鄧杰文 王 成 李 科 李 敏 張 威 劉立軍 段 毅 趙興海 周 添 劉加根1, 魏慶芃

(1.清華大學(xué),北京;2.北京城市副中心站綜合樞紐建設(shè)管理有限公司,北京;3.北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司,北京;4.清華大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司,北京)

0 引言

中深層地埋管熱泵供熱技術(shù)通過間壁式換熱的方式提取地下2～3 km中深層地?zé)崮?地面結(jié)合熱泵供熱系統(tǒng)為建筑物供熱[1]。已有工程表明,因地?zé)岬刭|(zhì)條件不同,以及運行參數(shù)的區(qū)別,單根2 500 m中深層地埋管瞬時取熱量可達(dá)到250～400 kW[1],熱泵系統(tǒng)供熱季綜合能效達(dá)到5.0以上,實現(xiàn)了高效穩(wěn)定供熱[2]。與此同時,相關(guān)學(xué)者對中深層地埋管換熱特性開展了深入研究,結(jié)果表明,地?zé)釛l件、設(shè)計及運行參數(shù)對其換熱性能有顯著影響[3-5]。由此可見,得益于更高品位的低溫?zé)嵩?中深層地埋管熱泵供熱系統(tǒng)實現(xiàn)了可再生能源高效低碳供熱[6]。

但另一方面,由于該技術(shù)取熱點深,對于不同的地?zé)岬刭|(zhì)條件,單根2 500 m中深層地埋管造價可達(dá)(300～500)萬元,較傳統(tǒng)淺層地埋管偏高;此外,由于中深層地?zé)釡囟容^高,使得該技術(shù)難以滿足供冷需求。針對上述問題,相關(guān)研究從中深層地埋管的深度轉(zhuǎn)換[7]、與淺層地埋管聯(lián)合運行[8]等方面展開了研究,以期兼顧冷熱供應(yīng)需求,提高該技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益,擴(kuò)大應(yīng)用范圍,但較高的建設(shè)成本仍然不利于該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

因此,在項目規(guī)劃階段需要從經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)能環(huán)保效益等方面進(jìn)行綜合考量,確定中深層地埋管建設(shè)數(shù)量。但對于新建項目,特別是在缺乏參考項目的區(qū)域,如何明確中深層地埋管取熱能力,以及熱泵系統(tǒng)運行性能,對項目設(shè)計至關(guān)重要。因此,本文提出了中深層地埋管熱泵供熱系統(tǒng)測試平臺及測試方法,并應(yīng)用到我國北方寒冷地區(qū)新建項目中,開展現(xiàn)場測試。通過高負(fù)荷、部分負(fù)荷等多工況測試,明確中深層地埋管取熱特性及熱泵機(jī)組供熱特性,為項目規(guī)劃設(shè)計及技術(shù)的推廣應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 測試平臺與測試方法分析

1.1 測試平臺搭建

測試項目位于我國北方寒冷地區(qū),全年平均氣溫12.5 ℃,供暖季為11月15日至次年3月15日。由于中深層地埋管熱泵供熱技術(shù)是首次應(yīng)用于該地區(qū),因此在項目規(guī)劃階段率先建設(shè)1根埋深2 750 m的中深層地埋管。該中深層地埋管采用套管結(jié)構(gòu),設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 中深層地埋管設(shè)計參數(shù)

與此同時,項目團(tuán)隊搭建了中深層地埋管及熱泵系統(tǒng)運行性能測試平臺,以探究該技術(shù)在當(dāng)?shù)氐膶嶋H運行效果與特性,從而更好地指導(dǎo)項目能源系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計。如圖1所示,測試平臺由1根2 750 m中深層地埋管、1臺板式換熱器、1臺熱泵機(jī)組、1臺閉式冷卻塔,以及冷凝側(cè)、蒸發(fā)側(cè)、熱源側(cè)的相應(yīng)水系統(tǒng)組成。測試平臺實物圖見圖2。

1.閉式冷卻塔;2.調(diào)節(jié)閥A;3.冷凝側(cè)水泵;4.熱泵機(jī)組;5.蒸發(fā)側(cè)水泵;6.板式換熱器;7.調(diào)節(jié)閥B;8.熱源側(cè)水泵;9.中深層地埋管。圖1 測試平臺系統(tǒng)示意圖

