宋 偉 張厚安 張華北 陳翔燕 劉 誠

(1.北方工業(yè)大學土木工程學院，100144，北京； 2.江蘇盛世節(jié)能科技股份有限公司，222000，連云港)

我國建筑能耗隨社會發(fā)展逐年增加，已超過我國總能耗的30%，而空調(diào)能耗在建筑能耗中占比約為30%～60%.[1]土壤源熱泵系統(tǒng)因其經(jīng)濟、高效、節(jié)能、環(huán)保等特點得到業(yè)內(nèi)人士的一致好評，但土壤源熱泵系統(tǒng)在我國的應用起步較晚，系統(tǒng)在設計和施工方面也在逐步完善. 系統(tǒng)在設計階段，大多僅考慮系統(tǒng)運行的可行性，對數(shù)據(jù)監(jiān)測及運行維護等方面的重視有待加強. 系統(tǒng)在施工階段，由于初投資較大，大多在安裝控制器和監(jiān)測器等方面節(jié)約成本. 不完善的自控設備導致機組啟停策略不合理，進而加大了系統(tǒng)能耗.[2]因此我國真正實現(xiàn)土壤源熱泵系統(tǒng)在實際工程中的高效節(jié)能，現(xiàn)階段仍需深入研究.

對于土壤源熱泵系統(tǒng)，近年來隨著研究的逐漸深入，對土壤源熱泵系統(tǒng)初投資、自控能力和運行策略等方面的關注也越來越多. 王松慶針對嚴寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)運行策略不合理的問題，提出了負荷域法和時間域法兩種運行策略，提高了土壤源熱泵系統(tǒng)運行的可靠性.[3]許本亮針對土壤源熱泵系統(tǒng)初投資過大的問題，提出采用土壤源熱泵系統(tǒng)與其他空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合運行的策略.[4]曹金龍針對土壤源熱泵系統(tǒng)控制不科學的問題，設計出一種變頻器，以此來控制循環(huán)水的流量，并以某單位機關大樓為例，得出安裝該變頻器后每半年可節(jié)約電費4 779.2元.[5]歐陽長文針對土壤源熱泵系統(tǒng)在運行時出現(xiàn)熱堆積的現(xiàn)象，提出夜間冷卻塔運行策略和夜間熱泵制熱工況運行策略，并通過模擬發(fā)現(xiàn)夜間熱泵制熱工況運行策略可有效解決此問題.[6]李元旦通過分析土壤源熱泵冬季工況系統(tǒng)COP和壓縮機COP，得出系統(tǒng)要獲得更好的節(jié)能效果，必須減少循環(huán)泵和風機等設備的能耗.[7]

為進一步開展對土壤源熱泵系統(tǒng)能耗的研究，本文以江蘇省某土壤源熱泵系統(tǒng)為例，經(jīng)過現(xiàn)場測試和調(diào)研，采用實測調(diào)查法對該系統(tǒng)2016—2017年的室外溫度、運行機組數(shù)量和總耗電量進行統(tǒng)計并分析，找出影響系統(tǒng)能耗的關鍵原因，并結合系統(tǒng)設備調(diào)查情況給出改造建議.

1 調(diào)查對象概況及內(nèi)容

1.1 建筑概況

該項目主樓地上20層，地下2層，建筑面積49 016.83 m2，主要用于辦公和科研工作；夏季最大負荷為2 585 kW，冬季最大負荷為1 395 kW. 副樓為圖書館，地上3層，地下1層，建筑面積13 116.16 m2.

1.2 土壤源熱泵系統(tǒng)概況

表1給出該土壤源熱泵系統(tǒng)主要設備情況，其中夏季采用3臺土壤源熱泵機組和1臺冷水螺桿機組聯(lián)合供冷，供回水溫度為7/12 ℃，冬季集中熱源為3臺地源熱泵機組，供回水溫度為45/40 ℃. 冷凍水泵共有5臺，其中#1、#2、#3水泵供應主樓，采用變頻控制，#4、#5水泵供應圖書館，采用定頻控制. 地源側冷卻水泵共有4臺，其中#6、#7水泵采用變頻控制，#8、#9水泵采用定頻控制. 此外系統(tǒng)補水水泵2臺，冷卻塔1臺(含冷卻風扇2臺與冷卻水泵1臺)均未采用變頻控制. 末端為風機盤管加新風系統(tǒng)進行室內(nèi)溫度控制，其系統(tǒng)如圖1所示.

表1 土壤源熱泵系統(tǒng)主要設備參數(shù)

1.3 調(diào)查內(nèi)容

土壤源熱泵系統(tǒng)能耗的調(diào)查方法較多，其中設表實測法是通過在系統(tǒng)上設置電表來精準的測量耗電量，該調(diào)查方法因其誤差較小常作為其他方法的對照基準，因此本文采用該方法采集2016年和2017年系統(tǒng)的逐日耗電量. 由于室外溫度直接影響建筑物的負荷，進而影響機組運行數(shù)量，因此本文統(tǒng)計2016年和2017年逐日室外溫度和機組運行數(shù)量，并分析室外溫度對機組運行數(shù)量和耗電量的影響. 同時對系統(tǒng)設備進行現(xiàn)場調(diào)查，最終對機組啟停策略進行合理性評估.

