李崢嶸，傅 強(qiáng)，錢必華，劉遞多

（1.同濟(jì)大學(xué)暖通空調(diào)及燃?xì)庋芯克?，上?200092；2.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092）

目前地源熱泵系統(tǒng)主要應(yīng)用在北美、歐洲和中國，據(jù)2010年世界地?zé)岽髸?huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截止2009年，地源熱泵的利用能量已達(dá)到214 782 TJ/a，與2005年世界地?zé)岽髸?huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相比，5年內(nèi)增長了2.45倍，平均年增長率達(dá)到了19.7%，中國地源熱泵總利用面積2008年為6 200萬m2，2009年達(dá)到10 070萬m2，總利用功率約5 210 MWt[1]．

近年來，國家對(duì)于可再生能源的開發(fā)與利用逐漸重視，并出臺(tái)了一系列的法規(guī)政策，在此背景下，作為可再生能源利用的一種重要方式，我國地源熱泵（尤其土壤源熱泵）產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日益加快[2]．國內(nèi)學(xué)者對(duì)該系統(tǒng)運(yùn)行特性的研究方法多以短期實(shí)測(cè)與長期模擬相結(jié)合為主[3-10]，而國外相關(guān)研究很多都是基于全年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或多年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展開，如2010年 T.Magraner等人在西班牙巴倫西亞理工大學(xué)的土壤源熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行全年實(shí)測(cè)，研究系統(tǒng)長期運(yùn)行特性[11]；2011年C.Montagud等人對(duì)西班牙巴倫西亞理工大學(xué)的土壤源熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行 5年的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)性能[12]；2011年 Scott Hackel和Amanda Pertzborn對(duì)美國三幢應(yīng)用復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的建筑進(jìn)行全年監(jiān)測(cè)研究[13]；2012年Jin Taek Chung和Jong Min Choi在韓國忠南一個(gè)167m2的住宅建筑進(jìn)行全年監(jiān)測(cè)研究[14]；2013年A.Michopoulos和 T.Zachariadis對(duì)希臘北部一幢市政大樓的地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行全年監(jiān)測(cè)研究[15]．目前國內(nèi)土壤源熱泵的推廣遇到很大問題[16]，尤其缺少長期運(yùn)行數(shù)據(jù)．基于這一問題，本文通過對(duì)上海市某辦公樓土壤源熱泵系統(tǒng)供暖工況長期監(jiān)測(cè)，得到上海市辦公類建筑土壤源熱泵系統(tǒng)冬季的長期運(yùn)行特性，為土壤源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考．

1 土壤源熱泵系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)及分析方法

1.1 土壤源熱泵系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)

1.1.1系統(tǒng)介紹

研究對(duì)象為一幢位于上海市新江灣城的辦公樓，分為東樓和西樓，東樓地下一層、地上五層，西樓地下一層、地上四層．總建筑面積為 21 959 m2(其中地上部分13 152 m2 )，建筑總高度為23.95 m．建筑朝向?yàn)槟掀珫|29°．東向窗墻比為0.67，南向?yàn)?.61，西向?yàn)?.33，北向?yàn)?.66．空調(diào)冷熱源為兩臺(tái)地源熱泵主機(jī)（名義制冷量 1203.5kW，名義制熱量1204.4 kW）與三臺(tái)輔助閉式冷卻塔相結(jié)合的形式，地埋管按冬季熱負(fù)荷設(shè)計(jì)，共設(shè)置垂直單U管223個(gè)，有效深度100 m，孔徑150 mm，埋管間距4.5 m×4.5 m，回填材料采用專用的土、砂混合物．用戶側(cè)循環(huán)水泵和地埋管側(cè)循環(huán)水泵均為2用1備，型號(hào)為WILO的NL150/315-37/4．冬夏季工況由管路閥門調(diào)控，夏季地埋管與冷卻塔并聯(lián)．末端設(shè)備采取空調(diào)箱與風(fēng)機(jī)盤管，大堂和餐廳采用空調(diào)箱，辦公室采用風(fēng)機(jī)盤管加獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)．