圖2 測試平臺實物圖

如前所述,中深層地埋管換熱性能受循環(huán)流量與進(jìn)水溫度共同影響,為實現(xiàn)2個運行參數(shù)的獨立控制,測試平臺設(shè)置板式換熱器將中深層地埋管與熱泵機(jī)組蒸發(fā)器解耦,即可通過熱源側(cè)水泵變頻單獨調(diào)節(jié)中深層地埋管循環(huán)流量;同時通過調(diào)節(jié)熱泵機(jī)組制熱量改變中深層地埋管進(jìn)水溫度,以滿足取熱需求;閉式冷卻塔作為熱泵機(jī)組冷凝側(cè)排熱設(shè)備以營造系統(tǒng)供熱環(huán)境;而調(diào)節(jié)閥A、B則分別用以調(diào)節(jié)冷卻側(cè)排熱量與熱源側(cè)取熱量。關(guān)鍵設(shè)備額定參數(shù)見表2。

表2 測試平臺關(guān)鍵設(shè)備額定參數(shù)

測試過程中,項目團(tuán)隊對系統(tǒng)熱源側(cè)、蒸發(fā)側(cè)、冷凝側(cè)的供回水溫度、循環(huán)流量、水壓,以及熱泵機(jī)組、水泵、冷卻塔運行功率開展持續(xù)監(jiān)測,測試儀器相關(guān)情況見表3,數(shù)據(jù)記錄間隔為10 min。此外,熱泵機(jī)組內(nèi)部運行參數(shù),包括蒸發(fā)溫度、冷凝溫度等反映運行狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)可通過熱泵機(jī)組面板監(jiān)測讀數(shù),未設(shè)置記錄功能。

表3 測試儀器相關(guān)參數(shù)

1.2 測試方法分析

結(jié)合測試平臺調(diào)節(jié)能力,熱泵機(jī)組供熱能力的調(diào)節(jié)方式主要包括:1) 調(diào)節(jié)熱泵機(jī)組冷凝側(cè)供水溫度設(shè)定值,供水溫度越高,冷凝側(cè)循環(huán)水經(jīng)冷卻塔與室外空氣的換熱量越大,從而增加熱泵機(jī)組供熱量;2) 調(diào)節(jié)冷凝側(cè)水泵運行頻率從而調(diào)節(jié)循環(huán)流量,流量越大,冷凝側(cè)循環(huán)水經(jīng)冷卻塔與室外空氣的換熱量越大,從而增加熱泵機(jī)組供熱量;3) 調(diào)節(jié)閥門A開度,閥門A開度越大,進(jìn)入冷卻塔的流量越小,則冷凝側(cè)循環(huán)水經(jīng)由冷卻塔與室外空氣的換熱量越小,從而降低熱泵機(jī)組供熱量;4) 調(diào)節(jié)冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率從而調(diào)節(jié)風(fēng)量,風(fēng)量越大,冷凝側(cè)循環(huán)水經(jīng)由冷卻塔與室外空氣的換熱量越大,從而增加熱泵機(jī)組供熱量。

而對于中深層地埋管取熱量,其調(diào)節(jié)方式主要包括:1) 調(diào)節(jié)熱源側(cè)水泵運行頻率從而調(diào)節(jié)循環(huán)流量,流量越大,中深層地埋管取熱量越大;2) 隨著熱泵機(jī)組供熱量的調(diào)節(jié),其蒸發(fā)器取熱量相應(yīng)改變,因而中深層地埋管進(jìn)水溫度相應(yīng)改變以滿足取熱需求;3) 調(diào)節(jié)閥門B開度,閥門B開度越大,熱源水進(jìn)入板式換熱器的流量越小(更多被旁通),為了滿足蒸發(fā)器取熱需求,需降低蒸發(fā)側(cè)循環(huán)水溫,熱泵機(jī)組蒸發(fā)溫度降低,進(jìn)而導(dǎo)致運行性能降低,此時在相同供熱量下,熱泵機(jī)組壓縮機(jī)電功率增加,蒸發(fā)器從中深層地埋管取熱需求減少。

1.3 評價指標(biāo)

為充分分析系統(tǒng)運行性能,采用相關(guān)評價分析指標(biāo)進(jìn)行定量計算與研究。

1) 熱泵機(jī)組供熱量Qc與中深層地埋管取熱量Qg。

Qc=Gccp(tc,s-tc,r)