2 調(diào)查結果及分析

2.1 室外溫度情況的調(diào)查及分析

圖2比較了2016、2017年部分采暖季(1月—3月)和部分空調(diào)季(6月—8月)的室外平均溫度. 在采暖季中，2016年1月室外平均溫度最低，僅為0.3 ℃，2017年1月平均溫度為2.3 ℃，同比上升2.0 ℃；在空調(diào)季中，2016年8月室外平均溫度最高為27.1 ℃，2017年7月平均溫度最高為29.8 ℃，同比上升2.7 ℃. 由此可見，該地區(qū)每年每月的室外溫度都不盡相同，1月與7月相差較大.

2.2 系統(tǒng)能耗情況的調(diào)查及分析

表2給出了該系統(tǒng)2016年和2017年機組開啟日期和耗電情況，系統(tǒng)單位面積年電耗在2016年與2017年分別為16.82 kW·h/m2、17.66 kW·h/m2，與江蘇地區(qū)某11棟辦公建筑統(tǒng)計得出的單位面積年電耗(10.12～38.72 kW·h/m2)相比相對較低[8]，由此可以看出土壤源熱泵系統(tǒng)與其他空調(diào)系統(tǒng)相比在節(jié)能方面有很大優(yōu)勢，但仍有提升空間. 圖3、圖4給出了2016、2017部分采暖季(1月—3月)和部分空調(diào)季(6月—8月)的室外平均溫度、機組開啟數(shù)量和耗電量的對比情況. 從圖中可以看出：

1)該系統(tǒng)當日耗電量與當日機組開啟數(shù)量呈正相關，且二者在采暖季隨室外溫度的降低而升高，在空調(diào)季隨室外溫度的升高而升高. 這是由于室外溫度決定著建筑物冷/熱負荷，系統(tǒng)根據(jù)建筑物的負荷調(diào)整機組開啟數(shù)量，而機組開啟的數(shù)量直接影響著系統(tǒng)得總耗電量，因此合理控制機組開啟數(shù)量對于降低土壤源熱泵系統(tǒng)總能耗尤為重要.

2)整個系統(tǒng)當日耗電量差別較大，低峰時段僅有約2 000 kW·h，高峰時段可達約11 000 kW·h，這是由于該系統(tǒng)耗電量受機組開啟數(shù)量、機組開啟時間、系統(tǒng)設備情況、室外溫度等多重原因影響，因此出現(xiàn)當日耗電量差別很大的情況.

3)2016年的6個月中，系統(tǒng)耗電高峰期出現(xiàn)在1月；2017年的6個月中，系統(tǒng)耗電高峰期出現(xiàn)在8月. 這是由于在2016年1月出現(xiàn)當日室外最低溫度低于-10 ℃的情況，為避免室內(nèi)溫度太低而導致管道結凍，需要24小時不間斷的開啟機組，因此當日耗電量遠大于其他日期的耗電量. 而2017年副樓圖書館在5月22日時投入使用，8月又出現(xiàn)室外溫度高達38 ℃的情況，因此加大了2017年8月的系統(tǒng)耗電量.

表2 2016—2017年該系統(tǒng)能耗情況

2.3 機組啟停情況的調(diào)查和分析

將2016年部分供暖季與部分空調(diào)季室外溫度每5 ℃劃分一個區(qū)間，觀察機組開啟數(shù)量的情況，從圖5、圖6可以看出，在2016年部分供暖季當日室外最低溫度在-10～-5 ℃和-5～0 ℃的溫度區(qū)間范圍內(nèi)，出現(xiàn)了3種機組開啟數(shù)量的情況，而2016年部分空調(diào)季當日最高溫度在30～35～35 ℃以上的溫度區(qū)間也出現(xiàn)了相同的情況，表明該系統(tǒng)對機組啟停數(shù)量的控制未根據(jù)建筑物負荷的變化而改變. 當日開啟一臺機組的耗電量約為2 400 kW·h，而開啟兩臺機組的耗電量約為3 200 kW·h，由此可見，手動啟停機組會直接導致機組開啟數(shù)量偏多進而使系統(tǒng)耗電量增加.

表3可以看出2016年1月18日—24日該系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，1月18日—22日室外最低溫度均高于-10 ℃，1月23日和24日的室外溫度最低，達到-13 ℃，而該系統(tǒng)在1月18日就提前開啟了3臺機組，并且在23日、24日為防止管道結凍全天24小時開啟3臺機組，導致系統(tǒng)耗電量較高. 但是即使在室外溫度較低的情況下，由于夜間建筑物內(nèi)無工作人員，應適當減少機組開啟數(shù)量，僅使室內(nèi)溫度達到管道不會結凍即可.

通過上述調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)主機沒有明確的自動啟停策略，仍以人工手動的啟停操作為主，導致存在24小時滿機組運行和機組開啟數(shù)量對室外溫度變化反應延遲等問題，無法有效降低系統(tǒng)能耗.

