓樓的冷負(fù)荷較低，所以冷凍水流量和制冷量都較低；在11：30～15：00中午時段，室外溫度越來越高并且很多學(xué)生都回學(xué)生公寓午休，學(xué)生公寓使用空調(diào)的人數(shù)增多，導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷增大，從而冷凍水流量和機(jī)組制冷量都有一個上升幅度較大的過程，由圖2可知，在11：30時，冷凍水的流量和機(jī)組制冷量急劇上升，冷凍水的流量由150 m3/h上升到195 m3/h，機(jī)組的制冷量由495 kW上升到910 kW，在13：30時，冷凍水流量達(dá)到最大值212 m3/h，機(jī)組制冷量達(dá)到最大值1 327 kW，說明此時是學(xué)生公寓使用空調(diào)的高峰期；在15：00～18：00下午時段，由于大部分學(xué)生去上課，學(xué)生公寓樓的冷負(fù)荷逐漸降低，因此冷凍水流量和制冷量也會相應(yīng)減小，在18：00時，冷凍水流量降到最小181 m3/h，機(jī)組制冷量降到最低782 kW，此時段學(xué)生公寓使用空調(diào)較少；在21：00～24：00晚上時段，所有學(xué)生回公寓休息，學(xué)生公寓樓的冷負(fù)荷較高，冷凍水流量又會重新達(dá)到最大值205 m3/h，機(jī)組制冷量達(dá)到最大值1 132 kW，此時段是學(xué)生公寓使用空調(diào)的另一高峰期。

圖3為機(jī)組和系統(tǒng)能效比與機(jī)組負(fù)荷的變化關(guān)系圖。從圖3中變化曲線可知，機(jī)組和系統(tǒng)能效比隨著機(jī)組負(fù)荷的增大而增大，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷從40%增加到100%時，機(jī)組能效比從4.9增加到6.1，系統(tǒng)能效比從3.2增加到4.7，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷從40%增加到60%時，機(jī)組和系統(tǒng)的能效比上升速度較快，機(jī)組能效比從4.9增加到5.7，系統(tǒng)能效比從3.2增加到4.0，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷從60%～80%時，機(jī)組和系統(tǒng)能效比穩(wěn)步提升，機(jī)組能效比從5.7增加到6.0，系統(tǒng)能效比從4.0增加到4.5，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷從80%增加到100%時，機(jī)組和系統(tǒng)的能效比上升幅度較為平緩，機(jī)組能效比從6.0增加到6.1，系統(tǒng)能效比從4.5增加到4.7。

圖2 系統(tǒng)水流量以及制冷量隨運(yùn)行時間的變化情況

圖3 機(jī)組負(fù)荷對機(jī)組和系統(tǒng)能效比的影響

圖4為機(jī)組和系統(tǒng)能效比與冷卻水流量的變化關(guān)系圖。由圖4可知，機(jī)組和系統(tǒng)能效比隨著冷卻水流量的增大而增大，當(dāng)冷卻水流量從160 m3/h增加到180 m3/h時，機(jī)組能效比從5.3升高到6.1，系統(tǒng)能效比從3.7升高到4.7，當(dāng)冷卻水的流量繼續(xù)從180 m3/h增加到185 m3/h時，機(jī)組和系統(tǒng)能效比基本保持不變，維持在6.1和4.7左右，說明此時機(jī)組運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，由此可知，在夏季制冷工況下，冷凝側(cè)冷卻水的流量對機(jī)組和系統(tǒng)的能效比有很大影響，系統(tǒng)冷卻水流量的最佳范圍為180～185 m3/h。

圖5為機(jī)組和系統(tǒng)能效比與冷凍水流量的變化關(guān)系圖。由圖5可知，機(jī)組和系統(tǒng)能效比隨著冷凍水流量的增大而提高，當(dāng)冷凍水流量從185 m3/h增加到205 m3/h時，機(jī)組能效比從5.1升高到6.0，系統(tǒng)能效比從3.8升高到4.7，當(dāng)冷凍水的流量繼續(xù)從205 m3/h增加到210 m3/h時，機(jī)組和系統(tǒng)能效比基本保持不變，維持在6.0和4.7左右，此時機(jī)組運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，由此可知，在夏季制冷工況下，蒸發(fā)側(cè)冷凍水的流量對機(jī)組和系統(tǒng)的能效比有很大影響，系統(tǒng)冷凍水流量的最佳范圍為205～210 m3/h。