系統(tǒng)主機(jī)和水泵的啟停由管理人員控制，正常開啟時(shí)間為周一到周五，7:00-17:30．管理人員通過設(shè)定用戶側(cè)機(jī)組出水溫度控制機(jī)組的運(yùn)行．

冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)及典型日實(shí)測(cè)參數(shù)見表1所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，只有會(huì)議室溫度過高（設(shè)計(jì)參數(shù)為19-21℃），其他參數(shù)均符合設(shè)計(jì)參數(shù)范圍，說明該空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀況基本與設(shè)計(jì)工況相符合．

圖1 供暖工況測(cè)點(diǎn)布置圖Fig. 1 Schematic diagram of GSHP and measuring points

表1 冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)與典型日實(shí)測(cè)參數(shù)Tab.1 winter indoor design parameters and measured parameters on typical days

1.1.2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

供暖工況監(jiān)測(cè)參數(shù)為兩臺(tái)熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器和冷凝器進(jìn)出口水溫、地埋管回水溫度、用戶側(cè)流量、地埋管側(cè)流量、熱泵機(jī)組小時(shí)電耗、循環(huán)水泵小時(shí)電耗．其中溫度監(jiān)測(cè)采用天建華儀WZYW-1溫度記錄儀，精度±0.3℃；地埋管側(cè)流量采用超聲波流量計(jì)典型日實(shí)測(cè)，精度±0.1m3/h；用戶側(cè)流量、熱泵機(jī)組小時(shí)電耗和循環(huán)水泵小時(shí)電耗均采用BA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，其中用戶測(cè)流量經(jīng)過超聲波流量計(jì)校核，誤差在5%以內(nèi)．監(jiān)測(cè)時(shí)間為整個(gè)冬季工況，2013年11月11日-2014年4月3日．系統(tǒng)原理圖及具體測(cè)點(diǎn)布置見圖1所示．圖1中箭頭方向?yàn)槎竟r，冷卻塔側(cè)開關(guān)閥門冬季關(guān)閉．T為壁溫測(cè)點(diǎn)，V為流量測(cè)點(diǎn)．

1.2 數(shù)據(jù)分析計(jì)算方法

壁溫?cái)?shù)據(jù)采集頻率為10 min，流量數(shù)據(jù)采集頻率為30 min，假設(shè)30 min內(nèi)流量不變化，即可將壁溫?cái)?shù)據(jù)與流量數(shù)據(jù)建立聯(lián)系．

1.2.1負(fù)荷

①瞬時(shí)負(fù)荷

建筑瞬時(shí)負(fù)荷以用戶側(cè)流量和用戶側(cè)供回水溫度進(jìn)行計(jì)算，10 min計(jì)算一次：

式中：Q˙為建筑瞬時(shí)負(fù)荷，kW；c為水的比熱容，kJ/(Kg·℃)； ρ為水的密度，kg/m3；V˙為用戶側(cè)體積流量，m3/h；Tg為用戶側(cè)供水溫度，℃；Th為用戶側(cè)回水溫度，℃．

②小時(shí)負(fù)荷

建筑小時(shí)負(fù)荷由每 10 min計(jì)算一次的建筑瞬時(shí)負(fù)荷累加得到：

式中：hourQ 為建筑小時(shí)負(fù)荷，kWh．

③日均小時(shí)負(fù)荷

1.2.2日均部分負(fù)荷率

日均部分負(fù)荷率為建筑日均小時(shí)負(fù)荷與機(jī)組小時(shí)名義制熱量之比：

式中：PLR為日均部分負(fù)荷率；ratedQ 為熱泵機(jī)組小時(shí)名義制熱量，kWh，當(dāng)開啟一臺(tái)機(jī)組時(shí)，為一臺(tái)機(jī)組小時(shí)名義制熱量，開啟兩臺(tái)機(jī)組時(shí)，為兩臺(tái)機(jī)組小時(shí)名義制熱量．