(1)

Qg=Ggcp(tg,o-tg,i)

(2)

式(1)、(2)中Gc和Gg分別為冷凝側(cè)與熱源側(cè)的循環(huán)流量,kg/s;cp為循環(huán)水比定壓熱容,kJ/(kg·℃);tc,s、tc,r分別為熱泵機(jī)組冷凝側(cè)供水、回水溫度,℃;tg,o、tg,i分別為中深層地埋管出水、進(jìn)水溫度,℃。

2) 中深層地埋管單位長度取熱量。

(3)

式中qa為中深層地埋管單位長度取熱量,W/m;H為中深層地埋管埋深,m,取2 750 m。

3) 熱泵機(jī)組供熱性能系數(shù)。

(4)

式中ηh為熱泵機(jī)組供熱性能系數(shù),該數(shù)值越大表征運行性能越好;Wh為熱泵機(jī)組輸入電功率,kW。

4) 可再生能源利用率。

(5)

式中Rr為可再生能源利用率。

5) 熱源側(cè)水系統(tǒng)輸送系數(shù)。

(6)

其中ηg為熱源側(cè)水系統(tǒng)輸送系數(shù),該數(shù)值越大表征運行性能越好;Wg為熱源側(cè)水泵輸入電功率,kW。

6) 熱泵機(jī)組供熱運行遵循理論逆卡諾循環(huán),其實際供熱性能系數(shù)ηh由理想性能系數(shù)ηh,th與廣義壓縮機(jī)效率ηh,c共同決定。其中ηh,c表征實際運行性能系數(shù)與理論值的差別,受運行工況對應(yīng)壓縮比及負(fù)荷率影響。計算式見式(7)～(9)。

(7)

(8)

ηh,c=f(ΔT,Rh)

(9)

式中Tc、Te分別為冷凝溫度、蒸發(fā)溫度,K;ΔT為冷凝溫度和蒸發(fā)溫度之差,K;Rh為供熱負(fù)荷率。

7) 中深層地埋管循環(huán)壓降。

ΔpD=pi-po

(10)

式中 ΔpD為中深層地埋管循環(huán)壓降,kPa;pi、po分別為進(jìn)、出口循環(huán)壓力,kPa。

8) 熱泵機(jī)組運行遵循熱量守恒原理,即蒸發(fā)器取熱量與壓縮機(jī)輸入電功率之和,應(yīng)等于冷凝器排熱量。考慮到儀器測量誤差與制冷劑流動延遲等因素,實測數(shù)據(jù)應(yīng)滿足式(11)所示的不平衡率校核,方可證明測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,用于后續(xù)分析。

(11)

式中δ為熱泵機(jī)組不平衡率。

內(nèi)部審計是企業(yè)治理結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，為進(jìn)一步提高國內(nèi)企業(yè)內(nèi)部審計企業(yè)工作的執(zhí)行力，內(nèi)部審計需要得到企業(yè)治理結(jié)構(gòu)的支持。當(dāng)前，多數(shù)企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)班子成員主管和分管內(nèi)部審計部門，故難以實現(xiàn)審計工作的獨立開展，尤其是審計企業(yè)及管理層時，更難以保障審計的獨立性。有研究者提出，內(nèi)部審計應(yīng)該歸為監(jiān)事會管理，但是國內(nèi)的企業(yè)監(jiān)事會成員由政府機(jī)構(gòu)指派或者由董事會指派，進(jìn)而影響了監(jiān)事會自身職能的發(fā)揮，故內(nèi)部審計監(jiān)事會管理模式同企業(yè)內(nèi)部需求之間存在矛盾。由于上述原因，我國企業(yè)正在積極地借鑒國外企業(yè)內(nèi)部審計的成功經(jīng)驗，并以此為基礎(chǔ)開展調(diào)查工作，進(jìn)而滿足企業(yè)內(nèi)部審計在權(quán)威性以及獨立性方面的要求。

由于本項目采用冷卻塔模擬建筑供熱需求,且熱源側(cè)采用板式換熱器以便于工況調(diào)節(jié),蒸發(fā)側(cè)水泵、冷凝側(cè)水泵及冷卻塔運行情況與系統(tǒng)實際供熱情況不相同,因此僅分析熱泵機(jī)組、熱源側(cè)水泵及中深層地埋管的運行性能。得益于測試平臺充足的調(diào)節(jié)手段,項目團(tuán)隊對中深層地埋管換熱變工況取熱特性、循環(huán)阻力特性,以及熱泵供熱系統(tǒng)變工況供熱特性進(jìn)行了充分的測試研究。

