地埋管地源熱泵系統(tǒng)在上海的應(yīng)用已經(jīng)有十多年的歷史。針對上海冷負(fù)荷一般大于熱負(fù)荷的氣候特征，為保證土壤的熱平衡，近年來上海地區(qū)地源熱泵建筑應(yīng)用多為復(fù)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如地源熱泵+冷卻塔、地源熱泵+空氣源熱泵、地源熱泵+冷水機(jī)組/冷卻塔等。復(fù)合系統(tǒng)運(yùn)行相對復(fù)雜，需要緊密結(jié)合建筑設(shè)備管理系統(tǒng)、能耗系統(tǒng)等，定期調(diào)整和改變系統(tǒng)的運(yùn)行策略，對物業(yè)管理人員提出了更高的要求。同時(shí)，博物館建筑的負(fù)荷特性相對于其他常規(guī)建筑也有較大差異：人員密度高且變化率大，內(nèi)區(qū)數(shù)量多、展品要求高等。因此該類型建筑采用地源熱泵系統(tǒng)可參考的項(xiàng)目數(shù)量少且系統(tǒng)運(yùn)行相對復(fù)雜。

本文通過對某博物館項(xiàng)目復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出系統(tǒng)運(yùn)行的問題，提出解決策略，以期為其他類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。

1 項(xiàng)目概述

上海某博物館項(xiàng)目建筑面積約 4.5 萬 m2，2014 年 12月竣工，2015 年 4 月試運(yùn)行，年接待參觀人數(shù) 200 萬人次以上。該項(xiàng)目采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)提供 100% 的展廳熱負(fù)荷和 40% 的冷負(fù)荷，其余冷負(fù)荷由螺桿冷水機(jī)組+冷卻塔提供，并設(shè)置 2 臺冷卻塔為地源熱泵機(jī)組備用。設(shè)備參數(shù)詳見表1 和表2。

表1 冷熱源機(jī)組系統(tǒng)參數(shù)

表2 冷卻塔參數(shù)

地源側(cè)換熱采用灌注樁埋管與地下連續(xù)墻埋管(外圍地下連續(xù)墻和地鐵連續(xù)墻)兩種形式。其中：灌注樁埋管 393個(gè)，有效深度 45 m；外圍地下連續(xù)墻內(nèi)埋管總計(jì) 266 個(gè)，有效深度 34～38 m；地鐵連續(xù)墻內(nèi)埋管 186 個(gè)，有效深度 18 m。

為了最大限度地體現(xiàn)可再生能源的節(jié)能效果，在制熱季節(jié)全部采用地源熱泵系統(tǒng)，制冷季節(jié)根據(jù)負(fù)荷大小首選地源熱泵機(jī)組。在地源熱泵機(jī)組無法滿足的情況下，開啟冷水機(jī)組，詳見圖1。

圖1 機(jī)組開機(jī)策略

2 月典型日地源熱泵 1 號機(jī)組運(yùn)行時(shí)間為 8∶00～17∶00，

由圖1 可知，在過渡季節(jié)(5 月、9 月、10 月)基本以地源熱泵機(jī)組為主，在 7 月、8 月冷負(fù)荷高峰期需地源熱泵機(jī)組和冷水機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行。

項(xiàng)目設(shè)置了較為完備的建筑設(shè)備管理系統(tǒng)，對機(jī)組冷凝側(cè)和蒸發(fā)側(cè)的供回水溫度、地源側(cè)供回水溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并定期存儲數(shù)據(jù)。

2 運(yùn)行實(shí)測數(shù)據(jù)

2.1 機(jī)組蒸發(fā)/冷凝側(cè)進(jìn)/出水溫度分析

分別選取冬季最冷的 3 個(gè)月(12 月、1 月、2 月)各月典型日機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)/出水溫度及夏季最熱 3 個(gè)月(6 月、7月、8 月)各月典型日機(jī)組冷凝器進(jìn)/出水溫度進(jìn)行分析。

12 月典型日地源熱泵 1 號機(jī)組運(yùn)行時(shí)間為 8∶00～15∶00，連接地源側(cè)的蒸發(fā)器進(jìn)/出水溫度 17.5/14 ℃ 左右，進(jìn)/出水溫差約為 3.5 K；地源熱泵 2 號機(jī)組不運(yùn)行。12 月詳細(xì)數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 12 月典型日機(jī)組冷凝器進(jìn)/出水溫度