1.2.3日均能效比

①機(jī)組日均能效比

式中：D PF1為機(jī)組日均能效比；Wcomp為機(jī)組小時(shí)功耗，kWh．

②系統(tǒng)日均能效比

式中： D PF2為系統(tǒng)日均能效比； Wpump為用戶側(cè)和地埋管側(cè)循環(huán)水泵小時(shí)功耗，kWh．

2 數(shù)據(jù)驗(yàn)證與分析

2.1 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證監(jiān)測(cè)方法和儀器的準(zhǔn)確性，以用戶側(cè)和地埋管側(cè)的小時(shí)負(fù)荷值進(jìn)行驗(yàn)證．理論上，如果忽略水泵散熱量，冬季工況下，用戶側(cè)小時(shí)負(fù)荷應(yīng)該等于地埋管側(cè)小時(shí)取熱量與機(jī)組小時(shí)電耗之和．但在實(shí)測(cè)過程中，由于種種因素，二者之間會(huì)有偏差，以α表示這種相對(duì)偏差，結(jié)果見圖2所示：

式中： Qhour為用戶側(cè)小時(shí)負(fù)荷，kWh；Qsoil-hour為地埋管側(cè)小時(shí)取熱量，kWh；Wcomp-hour為機(jī)組小時(shí)電耗，kWh．

結(jié)果顯示，整個(gè)冬季工況小時(shí)負(fù)荷值相對(duì)偏差在-10%～+15%，屬于正常誤差范圍，故監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效．

圖2 小時(shí)負(fù)荷相對(duì)偏差αFig.2 Hour load relative deviationα

圖3 地埋管出水溫度Fig. 3 Outlet water temperature from buried pipes

2.2 數(shù)據(jù)分析

影響土壤源熱泵系統(tǒng)性能的因素有很多，如土壤溫度、用戶側(cè)供水溫度設(shè)置、部分負(fù)荷率等．下面主要分析這幾個(gè)因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響．

2.2.1地埋管出水溫度

由于該系統(tǒng)施工時(shí)沒有在地埋管上安裝溫度傳感器，得不到土壤溫度，故考慮采用地埋管出水溫度表征地埋換熱器換熱效果[12]，見圖3所示．圖中2月初數(shù)據(jù)空白是由于春節(jié)長假，系統(tǒng)未開啟．可以看出，地埋管出水溫度整個(gè)冬季變化趨勢(shì)是先降低后升高，在2月中旬開始回升．在11月份地埋管出水溫度日下降約 1.5℃，隨著部分負(fù)荷率的增加，系統(tǒng)從土壤中取熱量增加，日降低溫度也會(huì)增加，至2月初，日下降可達(dá)2.5℃以上．

同時(shí)，由于辦公建筑間歇運(yùn)行方式，土壤溫度恢復(fù)特性得到體現(xiàn)，影響土壤溫度恢復(fù)特性的因素有很多，如土壤溫度水平、建筑部分負(fù)荷率、室外空氣溫度、太陽輻射強(qiáng)度等，此處以地埋管出水溫度表征這一特性．11月份地埋管出水溫度在工作日經(jīng)過一個(gè)夜晚的恢復(fù)可提升 1℃左右，經(jīng)過一個(gè)周末的恢復(fù)提升也在 1℃左右，這是由于剛進(jìn)入冬季工況，土壤溫度較高，土壤溫度恢復(fù)能力得不到充分體現(xiàn)；12月份工作日恢復(fù)溫度約1.5℃，周末溫度恢復(fù)可達(dá)2.5℃；1月份工作日恢復(fù)溫度約1.5℃，周末溫度恢復(fù)約 2℃，可能是由于室外空氣溫度比12月份更低，且太陽輻射強(qiáng)度也比12月份低，導(dǎo)致周末溫度恢復(fù)略低于12月份；2月中旬工作日溫度恢復(fù)約2.5℃，周末溫度恢復(fù)高達(dá)3℃，這主要由于這時(shí)土壤溫度水平已經(jīng)很低了，溫度恢復(fù)能力很強(qiáng)．3月上旬工作日溫度恢復(fù)為1℃-2℃，周末溫度恢復(fù)約2℃；3月底至4月初，溫度恢復(fù)值很小，在 0.5℃以下，這主要是由于部分負(fù)荷率很小，系統(tǒng)從土壤取熱量很少，土壤溫度變化受系統(tǒng)影響很小，主要受室外空氣溫度和太陽輻射強(qiáng)度的影響．