表3 2016年空調(diào)季部分運行數(shù)據(jù)

2.4 系統(tǒng)設備情況的調(diào)查及分析

該系統(tǒng)在設備安裝時有約一半的水泵、冷卻風機沒有安裝變頻器，地源側、冷卻塔、空調(diào)側等，也未安裝供回水溫度的監(jiān)測器，部分安裝的監(jiān)測器也無法自動保存監(jiān)測數(shù)據(jù)，無法即時反饋有效的能耗信息. 表4給出了該系統(tǒng)2016年和2017年空調(diào)機房設備維修情況.

表4 系統(tǒng)維修情況

結合現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)長時間啟停同一臺機組，且沒有明確的啟停策略，導致系統(tǒng)機組經(jīng)常由于馬達線圈溫度過高或油系統(tǒng)堵塞等原因發(fā)生故障. 水泵處由于沒有安裝變頻器，系統(tǒng)實際工作壓力經(jīng)常大于設計工作壓力，導致水泵的進出水橡膠軟接多次起鼓、止回閥多次損壞.

3 節(jié)能改造建議

雖然該土壤源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比在節(jié)能、環(huán)保等方面有很大優(yōu)勢，但是由于初投資過大，在前期設計和施工階段為了降低成本未完善系統(tǒng)自控設備和機組啟停策略，導致該系統(tǒng)在實際運行中還遺留著一些問題，因此對該系統(tǒng)自控設備和運行策略等方面提出了改造建議和優(yōu)化措施，主要有以下2個方面：

1)系統(tǒng)設備優(yōu)化. 將系統(tǒng)地源側、冷卻塔、空調(diào)側的水泵和風機加裝變頻器，加強該系統(tǒng)各設備間的聯(lián)動配合. 對供回水管道和房間內(nèi)的監(jiān)測器進行完善，實現(xiàn)供回水管道和房間在溫度上的即時監(jiān)測、記錄與反饋. 定期通過記錄的運行數(shù)據(jù)，檢查系統(tǒng)的運行狀況，通過監(jiān)測器與控制器的反饋信息，定期檢查設備故障以及性能衰減情況，對于老化或損壞的設備及時進行調(diào)節(jié)、校準和更換，以便于更精準的調(diào)控整個系統(tǒng).

2)機組啟停策略優(yōu)化. 綜合該系統(tǒng)運行條件，設計出一種根據(jù)實時建筑室內(nèi)溫度和供水溫度來控制機組啟停的優(yōu)化策略. 采暖季機組啟停原理如圖7所示，機組開啟數(shù)量根據(jù)即時空調(diào)房間平均溫度和機組供水溫度的反饋信息進行增減機組調(diào)節(jié)，在滿足室內(nèi)溫度要求的情況下，盡量減少機組的開啟數(shù)量. 同時，在建筑物無人員的時間，設置房間最低溫度，防止管道結凍；空調(diào)季啟停原理如圖8所示，由于無須考慮管道結凍的問題，因此在夜間等建筑內(nèi)無人員的時間關閉所有機組.

4 結論

為了進一步降低土壤源熱泵系統(tǒng)的能耗，對某研發(fā)大廈土壤源熱泵系統(tǒng)進行能耗調(diào)查與現(xiàn)場調(diào)研，統(tǒng)計了該土壤源熱泵系統(tǒng)2016年與2017年的室外溫度、機組開啟數(shù)量和系統(tǒng)耗電量數(shù)據(jù)，分析了三者之間的關系，并調(diào)查了該系統(tǒng)設備使用情況. 得出該系統(tǒng)有以下特點，并根據(jù)特點給出節(jié)能改造建議.

該系統(tǒng)機組未能根據(jù)室外溫度與建筑負荷的變化進行合理啟停. 機組開啟數(shù)量直接影響系統(tǒng)總能耗，不合理的機組啟停策略導致系統(tǒng)總能耗較高，2016、2017年該系統(tǒng)單位面積年電耗分別達到16.82 kW·h/m2、17.66 kW·h/m2. 系統(tǒng)在前期設計和施工時，為降低初投資，系統(tǒng)設備控制器和監(jiān)測器安裝不足，有效的能耗信息不能得到及時的反饋.

節(jié)能改造建議：1)將系統(tǒng)水泵和風機全部加裝變頻器，加強該系統(tǒng)各設備間的聯(lián)動配合. 2)對供回水管道和房間上的監(jiān)測器進行完善，實現(xiàn)對房間和供回水管道溫度的實時監(jiān)測. 3)通過房間溫度和供水溫度的反饋信息設計出了一種新的機組啟停策略，機組能夠在采暖季和空調(diào)季通過實時反饋的溫度信息合理控制開啟數(shù)量，實現(xiàn)在建筑物有人員時，以最少的機組開啟數(shù)量滿足室內(nèi)熱舒適要求，并且在供暖季建筑物無人員時，以最少的機組運行數(shù)使管道不結凍，以此實現(xiàn)降低系統(tǒng)能耗的效果.