某酒店地源热泵系统夏季运行检测与性能分析

袁萌萌 楚广明 于涛 孙燕 曲晓宁

山东建筑大学热能工程学院

地源热泵技术是一种高效、节能、环保和可持续发展的空调技术，近年在公共建筑中的应用越来越广泛。为了了解地源热泵系统运行与能耗情况，需要对地源热泵系统实际运行情况进行测试。到目前为止，部分国内学者对地源热泵系统在建筑中的运行情况作了相关调研和分析[1～2]，也有学者采用数值模拟结合实验的方法对地源热泵长期运行性能进行了研究[3]。本文对某五星级酒店地埋管地源热泵系统夏季运行工况进行了测试，并分析了系统性能系数、土壤温度变化和节能效果。

1 工程概况

该酒店位于泰安市，是集餐饮、住宿、会议等为一体的综合性商务旅游酒店，占地面积12000m2，地上主体建筑二十层，地下一层，总建筑面积近30000m2。酒店共设有豪华套房、商务套房、标准间、单人间等六种不同类型的客房176间；拥有豪华宴会包房13间，可容纳600多人同时就餐，另外，酒店还设有大、中、小型会议室，可满足10～300人的会议需求，2008年投入使用。系统采用三台地源热泵机组，四台地源侧循环泵，三用一备，四台负荷侧循环泵，三用一备。机房主要设备及参数如表1。

表1机房主要设备及参数

2 地源热泵机组的测试与数据处理方法

2.1 热泵机组测试仪器

1）采用FLUKE 54II型热电偶温度计测量地源侧和负荷侧水的进出口温度，误差±0.2℃；

2）采用MICRONICSPH300plus型超声波流量计分别测量地源侧和负荷侧的流量，误差±5%；

3）采用PROVA 6830型功率谐波分析仪分别测量机组、地源侧循环泵和负荷侧循环泵的功率，误差±5%。

2.2 测试注意事项

1）测试时间四天，截取运行稳定数据。

2）室内平均温度、湿度进行连续检测，数据记录时间间隔不超过30min。

3）检测工况下，测量水流量、水温、机组功耗和水泵功耗，记录时间间隔不超过10min。

测试原理如图1。

图1 测试原理图

2.3 实验数据处理方法

1）夏季地下埋管换热器换热量

式中：Qd为地下埋管换热器换热量，kW；Vd为地源侧流量，m3/h；Cp为水的比热容，kJ/(kg·℃)；tin，tout为地源侧进、出水温度，℃。

2）夏季负荷侧换热量

式中：Qf为夏季负荷侧换热量，kW；Vf为负荷侧水流量，kg/s；t′in，t′out为负荷侧进、出水温度，℃。

3）夏季空调机组的性能系数

式中：COP为夏季空调机组的性能系数；N1为空调机组输入功率，kW。

4）夏季地源热泵系统性能系数

式中：COP′为夏季地源热泵系统能效比；N1为冷水机组平均输入功率；N2为冷冻水泵平均输入功率；N3为冷却水泵平均输入功率。

3 地源热泵性能分析

3.1 夏季制冷性能测试结果及分析

2012年8月21日对空调机组的各项指标及整个机房的设备运行指标进行了测试。由于开机后水温有一段时间不稳定，等到稳定运行后开始记录数据。截取一段稳定状态的性能参数，取平均值。见表2。

表2某稳定时段的系统运行参数

表2的数据是在夏季接近设计工况的情况下取得的，三台机组同时开启，负荷侧、地源侧水泵分别开启三台。由表2可知，制冷量为额定工况的87.6%，机组的COP值比较高，达到了4.91。可以看出机组在较高负荷状态运行时，COP处于理想值，这与以往的经验相一致。所以，实际工程设计中，选择机组时要充分考虑机组大部分时间的运行工况，尽可能地使机组处于高效的运行状态。

经调查，泰安地区地下60m左右的土壤温度为15℃~16℃，在整个测试期间地下土壤温度比较稳定，最高值和最低值分别为21.1℃、22.3℃，均处在机组正常运行的合理范围内。

用温频法和度日法分别计算该建筑物的累积冷热负荷分别为 3.23×106kW·h、5.39×106kW·h，考虑到机组自身夏、冬季分别产生大约为1.28×106kW·h、1.06×106kW·h的热量，因此，夏季实际排入地下的热量为4.51×106kW·h，冬季实际从地下吸取的热量为4.33×106kW·h，冬夏季地源侧吸放热基本相等。

从上述分析和计算得出，该系统自2008年运行四年以来，并未出现土壤温度异常变化，主要原因是目前的排热量和取热量基本处于平衡状态，没有超出土壤自身调节的能力范围，但若干年后，土壤温度是否依然在合理的范围之内，有待进一步检测后验证。