圖4 冷卻水流量對機(jī)組和系統(tǒng)能效比的影響

圖5 冷凍水流量對機(jī)組和系統(tǒng)能效比的影響

5 水源熱泵系統(tǒng)能耗分析

在測試期間，機(jī)組平均每天耗電量為1 598 kW·h，水泵耗電量為1 027 kW·h，冷卻塔耗電量156 kW·h，空調(diào)末端耗電量134 kW·h，水源熱泵系統(tǒng)總耗電量為2 915 kW·h。

由于每天學(xué)生公寓使用空調(diào)的房間數(shù)會出現(xiàn)2個高峰期，所以在測試時間內(nèi)統(tǒng)計了不同時段學(xué)生公寓的空調(diào)使用情況，平均每天上午有38間宿舍使用空調(diào)，持續(xù)時間約為1.5 h；平均每天中午有240間宿舍使用空調(diào)，持續(xù)時間約為2.5 h；平均每天下午有80間宿舍使用空調(diào)，持續(xù)時間為3 h；平均每天晚上有260間宿舍使用空調(diào)，持續(xù)時間為10 h；現(xiàn)在很多高校宿舍還是采用傳統(tǒng)壁掛式分體空調(diào)，1.5匹壁掛式分體空調(diào)每小時耗電量約為1.1 kW·h，如果該項目也采用這種空調(diào)，那么在相同的運(yùn)行工況下，每天的耗電量W為：W=(38×1.5+240×2.5+80×3+260×10)×1.1=3 846.7

與傳統(tǒng)壁掛式分體空調(diào)相比，該項目采用水源熱泵系統(tǒng)每天大約可以節(jié)能：

所以水源熱泵系統(tǒng)能源站在集中供冷方面節(jié)能優(yōu)勢較為明顯，在校園建筑中有巨大的應(yīng)用價值，值得大范圍推廣、使用。

6 結(jié)論

1）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析可知，每天學(xué)生公寓的用能規(guī)律為：在9：00～13：00上午時段，由于冷負(fù)荷需求小，機(jī)組的制冷量較低，逐漸增加的幅度也很小，在11：30～13：00機(jī)組制冷量增幅突然增大，在13：00達(dá)到峰值1 327 kW，說明此時是使用空調(diào)高峰期；在下午時段，機(jī)組制冷量逐漸降低，在18：00降到最低782 kW；在晚上時段，空調(diào)末端使用人數(shù)又逐漸增加，機(jī)組制冷量會重新達(dá)到峰值1 132 kW，因此，設(shè)備的運(yùn)行情況應(yīng)與冷負(fù)荷需求相匹配，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)節(jié)能的運(yùn)行策略。

2）機(jī)組在夏季工況運(yùn)行時，當(dāng)冷凍水的流量保持在205～210 m3/h，冷卻水的流量保持在180 ～185 m3/h，機(jī)組COP達(dá)到最大值并穩(wěn)定在6.1左右；系統(tǒng)COP達(dá)到最大值并穩(wěn)定在4.7左右，此時系統(tǒng)節(jié)能、高效、穩(wěn)定運(yùn)行，為系統(tǒng)的最佳運(yùn)行工況。

3）當(dāng)機(jī)組負(fù)荷從40%增加到60%時，機(jī)組和系統(tǒng)的能效比上升速度較快，機(jī)組能效比從4.9增加到5.7，系統(tǒng)能效比從3.2增加到4.0，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷從60%～80%時，機(jī)組和系統(tǒng)能效比穩(wěn)步提升，機(jī)組能效比從5.7增加到6.0，系統(tǒng)能效比從4.0增加到4.5，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷從80%增加到100%時，機(jī)組和系統(tǒng)的能效比上升幅度較為平緩，機(jī)組能效比從6.0增加到6.1，系統(tǒng)能效比從4.5增加到4.7。

4）在夏季制冷工況下，與傳統(tǒng)壁掛式空調(diào)相比，水源熱泵能源站系統(tǒng)每天可以節(jié)能24.2%，有巨大的節(jié)能優(yōu)勢，在集中供冷建筑中有良好的應(yīng)用前景。