2.2.2 用戶側(cè)供水溫度

用戶側(cè)供水溫度由系統(tǒng)管理人員設(shè)定，見圖 4所示．11月到 12月底，供水溫度都設(shè)置在 38℃-39℃；從12月底至2月底，大多設(shè)置在43-44℃，期間也有部分時(shí)間設(shè)置在38℃-39℃；3月直至供暖季結(jié)束，設(shè)置在39℃左右．

圖4 用戶側(cè)供水溫度Fig. 4 User‐side supply water temperature

圖5 日均小時(shí)負(fù)荷Fig.5 Daily average hour load

2.2.3日均小時(shí)負(fù)荷

由式（1）-式（3）計(jì)算得出，結(jié)果如圖5所示，從供暖季開始到 12月中旬，建筑日均小時(shí)負(fù)荷幾乎都在500 kWh以下，12月中旬到3月初該值較大，在2月中旬達(dá)到約1 150 kwh．但是在1月2日附近出現(xiàn)一個(gè)谷值，在 1月底也出現(xiàn)一個(gè)谷值，這是由于元旦法定假日和春節(jié)法定假日，部分部門上班人數(shù)較少，末端設(shè)備開啟相對(duì)少，導(dǎo)致建筑負(fù)荷相對(duì)較小．

2.2.4日均部分負(fù)荷率

由式（4）計(jì)算得出，結(jié)果如圖 6所示，由于冬季供暖工況下一般一臺(tái)熱泵機(jī)組就可以滿足建筑負(fù)荷需求，故日均部分負(fù)荷率形式上與日均小時(shí)負(fù)荷大體相同．11月剛進(jìn)入供暖季，日均部分負(fù)荷率較低，約為 26%～45%，；12月份日均部分負(fù)荷率逐漸增大，約為41%～74%；1月份波動(dòng)較大，約為36%～81%，主要是由于1月9日、10日開啟兩臺(tái)機(jī)組，由式（4）可知，這兩天日均部分負(fù)荷率處于低值，分別為36%和40%，1月底的低值是由于部分部門上班人數(shù)較少，建筑負(fù)荷相對(duì)小；2月份日均部分負(fù)荷率較大，約為66%～96%，在2月18日開始降低；3月份逐漸降低，從月初74%降到月底18%；4月份只有前三天供暖，日均部分負(fù)荷率約為17%．

將部分負(fù)荷率以10%為間隔分成幾個(gè)區(qū)間，將圖6中不同部分負(fù)荷率的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖7．40%負(fù)荷率的時(shí)間最長，占整個(gè)供暖工況的23.3%；其次為70%和80%負(fù)荷率，都為14.1%；同時(shí)看出，整個(gè)供暖季有約 80%的時(shí)間都處于40%～80%負(fù)荷率下．