1 月典型日地源熱泵 2 號機(jī)組運(yùn)行時(shí)間為 8∶00～17∶00，連接地源側(cè)的蒸發(fā)器進(jìn)/出水溫度為 20/15 ℃ 左右，進(jìn)出水溫差約為 5 K ；地源熱泵 1 號機(jī)組不運(yùn)行。1月詳細(xì)數(shù)據(jù)見圖3。連接地源側(cè)的蒸發(fā)器進(jìn)/出水溫度為 18.5/15 ℃ 左右，進(jìn)/出水溫差約為 3.5 K；地源熱泵 2 號機(jī)組不運(yùn)行。2 月詳細(xì)數(shù)據(jù)見圖4。

圖3 1 月典型日機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)/出水溫度

圖4 2 月典型日機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)/出水溫度

6 月典型日冷水機(jī)組 2 號運(yùn)行時(shí)間為 8∶00～17∶00，冷凝器側(cè)進(jìn)/出水溫度為 30/36 ℃，進(jìn)/出水溫差約為 6 K；冷水機(jī)組 1 號不運(yùn)行；地源熱泵 2 號機(jī)組運(yùn)行時(shí)間為0∶00～8∶00，17∶00～24∶00，連接地源側(cè)的機(jī)組冷凝器進(jìn)/出水溫度為 33～34/36～38 ℃，進(jìn)/出水溫差為 4～5 K；地源熱泵 1 號機(jī)組不運(yùn)行。6 月詳細(xì)數(shù)據(jù)見圖5、圖6。

圖5 6 月典型日冷水機(jī)組 2 號冷凝器進(jìn)/出水溫度

7 月典型日冷水機(jī)組 2 號運(yùn)行時(shí)間為 8∶00～17∶00，冷水機(jī)組 1 號運(yùn)行時(shí)間 10∶00～17∶00，冷凝器側(cè)進(jìn)/出水溫度 29/34 ℃，進(jìn)/出水溫差約為 5 K；地源熱泵 1 號機(jī)組夜間運(yùn)行，連接地源側(cè)的機(jī)組冷凝器進(jìn)/出水溫度 37/42℃，進(jìn)/出水溫差約為 5 K；地源熱泵 2 號機(jī)組不運(yùn)行。7月詳細(xì)數(shù)據(jù)見圖7、圖8、圖9。

圖6 6 月典型日地源熱泵 2 號冷凝器進(jìn)/出水溫度

圖7 7 月典型日冷水機(jī)組 2 號冷凝器進(jìn)/出水溫度

圖8 7 月典型日冷水機(jī)組 1 號冷凝器進(jìn)/出水溫度

圖9 7 月典型日地源熱泵 1 號冷凝器進(jìn)/出水溫度

8 月典型日冷水機(jī)組 1 號和 2 號的運(yùn)行時(shí)間為 8∶00～17∶00，冷凝器側(cè)進(jìn)出水溫度為 28/32 ℃、28/33 ℃，進(jìn)出水溫差為 4～5 ℃；地源熱泵 1 號機(jī)組不運(yùn)行，地源熱泵 2號機(jī)組全天 24 h運(yùn)行，連接地源側(cè)的機(jī)組冷凝器進(jìn)出水溫度夜間為 40～44 ℃，白天為 39～43 ℃，進(jìn)出水溫差約為4 K。8 月詳細(xì)數(shù)據(jù)見圖10、圖11、圖12。

圖10 8月典型日冷水機(jī)組 1 號冷凝器進(jìn)/出水溫度

圖11 8月典型日冷水機(jī)組 2 號冷凝器進(jìn)/出水溫度

圖12 8 月典型日地源熱泵 2 號冷凝器進(jìn)/出水溫度

由圖2～圖12 的數(shù)據(jù)可知：① 在制熱季時(shí)，12 月開啟一臺地源熱泵機(jī)組，地源側(cè)進(jìn)出水溫差約為 3.5 K；1 月開啟一臺地源熱泵機(jī)組，地源側(cè)進(jìn)出水溫差約為 5 K；2 月開啟一臺地源熱泵機(jī)組，熱負(fù)荷降低，地源側(cè)進(jìn)出水溫差降為 3.5 K。② 在制冷季時(shí)，6 月冷水機(jī)組和地源熱泵機(jī)組各開一臺，冷水機(jī)組冷凝側(cè)進(jìn)出水溫差為 6 K，地源機(jī)組地源側(cè)進(jìn)出水溫差最大為 5 K；7 月冷負(fù)荷逐步進(jìn)入高峰期，白天需兩臺冷水機(jī)組全開，機(jī)組冷凝側(cè)進(jìn)出水溫差約 5 K，夜間開啟一臺地源熱泵機(jī)組，機(jī)組冷凝側(cè)進(jìn)出水溫差為 5 K，但出水溫度高達(dá) 42 ℃； 8 月冷負(fù)荷仍舊處于高峰期，白天兩臺冷水機(jī)組全開，冷凝側(cè)進(jìn)出水溫差為 4～5 K，夜間開啟一臺地源熱泵機(jī)組，機(jī)組冷凝側(cè)進(jìn)出水溫差為 4 K，出水溫度最高達(dá)到 44 ℃。

