上海某办公楼土壤源热泵系统冬季运行特性实测分析

李峥嵘，傅 强，钱必华，刘递多

（1.同济大学暖通空调及燃气研究所，上海 200092；2.同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092）

目前地源热泵系统主要应用在北美、欧洲和中国，据2010年世界地热大会统计数据，截止2009年，地源热泵的利用能量已达到214 782 TJ/a，与2005年世界地热大会的统计数据相比，5年内增长了2.45倍，平均年增长率达到了19.7%，中国地源热泵总利用面积2008年为6 200万m2，2009年达到10 070万m2，总利用功率约5 210 MWt[1]．

近年来，国家对于可再生能源的开发与利用逐渐重视，并出台了一系列的法规政策，在此背景下，作为可再生能源利用的一种重要方式，我国地源热泵（尤其土壤源热泵）产业的发展日益加快[2]．国内学者对该系统运行特性的研究方法多以短期实测与长期模拟相结合为主[3-10]，而国外相关研究很多都是基于全年监测数据或多年监测数据展开，如2010年 T.Magraner等人在西班牙巴伦西亚理工大学的土壤源热泵系统实验台进行全年实测，研究系统长期运行特性[11]；2011年C.Montagud等人对西班牙巴伦西亚理工大学的土壤源热泵系统实验台运行 5年的数据分析系统性能[12]；2011年 Scott Hackel和Amanda Pertzborn对美国三幢应用复合式地源热泵系统的建筑进行全年监测研究[13]；2012年Jin Taek Chung和Jong Min Choi在韩国忠南一个167m2的住宅建筑进行全年监测研究[14]；2013年A.Michopoulos和 T.Zachariadis对希腊北部一幢市政大楼的地源热泵系统进行全年监测研究[15]．目前国内土壤源热泵的推广遇到很大问题[16]，尤其缺少长期运行数据．基于这一问题，本文通过对上海市某办公楼土壤源热泵系统供暖工况长期监测，得到上海市办公类建筑土壤源热泵系统冬季的长期运行特性，为土壤源热泵系统的设计和运行提供参考．

1 土壤源热泵系统的监测及分析方法

1.1 土壤源热泵系统及监测

1.1.1系统介绍

研究对象为一幢位于上海市新江湾城的办公楼，分为东楼和西楼，东楼地下一层、地上五层，西楼地下一层、地上四层．总建筑面积为 21 959 m²(其中地上部分13 152 m² )，建筑总高度为23.95 m．建筑朝向为南偏东29°．东向窗墙比为0.67，南向为0.61，西向为0.33，北向为0.66．空调冷热源为两台地源热泵主机（名义制冷量 1203.5kW，名义制热量1204.4 kW）与三台辅助闭式冷却塔相结合的形式，地埋管按冬季热负荷设计，共设置垂直单U管223个，有效深度100 m，孔径150 mm，埋管间距4.5 m×4.5 m，回填材料采用专用的土、砂混合物．用户侧循环水泵和地埋管侧循环水泵均为2用1备，型号为WILO的NL150/315-37/4．冬夏季工况由管路阀门调控，夏季地埋管与冷却塔并联．末端设备采取空调箱与风机盘管，大堂和餐厅采用空调箱，办公室采用风机盘管加独立新风系统．

系统主机和水泵的启停由管理人员控制，正常开启时间为周一到周五，7:00-17:30．管理人员通过设定用户侧机组出水温度控制机组的运行．

冬季室内设计参数及典型日实测参数见表1所示，对比发现，只有会议室温度过高（设计参数为19-21℃），其他参数均符合设计参数范围，说明该空调系统运行状况基本与设计工况相符合．

图1 供暖工况测点布置图Fig. 1 Schematic diagram of GSHP and measuring points

表1 冬季室内设计参数与典型日实测参数Tab.1 winter indoor design parameters and measured parameters on typical days

1.1.2监测系统

供暖工况监测参数为两台热泵机组的蒸发器和冷凝器进出口水温、地埋管回水温度、用户侧流量、地埋管侧流量、热泵机组小时电耗、循环水泵小时电耗．其中温度监测采用天建华仪WZYW-1温度记录仪，精度±0.3℃；地埋管侧流量采用超声波流量计典型日实测，精度±0.1m³/h；用户侧流量、热泵机组小时电耗和循环水泵小时电耗均采用BA系统数据库数据，其中用户测流量经过超声波流量计校核，误差在5%以内．监测时间为整个冬季工况，2013年11月11日-2014年4月3日．系统原理图及具体测点布置见图1所示．图1中箭头方向为冬季工况，冷却塔侧开关阀门冬季关闭．T为壁温测点，V为流量测点．

1.2 数据分析计算方法

壁温数据采集频率为10 min，流量数据采集频率为30 min，假设30 min内流量不变化，即可将壁温数据与流量数据建立联系．

1.2.1负荷

①瞬时负荷

建筑瞬时负荷以用户侧流量和用户侧供回水温度进行计算，10 min计算一次：

式中：Q˙为建筑瞬时负荷，kW；c为水的比热容，kJ/(Kg·℃)； ρ为水的密度，kg/m³；V˙为用户侧体积流量，m³/h；Tg为用户侧供水温度，℃；Th为用户侧回水温度，℃．