圖6 日均部分負(fù)荷率Fig. 6 Daily average part load rate

圖7 不同部分負(fù)荷率的時(shí)間Fig. 7 Time ratio of different part load rate

2.2.3日均能效比

機(jī)組日均能效比見圖8所示．11月份和12月份由于部分負(fù)荷率較低，機(jī)組日均能效比也較小，在4.1～5.3之間波動(dòng)；1月份波動(dòng)很大，為3.9-6.7,主要是因?yàn)?月9日、10日開啟兩臺(tái)機(jī)組，導(dǎo)致部分負(fù)荷率較低，能效比較小，而且從圖4可以看出，1月份用戶側(cè)供水溫度設(shè)置波動(dòng)很大，導(dǎo)致日均能效比隨之波動(dòng)；2月份為 4.4～6.0，能效比逐漸降低；3月份為3.9～5.4；4月初為供暖季最后幾天，部分負(fù)荷率也很低，而且相比與 11月份，土壤溫度更低，導(dǎo)致機(jī)組能效比很低，約為3.8～3.9．

系統(tǒng)日均能效比見圖9所示．11月份為2.4～3.4；12月份為3.0～3.8；1月份大部分時(shí)間為3.5～4.3，1月9日、10日開啟兩臺(tái)機(jī)組，導(dǎo)致部分負(fù)荷率較低，系統(tǒng)能效比較小，分別為2.8和3.3；2月份為 3.5～4.7；3月份開始逐漸下降，從 3.9降到2.0；4月初為1.9～2.0．

圖8 機(jī)組日均能效比Fig. 8 Daily average unit energy efficiency ratio

圖9 系統(tǒng)日均能效比Fig.9 Daily average system energy efficiency ratio

3 結(jié)論

本文基于對(duì)上海市某辦公建筑土壤源熱泵系統(tǒng)2013-2014年整個(gè)冬季供暖工況的長期監(jiān)測(cè)，分析了上海市土壤源熱泵系統(tǒng)冬季供暖工況的長期運(yùn)行特性．主要結(jié)論如下：

(1)冬季工況下，地埋管回水溫度先下降后有所回升，日下降溫度最高可達(dá) 2.5℃．工作日系統(tǒng)經(jīng)過一個(gè)夜晚的間歇，地埋管回水溫度可恢復(fù)約1℃～2.5℃，經(jīng)過一個(gè)周末的間歇，可恢復(fù)約1℃～3℃．

(2)冬季工況下，日均部分負(fù)荷率有80%的時(shí)間都處于 40%～80%負(fù)荷率下，40%負(fù)荷率的時(shí)間最長，占整個(gè)冬季工況的23.3%．因此，系統(tǒng)部分負(fù)荷率下的運(yùn)行性能尤為重要．

(3)冬季工況下，機(jī)組能效比為3.8～6.7，系統(tǒng)能效比為 1.9～4.7．而且能效比不僅受部分負(fù)荷率和地埋管出水溫度影響，受用戶側(cè)出水溫度影響也較大．因此基于建筑負(fù)荷，合理設(shè)置機(jī)組和水泵開啟臺(tái)數(shù)及合理設(shè)置用戶側(cè)出水溫度對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)高效運(yùn)行具有重要意義．

References

[1] 鄭克棪, 韓再生, 張振國. 中國地?zé)岬姆€(wěn)步產(chǎn)業(yè)化開發(fā)-2010 年世界地?zé)岽髸?huì)中國國家報(bào)告[J]. 地?zé)崮? 2010(3): 3-7.ZHENG Keyan, HAN Zaisheng, ZHANG Zhenguo. The geothermal steadily industrialization development in China–China national report on the world geothermal conference in 2010[J] .Geothermal energy, 2010(3): 3-7.

[2] YANG W, ZHOU J, XU W, et al. Current status of ground-source heat pumps in China[J]. Energy Policy,2010, 38(1): 323-332.

[3] 李元旦, 張旭. 土壤源熱泵冬季工況啟動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 暖通空調(diào), 2001, 31(1): 17-20.LI Yuandan, ZHANG Xu. Experimental research on started characteristic of ground-coupled heat pump in winter condition[J]. Heating Ventilation and Air Conditioning, 2001, 31(1): 17-20.

