夏 嬋 卜 震 上海市建筑科學(xué)研究院

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上海地區(qū)某聯(lián)排別墅地源熱泵系統(tǒng)冬季運(yùn)行效果實(shí)測(cè)分析

夏 嬋 卜 震 上海市建筑科學(xué)研究院

摘要：對(duì)上海某聯(lián)排別墅小區(qū)地源熱泵系統(tǒng)冬季工況的實(shí)際運(yùn)行效果開(kāi)展了監(jiān)測(cè)分析。結(jié)果表明該系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行能效比偏低，通過(guò)深入分析提出了該系統(tǒng)控制模式和輸配系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致人們生活用能習(xí)性發(fā)生變化，冬季實(shí)際運(yùn)行時(shí)負(fù)荷率較低，水泵不必要能耗占比較大，存在節(jié)能優(yōu)化空間。

關(guān)鍵詞：地源熱泵；生活習(xí)性；工作日；非工作日；COP；輸配設(shè)計(jì)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)居住環(huán)境中的室內(nèi)熱舒適性要求逐步提高，地源熱泵技術(shù)作為一種節(jié)能有效的空調(diào)方式適應(yīng)性較強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)人們對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的高需求。同濟(jì)大學(xué)譚洪衛(wèi)等人［1］曾就某一棟別墅地源熱泵系統(tǒng)的供暖情況進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)，分析得出在滿足同等熱舒適性條件下，地源熱泵系統(tǒng)比常規(guī)的空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能31%；陳焰華等［2］人對(duì)武漢某一典型小區(qū)地源熱泵系統(tǒng)全年運(yùn)行情況進(jìn)行了測(cè)試，分析得出地源熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)較空氣源熱泵高出近40%。但由于氣候、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、居民生活習(xí)慣及系統(tǒng)運(yùn)行問(wèn)題，仍有一部分人對(duì)應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)的冬季室內(nèi)熱環(huán)境不滿意［3］。一般認(rèn)為地源熱泵等集中式空調(diào)系統(tǒng)適合應(yīng)用于末端負(fù)荷率高、負(fù)荷變化穩(wěn)定的場(chǎng)合，例如大型辦公建筑、商業(yè)建筑等，與此類建筑相比，居住建筑的使用時(shí)間具有較大的靈活性，負(fù)荷變化較大，這就使得居住建筑中采用地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行管理比較棘手。本文通過(guò)對(duì)上海某聯(lián)排別墅居住建筑的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在冬季工作日與非工作日期間實(shí)施連續(xù)監(jiān)測(cè)，分析該地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行能效，并從不同角度提出存在的節(jié)能問(wèn)題。

2 研究對(duì)象與方法

2.1工程概況

聯(lián)排別墅位于上海市閔行區(qū)浦江鎮(zhèn)，建筑面積2.78萬(wàn)m2采用土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)冷熱源由土壤換熱器提供，夏季土壤換熱器井深散熱量為75 W/m，冬季井深取熱量為50 W。土壤換熱器按照5×5 m間距埋設(shè)，鉆孔深度100 m，總埋設(shè)并聯(lián)雙U井214口。

該系統(tǒng)包括4臺(tái)熱泵機(jī)組，分別位于1號(hào)、3號(hào)兩個(gè)機(jī)房，每個(gè)機(jī)房各1臺(tái)PSRHH1702-Y和1臺(tái)PSRHHR0802-Y，其中1臺(tái)PSRHHR0802-Y熱回收主機(jī)同時(shí)提供60/55℃的衛(wèi)生熱水；空調(diào)系統(tǒng)末端為風(fēng)機(jī)盤管，冬夏轉(zhuǎn)換通過(guò)雙位電動(dòng)蝶閥控制實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1原理圖見(jiàn)圖1。

2.2測(cè)試項(xiàng)目

測(cè)試儀器主要參數(shù)和測(cè)試項(xiàng)目見(jiàn)表2。

圖1　地源熱泵系統(tǒng)原理圖

表1　空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)表

2.3測(cè)試過(guò)程

本次測(cè)試僅選取一個(gè)機(jī)房（3號(hào)機(jī)房）的設(shè)備進(jìn)行測(cè)試；測(cè)試時(shí)間選取冬季供熱時(shí)的某一工作日和非工作日。測(cè)試期間3號(hào)機(jī)房的兩臺(tái)機(jī)組全天24 h供熱，地源側(cè)循環(huán)水泵、用戶側(cè)循環(huán)水泵及生活熱水循環(huán)泵各開(kāi)啟1臺(tái)。各測(cè)試點(diǎn)布置如圖2所示，其中3號(hào)機(jī)組是型號(hào)PSRHH1702-Y的高溫?zé)岜脵C(jī)組，供應(yīng)用戶空調(diào)用熱水；4號(hào)機(jī)組是型號(hào)為PSRHHR0802-Y的高溫水/地源熱泵機(jī)組，供應(yīng)用戶生活熱水。測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，其中T代表溫度，V代表流量，N代表功率。