結(jié)合以上實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和現(xiàn)場調(diào)研得知，由于上海地區(qū)濕度大，且有黃梅天氣，為防止展品發(fā)霉，夏季較長時(shí)間均需要 24 h 開啟空調(diào)制冷。由于夜間負(fù)荷相對較低，因此夜間以地源熱泵系統(tǒng)為主。白天根據(jù)負(fù)荷情況，以冷水機(jī)組為主，或冷水機(jī)組和地源熱泵機(jī)組搭配運(yùn)行。

由于本項(xiàng)目場館大部分位于地下(地上面積 1.2 萬 m2，地下面積 3.3 萬 m2)，且內(nèi)區(qū)很大，因此冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷較小。再加上人員、燈光等的散熱，通常只需要開啟一臺地源熱泵機(jī)組即可滿足需求。此外，地源熱泵機(jī)只需要在白天場館開放時(shí)開啟，休息日和夜間可關(guān)閉，開啟時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于夏季。

2.2 地埋側(cè)取放熱平衡分析

依據(jù)整個(gè)空調(diào)季的運(yùn)行情況可以發(fā)現(xiàn)，場館的熱需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于冷需求。盡管在設(shè)計(jì)中已經(jīng)考慮了復(fù)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即用冷水機(jī)組+冷卻塔系統(tǒng)來調(diào)整峰值負(fù)荷，但由于運(yùn)行時(shí)間相差懸殊(夏季部分時(shí)間 24 h，冬季 8～9 h)，很可能導(dǎo)致向地下的取放熱不平衡。

從 2015～2016 年地埋管取放熱熱量表監(jiān)測數(shù)據(jù)可看出，地埋管夏天的排熱量約為冬天取熱量的 4 倍。另外，供回水溫度的年變化趨勢也可以說明此點(diǎn)。從 2015 年 3月～2017年 4 月地埋側(cè)各年出水溫度和回水溫度中選取12∶00 這一時(shí)刻的數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)出水溫度和回水溫度都有一個(gè)逐年升高的趨勢。冬季，2016 年出水溫度比 2017 年出水溫度低大約 4 K；夏季，2015 年出水溫度比 2016 年出水溫度低 2～5 K 不等?；厮疁囟纫灿邢嗨频囊?guī)律。

2.3 用電量分析

此項(xiàng)目設(shè)置了詳細(xì)的用電計(jì)量系統(tǒng)，圖13、圖14 分別為 2015 年和 2016 年的分項(xiàng)能耗情況。

圖13 2015 年逐月用電量

圖14 2016 年逐月用電量

從圖13、圖14 可以看出，夏季 8 月份空調(diào)能耗最高；冬季 1 月能耗最高，但冬季最高空調(diào)能耗僅為夏季最高空調(diào)能耗的 1/3 左右。

3 運(yùn)行策略調(diào)整

以上分析結(jié)果證明了地源熱泵機(jī)組在冬季的節(jié)能優(yōu)勢。但同時(shí)，由于大型博物館建筑展品的特殊需求，夏季空調(diào)需24 h 開啟，這是設(shè)計(jì)階段未預(yù)料到的，因此實(shí)際運(yùn)行過程中冬、夏季累計(jì)負(fù)荷相差懸殊，也給地源熱泵系統(tǒng)的熱平衡和系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大的挑戰(zhàn)。這說明地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行策略需根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整，而非按照一個(gè)原則常年不變。

項(xiàng)目在后續(xù)夏季運(yùn)行期已改變運(yùn)行策略，以保證熱平衡為首要原則，減少地源熱泵系統(tǒng)夏季的運(yùn)行時(shí)間。必要時(shí)啟動備用冷卻塔，逐步調(diào)整地埋側(cè)的取放熱，并密切關(guān)注地埋側(cè)供回水溫等監(jiān)測數(shù)據(jù)，使得土壤取放熱逐漸趨于平衡，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的高效性和長期有效性。

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