[4] 趙軍, 宋德坤, 李新國, 等. 埋地?fù)Q熱器放熱工況的現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)驗(yàn)研究[J]. 太陽能學(xué)報(bào), 2005, 26(2): 162-165.ZHAO Jun, SONG Dekun, LI Xinguo, et al. Field operation experimental study of the buried heat exchanger in release heat condition[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2005, 26(2): 162-20.

[5] 王景剛, 李芳, 李愷淵. 輔助冷卻復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行控制策略研究[J]. 暖通空調(diào), 2007, 37(12):129-132.WANG Jinggang, LI Fang, LI Kaiyuan. Research on auxiliary cooling hybrid ground source heat pump system operating control strategy[J]. Heating Ventilation and Air Conditioning, 2007, 37(12): 129-132.

[6] 王華軍, 趙軍. 混合式地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略研究[J]. 暖通空調(diào), 2007, 37(9): 131-134.WANG Huajun, ZHAO Jun. Research on hybrid ground source heat pump system operating control strategy[J].Heating Ventilation and Air Conditioning, 2007, 37(9):131-134.

[7] 楊衛(wèi)波, 施明恒, 陳振乾. 土壤源熱泵夏季運(yùn)行特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 太陽能學(xué)報(bào), 2007, 28(9): 1012-1016.YANG Weibo, SHI Mingheng, CHEN Zhenqian.Experimental research on summer operating characteristic of ground-coupled heat pump[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2007, 28(9): 1012-1016.

[8] 孫愛國, 梁路軍. 水源熱泵機(jī)組地下水變流量運(yùn)行特性研究[J]. 暖通空調(diào), 2010, 40(11): 83-85.SUN Aiguo, LIANG Lujun. Research on groundwater variable flow operationing characteristics of water source heat pump unit[J]. Heating Ventilation and Air Conditioning, 2010, 40(11): 83-85.

[9] 余延順, 馬娟. 負(fù)荷分布對(duì)地源熱泵系統(tǒng)長期運(yùn)行特性的影響[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2011,35(2): 155-159.YU Shunyan, MA Juan. Effect of Load distribution on long period operating characteristics of ground source heat pump system[J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology: Natural Science, 2011, 35(2):155-159.

[10] 劉逸, 李炳熙, 付忠斌, 等. 寒冷地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)供暖運(yùn)行特性研究[J]. 太陽能學(xué)報(bào), 2012, 10: 025.LIU Yi, LI Bingxi, FU Zhongbin, et al. Research on heating operation characteristics of ground-coupled heat pump in cold region[J]. Acta Energiae Solaris Sinica,2012, 10: 025.

[11] MAGRANER T, MONTERO á, QUILIS S, et al. Comparison between design and actual energy performance of a HVAC-ground coupled heat pump system in cooling and heating operation[J]. Energy and buildings, 2010,42(9): 1394-1401.

[12] MONTAGUD C, CORBERAN J M, MONTERO A, et al. Analysis of the energy performance of a ground source heat pump system after five years of operation[J].Energy and Buildings, 2011, 43(12): 3618-3626.

[13] HACKEL S, PERTZBORN A. Effective design and operation of hybrid ground-source heat pumps: Three case studies[J]. Energy and Buildings, 2011, 43(12):3497-3504.

[14] CHUNG J T, CHOI J M. Design and performance study of the ground-coupled heat pump system with an operating parameter[J]. Renewable Energy, 2012, 42: 118-124.

[15] MICHOPOULOS A, ZACHARIADIS T, KYRIAKIS N.Operation characteristics and experience of a ground source heat pump system with a vertical ground heat exchanger[J]. Energy, 2013, 51: 349-357.

[16] MING L, QING G, YAN J, et al. The big challenge of ground source heat pumps (GSHPs) application in China[C]//Intelligent System Design and Engineering Application (ISDEA), 2010 International Conference on. IEEE,2010, 2: 594-597.