2 最大供熱及取熱能力測試分析

2.1 地?zé)岬刭|(zhì)條件分析

在中深層地?zé)岬芈窆苁┕み^程中,項目團(tuán)隊對不同深度巖石成分與物性進(jìn)行了采集與分析,并在2 750 m鉆孔成孔后,采用光纖溫度傳感器對巖石溫度分布進(jìn)行了詳細(xì)測試。圖3顯示了鉆孔深度方向巖石初始溫度分布,當(dāng)?shù)?00 m巖層溫度為40 ℃,2 750 m巖層溫度不足60 ℃,整體地溫情況在我國北方地區(qū)處于中等偏低水平。表4給出了不同深度主要巖石組成及其熱物性測試結(jié)果。從表4可以看到,本項目0～2 753 m巖層以白云巖為主,密度達(dá)到2.55 g/cm3,導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到3.55 W/(m·℃),比熱容達(dá)到749 J/(kg·℃)。通過巖層溫度與熱物性實測結(jié)果可以看到,雖然當(dāng)?shù)貛r層溫度并不理想,但得益于良好的巖層導(dǎo)熱性能,通過中深層地埋管換熱的方式提取和利用中深層地?zé)崮芫邆湟欢ǖ目尚行浴?/p>

圖3 鉆孔巖層初始溫度分布

表4 鉆孔不同深度巖石組成及其熱物性

2.2 最大供熱及取熱能力測試分析

針對本項目,業(yè)主提出連續(xù)運行30 d,中深層地埋管取熱量不低于400 kW、熱泵系統(tǒng)供熱量不低于550 kW的系統(tǒng)驗收標(biāo)準(zhǔn)。因此測試平臺搭建完成后,項目于2021年12月27日至2022年2月11日開展為期47 d的高負(fù)荷運行,以滿足驗收要求。

由圖4可以看出:連續(xù)運行測試期間熱泵機(jī)組瞬時供熱量維持在550 kW以上,1月14日提升至接近650 kW,最終穩(wěn)定在600 kW左右;而中深層地埋管連續(xù)運行取熱量維持在400 kW以上,1月14日提升至接近500 kW,最終穩(wěn)定在450 kW左右。連續(xù)運行47 d的數(shù)據(jù)表明,熱泵機(jī)組連續(xù)運行平均供熱量達(dá)到568.0 kW,中深層地埋管連續(xù)運行平均取熱量達(dá)到429.5 kW,單位長度取熱量達(dá)到156.2 W/m,滿足驗收要求。

圖4 高負(fù)荷測試階段系統(tǒng)供熱量與取熱量監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖5顯示了高負(fù)荷測試階段熱源側(cè)、冷凝側(cè)水溫與循環(huán)流量監(jiān)測數(shù)據(jù)?？梢钥吹?連續(xù)運行期間,冷凝側(cè)循環(huán)流量維持在38～45 m3/h之間,平均供、回水溫度分別達(dá)到51.0、38.8 ℃,體現(xiàn)了良好、穩(wěn)定的供熱能力。而中深層地埋管循環(huán)流量由26.7 m3/h逐漸增大至28.0 m3/h。運行初期,中深層地埋管出水溫度達(dá)到30 ℃以上,進(jìn)水溫度達(dá)到20 ℃以上。隨著系統(tǒng)連續(xù)運行,中深層地埋管周圍巖層溫度逐漸降低,進(jìn)出水溫度呈降低趨勢,最終穩(wěn)定在進(jìn)水溫度5.0 ℃、出水溫度18.9 ℃的運行工況。在高負(fù)荷測試的最后15 d,中深層地埋管進(jìn)水溫度僅從5.2 ℃降低并維持在5.0 ℃,出水溫度僅從19.1 ℃降低并維持在18.9 ℃,而瞬時取熱量僅從458.4 kW降低并維持在451.9 kW,表明中深層地埋管周圍巖層溫度衰減緩慢,中深層地埋管取熱運行近似達(dá)到穩(wěn)定水平。