3.2 机组进出口水温测试结果及分析

地源热泵是以地下浅层土壤为冷热源，夏季土壤温度远低于大气温度，冬季土壤温度远高于大气温度，所以不管是制冷还是制热，其性能系数均高于空气源热泵，这是地埋管地源热泵节能的机理[4]。尽管地下换热器与岩土之间是非稳态、无限大区域内的传热，但受诸多非线性因素的影响，在不同地区会产生不同的埋管传热效果，而这一传热过程的强弱必然影响到埋管换热器的进出口水的温度。为了得到机组运行的稳定性情况，连续测试了2012年8月20日至8月23日的地源侧和负荷侧的进、出口温度（图2）。

图2 温度及温差随时间的变化

由图2可知，整个系统在运行过程中，地源侧和负荷侧的进水温度、出水温度均未出现异常波动，地源侧出水温度在21.5℃左右，进水温度在26.3℃左右，整个机组的性能处于较高水平。负荷侧供水温度基本保持在6.3℃左右，能够满足空调末端的要求；地源侧和空调侧的进、出口温差在4.7～5.3℃之间，地埋管换热器的换热效果比较理想。

另外，经过一段时间的运行，8月23日较8月20日的地源侧出水温度上升了0.4℃，由此可见，制冷季地下温度会随时间逐渐升高，这必将影响到机组的制冷性能。对于累积排热量大于吸热量的地源热泵系统，在必要时可以增加一些辅助散热装置（如冷却塔），与地源热泵组成复合系统，这样有利于保证地下温度场的平衡，系统常年运行工况稳定。

4 地源热泵与空气源热泵供冷比较

由于地源热泵是通过地热换热器与土壤进行换热，且土壤温度稳定，范围适宜，所以室外环境对其运行工况影响极小，而空气源热泵由于受室外环境影响大，所需制冷量最大的时候正是它效率最低的时候。但是，空气源热泵相比地源热泵节省了冷却水泵的功耗，所以要更直观地评价地源热泵系统的节能效果就需要将系统的能耗转化为一个制冷季的耗电量。根据国标[5～6]规定，地源热泵机组制冷性能系数COP为l4.45，螺杆式空气源热泵机组制冷性能系数COPl为2.64。假设分别采用这两种空调方式对该酒店进行供冷，平均负荷按最大负荷的60%考虑，冷冻水泵和冷却水泵各开启两台，能耗结果见表3。

表3两种空调方式的能耗比较

由表3可以看出，单从机组制冷性能系数上看，地源热泵是空气源热泵的近两倍，而从整个系统来看，地源热泵要比空气源热泵输入功率低17.53%，耗电量低17.51%，节能效果显著。

5 结语

整个系统在运行过程中，地源侧和负荷侧的进水温度、出水温度均未出现异常波动，地源侧出水温度在21.5℃左右，进水温度在26.3℃左右，整个机组的性能处于较高水平。负荷侧供水温度基本保持在6.3℃左右，能够满足空调末端的要求；地源侧和空调侧的进、出口温差在4.7～5.3℃之间，地埋管换热器的换热效果比较理想。

1）在测试期间，整个系统的地埋管侧出水温度在21.5℃左右，进水温度在26.3℃左右，温差在4.8℃左右，空调供水温度基本保持在6.3℃左右，回水温度在11.2℃左右，温差在4.9℃左右，地源热泵机组运行稳定，地埋管换热器的换热效果较好。

2）机组COP达到4.91，系统COP为3.18，尽管机组运行的稳定性很好，但随着机组的运行，地下温度略有上升，这必然影响到机组的制冷性能。有必要的情况下，应对土壤的传热特性进行理论分析，建立相应的预测模型，采取相应措施，以保证系统常年运行性能稳定。

3）从整个系统来看，地源热泵要比空气源热泵输入功率低17.53%，耗电量低17.51%，节能效果显著。

[1] 张信树,刘泽华,陈北领,等.某写字楼地源热泵冬季供暖性能测试及节能分析[J].制冷空调与电力机械,2007,28(3):30-33

[2] 胡平放,於仲义,孙启,等.地埋管地源热泵系统冬季运行试验研究[J].流体机械,2009,37(1):59-63

[3] 王华军,赵军,沈亮.地源热泵系统长期运行特性的实验研究[J].华北电力大学学报,2007,34(2):52-54

[4] 孙恒虎,崔建强,毛信理.地源热泵的节能机理[J].太阳能学报,2001,25(1):24-27

[5] 水源热泵机组(GBT19409-2003)[S].北京:中国建筑工业出版社,2003

[6] 蒸气压缩循环冷水(热泵)机组工商业用和类似用途的冷水(热泵)机组(GBT18430.1-2001)[M].北京:中国建筑工业出版社,2001