2.4數(shù)據(jù)處理

（1）地源側(cè)換熱器取熱量

式中，Q1為地源側(cè)換熱器取熱量，kJ；C1為地源側(cè)水的比熱容，kJ/（kg·℃）；ρ1為地源側(cè)水密度，kg/m3；V1為地源側(cè)水流量，m3/h；Tg1、Th1分別為地源側(cè)進(jìn)出水溫度，℃； 。

（2）用戶側(cè)供熱量

式中，Q2為用戶側(cè)取熱量，kJ；C2為用戶側(cè)水的比熱容，kJ/（kg·℃）；ρ2為用戶側(cè)水密度，kg/ m3；V2為用戶側(cè)水流量，m3/h；Tg2、Th2分別為用戶側(cè)進(jìn)出水溫度，℃。

（3）機(jī)組平均COP

式中，COP為機(jī)組的平均性能系數(shù)；W1為機(jī)組的輸入功率，kW。

（4）系統(tǒng)能效比COPs

式中，COPs為系統(tǒng)性能系數(shù)；W2為系統(tǒng)水泵的輸入功率（包括地源側(cè)水泵和用戶側(cè)水泵），kW。

（5）負(fù)荷使用率

實(shí)際能達(dá)到的最大冷負(fù)荷（熱負(fù)荷）與系統(tǒng)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷（熱負(fù)荷）的比值［4］。

圖2　3號(hào)機(jī)房測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1水流量測(cè)試結(jié)果

測(cè)試期間，3號(hào)機(jī)房地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)地源側(cè)與用戶側(cè)水流量的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3　地源側(cè)與用戶側(cè)水流量測(cè)試結(jié)果

3.2溫度測(cè)試結(jié)果

（1）室外溫度

測(cè)試期間，工作日與非工作日的室外氣溫變化如圖3所示。由圖3可知，工作日與非工作日當(dāng)天室外平均氣溫分別為7℃和6℃；最高氣溫可分別達(dá)12℃和10℃。

（2）地源側(cè)水溫度

測(cè)試期間，溫度自記儀溫度采集間隔設(shè)置為1 min。工作日和非工作日空調(diào)用地源側(cè)供回水溫度變化如圖4和圖5所示。由圖4、圖5可知不論工作日與非工作日地源側(cè)供水溫度全天趨于穩(wěn)定，約為16.6℃；回水溫度根據(jù)用戶需求而變化。由圖還可看出，工作日和非工作日平均溫差均為2.0℃左右；但溫差波動(dòng)較大的時(shí)間段略有不同，這與一般居民在工作日和非工作日的生活習(xí)性相似。

（3）用戶側(cè)水溫度

工作日和非工作日地源熱泵系統(tǒng)用戶側(cè)供回水溫度變化如圖6和圖7所示。由圖6可知，工作日與非工作日用戶側(cè)供水溫度平均為46.3℃，較為穩(wěn)定；用戶側(cè)回水平均溫度均為43.5℃，平均溫差為2.8℃，較設(shè)計(jì)溫差5℃低2.2℃。由圖還可看出，工作日和非工作日空調(diào)集中使用時(shí)間略有不同，工作日主要集中在20：00左右；而非工作日主要集中在8：00～12：00及16：00之后。

圖3　室外溫度變化圖

圖4　工作日地源側(cè)供回水溫度變化

圖5　非工作日地源側(cè)供回水溫度變化

圖6　工作日用戶側(cè)供回水溫度變化

圖7　非工作日用戶側(cè)供回水溫度變化

3.3機(jī)組及系統(tǒng)COP

工作日與非工作日累計(jì)供熱量和耗電量如表4所示。由表4可知，對(duì)于空調(diào)用供熱機(jī)組，工作日和非工作日機(jī)組COP分別為3.4和3.5，而系統(tǒng)能效比（COPs）分別為2.5和2.6；相對(duì)空氣源熱泵（2.3～2.6）并無(wú)明顯節(jié)能優(yōu)勢(shì)。這可能是由于末端用戶負(fù)荷使用率低（由圖8可看出）且水泵全天24h定頻運(yùn)行導(dǎo)致不必要能耗消耗的緣故。