由圖5可以看到,系統(tǒng)運行參數(shù)在1月14日附近出現(xiàn)了顯著變化,這與熱源側(cè)調(diào)節(jié)水閥B動作相關(guān)。在1月14日之前,閥門B自動調(diào)節(jié)開度使得熱泵機(jī)組蒸發(fā)器出水溫度維持在5.0 ℃左右。典型情況見圖6,閥門B開度為90%,此時大部分熱源循環(huán)水旁通,未進(jìn)入板式換熱器與熱泵機(jī)組蒸發(fā)側(cè)循環(huán)水換熱。此時蒸發(fā)側(cè)進(jìn)、出水溫度分別僅為13.7、4.6 ℃,遠(yuǎn)低于熱源側(cè)循環(huán)水溫(進(jìn)水溫度11.0 ℃,出水溫度23.2 ℃)。通過這一方法,使得熱泵機(jī)組供熱量,特別是中深層地埋管取熱量維持在相對穩(wěn)定的水平,平均供熱量達(dá)到542.4 kW,平均取熱量達(dá)到397.3 kW。在這個過程中,中深層地埋管進(jìn)水溫度仍然維持在11.0 ℃以上,證明其尚未達(dá)到最大取熱能力。因此,從1月14日開始,項目團(tuán)隊關(guān)閉調(diào)節(jié)閥B,使得熱源水全部進(jìn)入板式換熱器,與熱泵蒸發(fā)側(cè)循環(huán)水進(jìn)行充分換熱。隨著中深層地埋管進(jìn)水溫度逐漸降低至5.0 ℃,其取熱量與熱泵機(jī)組供熱量得到大幅度提升。自關(guān)閉閥門B開始到高負(fù)荷測試結(jié)束期間,中深層地埋管平均取熱量增大至460.1 kW,熱泵機(jī)組平均供熱量增大至596.4 kW。

注:te,o為蒸發(fā)器出水溫度;te,i為蒸發(fā)器進(jìn)水溫度。圖6 高負(fù)荷測試階段系統(tǒng)運行狀態(tài)

上述變化趨勢和運行模式與建筑供熱需求變化趨勢相當(dāng)。考慮到供熱季中建筑供熱需求也是呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢,而尖峰供熱需求出現(xiàn)時間不超過1個月。因此上述連續(xù)運行47 d的實測結(jié)果證明,該地區(qū)中深層地埋管在24 h連續(xù)運行模式下的設(shè)計取熱量可達(dá)到450 kW,熱泵系統(tǒng)設(shè)計供熱量可達(dá)到600 kW,為項目設(shè)計提供了指導(dǎo)依據(jù)。

圖7 高負(fù)荷測試階段熱泵系統(tǒng)運行性能監(jiān)測數(shù)據(jù)

3 變工況運行性能測試分析

3.1 熱泵機(jī)組運行性能變工況測試

熱泵機(jī)組實際供熱性能受其運行工況直接影響,包括熱泵機(jī)組蒸發(fā)器、冷凝器運行水溫,供熱負(fù)荷率等關(guān)鍵參數(shù)。本項目實測得到熱泵機(jī)組在高負(fù)荷測試階段供熱ηh僅為3.68,但考慮到整個供暖季中尖峰供熱需求出現(xiàn)時間較短,熱泵機(jī)組大部分時間都運行在部分負(fù)荷工況。因此項目團(tuán)隊設(shè)置了3種部分負(fù)荷運行工況,以探究熱泵機(jī)組在部分負(fù)荷下的實際運行性能,明確適用于中深層地埋管多工況高效運行的熱泵機(jī)組所需要具備的特性,從而指導(dǎo)相關(guān)設(shè)備的選擇與運行調(diào)控策略的制定。表5給出了不同工況調(diào)節(jié)方法,可以看到,相比于高負(fù)荷測試階段,工況1、2、3分別將熱泵機(jī)組供水溫度設(shè)定值由55 ℃降低至47、45 ℃,從而模擬部分負(fù)荷工況下降低熱泵機(jī)組供水溫度的設(shè)定。與此同時,通過降低冷凝側(cè)水泵頻率、降低冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率、增大調(diào)節(jié)閥A開度,使得熱泵機(jī)組供熱量逐漸降低,以模擬部分負(fù)荷工況運行。在調(diào)節(jié)過程中,熱源側(cè)水泵頻率維持在48 Hz運行,調(diào)節(jié)閥B維持關(guān)閉狀態(tài)。表6給出了不同工況下系統(tǒng)平均運行參數(shù)。