表4　機(jī)組COP和系統(tǒng)能效COPs kWh

圖8　 地源熱泵空調(diào)供熱負(fù)荷率

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析可知，導(dǎo)致空調(diào)供熱負(fù)荷率低的原因主要有兩點(diǎn)。

（1）空調(diào)系統(tǒng)控制模式。該小區(qū)使用地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)，供冷和供熱時(shí)間均有合同規(guī)定，且系統(tǒng)機(jī)房設(shè)備的啟閉由小區(qū)物業(yè)來(lái)執(zhí)行，住戶不能自主控制，導(dǎo)致部分住戶自主安裝分體空調(diào)和地板輻射供熱，從而導(dǎo)致地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的使用率較低；

（2）居住人群和生活習(xí)慣的影響。不同人群的生活習(xí)慣和節(jié)能意識(shí)都不同，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)不少居民自主安裝了地板輻射供暖，采用家用燃?xì)忮仩t提供熱源，在熱舒適性方面，地暖末端比地源熱泵系統(tǒng)的末端風(fēng)機(jī)盤管更有優(yōu)勢(shì)的，且每月燃?xì)赓M(fèi)用和使用地源熱泵費(fèi)用相比增加并不多。

就本項(xiàng)目使用地源熱泵中央空調(diào)系的排別墅，建議各家各戶安裝獨(dú)立的輸配水泵，住戶不僅可自主控制地源熱泵空調(diào)的開(kāi)啟，還能降低系統(tǒng)水泵能耗；同時(shí)合理制定空調(diào)的使用費(fèi)，增加住戶對(duì)地源熱泵中央空調(diào)的開(kāi)啟使用率，從而提高系統(tǒng)性能系數(shù)。

4 結(jié)論

（1）測(cè)試期間，不論工作日和非工作日，地源側(cè)供水溫度較穩(wěn)定，均為16.6℃；且用戶側(cè)供水溫度和溫差也趨于穩(wěn)定。

（2）采用系統(tǒng)COPs和機(jī)組COP可反映地源熱泵系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果，分析結(jié)果可見(jiàn)：冬供熱時(shí)，工作日和非工作日熱泵機(jī)組COP分別為3.4 和3.5，而系統(tǒng)COPs值分別為2.5和2.6。

（3）地源熱泵系統(tǒng)能效較低，這可能是因?yàn)橄到y(tǒng)集中控制模式不合理，導(dǎo)致人們生活用能習(xí)性發(fā)生變化，從而使得地源熱泵系統(tǒng)負(fù)荷使用率較低；同時(shí)輸配水泵全天24小時(shí)連續(xù)定頻運(yùn)行，不必要能耗占比較大，存在節(jié)能優(yōu)化空間，建議可采用各家各戶安裝獨(dú)立輸送水泵的方式來(lái)提高能效。

參考文獻(xiàn)

［1］譚洪衛(wèi)，胡依峰，雷勇，等.獨(dú)棟住宅土壤源熱泵系統(tǒng)冬季供暖實(shí)證研究［J］.建筑科學(xué)，2013，29（6）.

［2］陳焰華，胡平放，雷飛，等.武漢地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行測(cè)試與分析［J］.暖通空調(diào)，2009，39（6）.

［3］張建忠.江蘇省地源熱泵技術(shù)在住宅中的應(yīng)用［J］.特別關(guān)注.

［4］徐輝.夏熱冬冷地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性分析［D］.江蘇：揚(yáng)州大學(xué)，2014.

夏嬋：（1988-），女，碩士研究生，助理工程師。

Fund item： Science and Technology Committee of Shanghai Scientific Research Topic：Groudn Source Heat Pump Technology Appplication Effect Analysis and Evaluation Index Research （14DZ12012002）

Surveillance and Analysis of Ground Source Heat Pump System in Winter Operation Effect at some Shanghai Row-House

Xia Chan， Bu Zheng Shanghai Architectural Science Research Institute

Abstract：The article carries out surveillance and analysis of ground source heat pump system winter operation effect at some Shanghai row-house compound. The result shows that this system has low operation energy efficiency. It figures out unreasonable system control mode with transportation and distribution system design through deepening analysis， which could result in unnecessary high water pumps energy consumption when low load in winter according to people living habits changes. There is still some energy saving and optimization possibilities.

Key words：Ground Source Heat Pump， Living Habits， Working Days， Non-Work Days， COP，Transportation and Distribution System

基金項(xiàng)目：上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃課題：地源熱泵技術(shù)應(yīng)用效果分析及評(píng)價(jià)指標(biāo)研究（14DZ12012002）

DOI：10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.05.004

［作者簡(jiǎn)介］