表5 不同工況調(diào)節(jié)方法

表6 不同工況下系統(tǒng)平均運行參數(shù)

對比表5、6可以看到,通過調(diào)節(jié)熱泵機(jī)組供水溫度設(shè)定值,其平均供水溫度在工況1～3中分別降低至46.6、44.8、44.7 ℃。隨后通過調(diào)節(jié)冷卻塔排熱量,熱泵機(jī)組平均供熱量在工況1～3中分別減小至489.9、406.0、351.8 kW,對應(yīng)運行負(fù)荷率為70%、58%、50%。隨著供熱量的降低,熱源側(cè)取熱量同步減小至379.3、317.7、286.8 kW。在熱源側(cè)循環(huán)流量不變的情況下,隨著取熱量的降低,熱源側(cè)循環(huán)水溫逐漸上升,在工況1～3中,進(jìn)/出水溫度平均值分別達(dá)到8.0 ℃/20.1 ℃、11.4 ℃/21.5 ℃、14.5 ℃/23.2 ℃?？梢钥吹?隨著冷凝側(cè)供水溫度的降低、蒸發(fā)側(cè)循環(huán)水溫的升高,熱泵機(jī)組運行ηh由最初的平均3.68逐漸增大至平均4.84,實現(xiàn)了較為顯著的提升。

雖然熱泵機(jī)組供熱性能相比于淺層地源熱泵機(jī)組、空氣源熱泵機(jī)組均大幅度提升,但仍未達(dá)到自身最佳運行狀態(tài)。如表7所示,得益于冷凝側(cè)供水溫度降低、蒸發(fā)側(cè)循環(huán)水溫度升高,熱泵機(jī)組冷凝溫度逐漸降低、蒸發(fā)溫度逐漸升高,運行工況對應(yīng)的ηh,th分別達(dá)到7.68、8.74、10.06,充分展示了中深層地埋管熱泵系統(tǒng)高溫?zé)嵩礈囟鹊膬?yōu)勢。但隨著熱泵機(jī)組供熱負(fù)荷率與冷凝蒸發(fā)溫差的降低,熱泵機(jī)組ηh,c逐漸降低,分別達(dá)到0.573、0.534、0.481,相較當(dāng)前工藝水平能達(dá)到的壓縮機(jī)效率(0.7～0.8[9])仍然偏低。

表7 變工況熱泵機(jī)組理想性能系數(shù)與ηh,c分析

本項目出于高負(fù)荷驗收測試考慮,采用的是定頻壓縮機(jī),其壓縮機(jī)效率在額定工況下達(dá)到最優(yōu),而隨著負(fù)荷率與壓縮比的降低,壓縮機(jī)效率不斷降低。因此針對中深層地埋管熱泵系統(tǒng),得益于高溫?zé)嵩磧?yōu)勢,其運行壓縮比相較淺層地源熱泵和空氣源熱泵更低,同時由于建筑供熱需求的變化,其運行負(fù)荷率與壓縮比也需要大范圍變化。針對上述需求,傳統(tǒng)定頻壓縮機(jī)就難以滿足多工況高效運行的要求。因而,無級變頻壓縮機(jī)通過壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),在負(fù)荷率與壓縮比大范圍變化下仍能維持較高的壓縮機(jī)效率,更適應(yīng)中深層地埋管熱泵系統(tǒng)的運行需求。

3.2 中深層地埋管取熱性能變工況測試

對于中深層地埋管取熱性能,項目團(tuán)隊也開展了變工況測試,調(diào)節(jié)參數(shù)見表8。調(diào)節(jié)對象主要包括:1) 通過調(diào)節(jié)熱源側(cè)水泵頻率以調(diào)節(jié)中深層地埋管循環(huán)流量;2) 通過調(diào)節(jié)熱泵機(jī)組蒸發(fā)器取熱量,進(jìn)而調(diào)節(jié)中深層地埋管進(jìn)水溫度。通過上述變工況測試探究中深層地埋管取熱量受循環(huán)流量與進(jìn)水溫度的影響情況,每個工況測試時間達(dá)到4 h,以保障系統(tǒng)近似穩(wěn)定運行。

表8 中深層地埋管取熱性能變工況測試調(diào)節(jié)參數(shù)

變工況測試結(jié)果見圖8,其中散點為測試期間瞬時取熱量的監(jiān)測數(shù)據(jù),顏色越深代表取熱量越大。

圖8 中深層地埋管變工況取熱性能分析

實測結(jié)果表明,通過調(diào)節(jié)熱源側(cè)水泵運行頻率使得中深層地埋管循環(huán)流量由21.4 m3/h增大至27.1 m3/h,通過增大熱泵機(jī)組供熱量使得中深層地埋管進(jìn)水溫度由16.1 ℃降低至4.8 ℃,中深層地埋管瞬時取熱量由200 kW大幅度增大至450 kW。由此可見,中深層地埋管瞬時取熱量受其循環(huán)流量與進(jìn)水溫度的共同影響。在循環(huán)流量不變的情況下,隨著中深層地埋管進(jìn)水溫度的降低,熱源水與周圍巖層的換熱溫差增大,進(jìn)而增大了中深層地埋管瞬時取熱量。而在中深層地埋管進(jìn)水溫度不變的情況下,隨著循環(huán)流量的增加,熱源水與地埋管換熱熱阻降低,熱源水在吸收相同熱量的情況下整體溫升更小,使得熱源水與周圍巖層的換熱溫差增大,進(jìn)而增大了中深層地埋管瞬時取熱量。因而循環(huán)流量的增大、進(jìn)水溫度的降低均有助于增加中深層地埋管瞬時取熱量。上述結(jié)果對中深層地埋管熱泵系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)提供了很好的指導(dǎo)。中深層地埋管循環(huán)流量的大小直接影響熱源側(cè)水泵的運行能耗,而中深層地埋管進(jìn)水溫度的高低則直接影響熱泵機(jī)組供熱運行性能。多個調(diào)節(jié)手段使得中深層地埋管熱泵供熱系統(tǒng)在實際運行過程中,可以根據(jù)建筑實時供熱需求,以實現(xiàn)系統(tǒng)整體運行性能最優(yōu)為目標(biāo)進(jìn)行運行調(diào)節(jié)。

與此同時,項目團(tuán)隊對變工況下中深層地埋管循環(huán)阻力進(jìn)行了測試分析,結(jié)果如圖9所示?？梢钥吹?隨著中深層地埋管循環(huán)流量由21.4 m3/h增加至27.1 m3/h,其循環(huán)阻力由380 kPa大幅度增大至接近725 kPa。由此可見,中深層地埋管阻力特性為小流量、大揚程,且隨著流量變化,阻力大幅度變化。因此熱源側(cè)水泵的選型需要滿足該阻力特性,并且采用變頻水泵確保變工況下系統(tǒng)高效運行。

圖9 中深層地埋管變工況循環(huán)阻力分析

4 結(jié)論

1) 針對該地區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件,中深層地埋管連續(xù)運行尖峰取熱能力可達(dá)到450 kW,熱泵機(jī)組供熱能力可達(dá)600 kW,對應(yīng)熱泵機(jī)組平均制熱ηh達(dá)到3.68,熱源側(cè)水泵平均輸送系數(shù)達(dá)到48.4,可再生能源供熱占比達(dá)到72.8%,體現(xiàn)了該技術(shù)在尖峰供熱階段的供熱保障能力與系統(tǒng)節(jié)能運行水平。

2) 中深層地埋管瞬時取熱能力受進(jìn)水溫度與循環(huán)流量的影響,隨著進(jìn)水溫度的降低與循環(huán)流量的增大,其瞬時取熱能力大幅度增大。因此中深層地埋管具有較大范圍取熱量的調(diào)節(jié)能力,能夠較好適應(yīng)建筑供熱需求的大范圍變化,為系統(tǒng)高效運行調(diào)控提供條件。

3) 針對中深層地埋管高熱源溫度的特征,以及建筑負(fù)荷不斷變化的實際情況,變頻熱泵機(jī)組更適合中深層地埋管熱泵系統(tǒng)的運行需求。與此同時,中深層地埋管阻力特性為小流量、大揚程,且隨著流量變化,阻力大幅度變化。熱源側(cè)水泵的選型需要滿足該阻力特性,并且采用變頻水泵確保變工況下高效運行。

上述研究成果對新建項目中深層地埋管熱泵系統(tǒng)的設(shè)計與配置提供了方法支撐,從而助力該技術(shù)更高效、更經(jīng)濟(jì)地推廣應(yīng)用。