②小时负荷

建筑小时负荷由每 10 min计算一次的建筑瞬时负荷累加得到：

式中：hourQ 为建筑小时负荷，kWh．

③日均小时负荷

1.2.2日均部分负荷率

日均部分负荷率为建筑日均小时负荷与机组小时名义制热量之比：

式中：PLR为日均部分负荷率；ratedQ 为热泵机组小时名义制热量，kWh，当开启一台机组时，为一台机组小时名义制热量，开启两台机组时，为两台机组小时名义制热量．

1.2.3日均能效比

①机组日均能效比

式中：D PF1为机组日均能效比；Wcomp为机组小时功耗，kWh．

②系统日均能效比

式中： D PF2为系统日均能效比； Wpump为用户侧和地埋管侧循环水泵小时功耗，kWh．

2 数据验证与分析

2.1 数据验证

为了验证监测方法和仪器的准确性，以用户侧和地埋管侧的小时负荷值进行验证．理论上，如果忽略水泵散热量，冬季工况下，用户侧小时负荷应该等于地埋管侧小时取热量与机组小时电耗之和．但在实测过程中，由于种种因素，二者之间会有偏差，以α表示这种相对偏差，结果见图2所示：

式中： Qhour为用户侧小时负荷，kWh；Qsoil-hour为地埋管侧小时取热量，kWh；Wcomp-hour为机组小时电耗，kWh．

结果显示，整个冬季工况小时负荷值相对偏差在-10%～+15%，属于正常误差范围，故监测数据准确有效．

图2 小时负荷相对偏差αFig.2 Hour load relative deviationα

图3 地埋管出水温度Fig. 3 Outlet water temperature from buried pipes

2.2 数据分析

影响土壤源热泵系统性能的因素有很多，如土壤温度、用户侧供水温度设置、部分负荷率等．下面主要分析这几个因素对系统性能的影响．

2.2.1地埋管出水温度

由于该系统施工时没有在地埋管上安装温度传感器，得不到土壤温度，故考虑采用地埋管出水温度表征地埋换热器换热效果[12]，见图3所示．图中2月初数据空白是由于春节长假，系统未开启．可以看出，地埋管出水温度整个冬季变化趋势是先降低后升高，在2月中旬开始回升．在11月份地埋管出水温度日下降约 1.5℃，随着部分负荷率的增加，系统从土壤中取热量增加，日降低温度也会增加，至2月初，日下降可达2.5℃以上．

同时，由于办公建筑间歇运行方式，土壤温度恢复特性得到体现，影响土壤温度恢复特性的因素有很多，如土壤温度水平、建筑部分负荷率、室外空气温度、太阳辐射强度等，此处以地埋管出水温度表征这一特性．11月份地埋管出水温度在工作日经过一个夜晚的恢复可提升 1℃左右，经过一个周末的恢复提升也在 1℃左右，这是由于刚进入冬季工况，土壤温度较高，土壤温度恢复能力得不到充分体现；12月份工作日恢复温度约1.5℃，周末温度恢复可达2.5℃；1月份工作日恢复温度约1.5℃，周末温度恢复约 2℃，可能是由于室外空气温度比12月份更低，且太阳辐射强度也比12月份低，导致周末温度恢复略低于12月份；2月中旬工作日温度恢复约2.5℃，周末温度恢复高达3℃，这主要由于这时土壤温度水平已经很低了，温度恢复能力很强．3月上旬工作日温度恢复为1℃-2℃，周末温度恢复约2℃；3月底至4月初，温度恢复值很小，在 0.5℃以下，这主要是由于部分负荷率很小，系统从土壤取热量很少，土壤温度变化受系统影响很小，主要受室外空气温度和太阳辐射强度的影响．

2.2.2 用户侧供水温度

用户侧供水温度由系统管理人员设定，见图 4所示．11月到 12月底，供水温度都设置在 38℃-39℃；从12月底至2月底，大多设置在43-44℃，期间也有部分时间设置在38℃-39℃；3月直至供暖季结束，设置在39℃左右．

图4 用户侧供水温度Fig. 4 User‐side supply water temperature

图5 日均小时负荷Fig.5 Daily average hour load

2.2.3日均小时负荷

由式（1）-式（3）计算得出，结果如图5所示，从供暖季开始到 12月中旬，建筑日均小时负荷几乎都在500 kWh以下，12月中旬到3月初该值较大，在2月中旬达到约1 150 kwh．但是在1月2日附近出现一个谷值，在 1月底也出现一个谷值，这是由于元旦法定假日和春节法定假日，部分部门上班人数较少，末端设备开启相对少，导致建筑负荷相对较小．

2.2.4日均部分负荷率

由式（4）计算得出，结果如图 6所示，由于冬季供暖工况下一般一台热泵机组就可以满足建筑负荷需求，故日均部分负荷率形式上与日均小时负荷大体相同．11月刚进入供暖季，日均部分负荷率较低，约为 26%～45%，；12月份日均部分负荷率逐渐增大，约为41%～74%；1月份波动较大，约为36%～81%，主要是由于1月9日、10日开启两台机组，由式（4）可知，这两天日均部分负荷率处于低值，分别为36%和40%，1月底的低值是由于部分部门上班人数较少，建筑负荷相对小；2月份日均部分负荷率较大，约为66%～96%，在2月18日开始降低；3月份逐渐降低，从月初74%降到月底18%；4月份只有前三天供暖，日均部分负荷率约为17%．

将部分负荷率以10%为间隔分成几个区间，将图6中不同部分负荷率的时间进行统计，结果见图7．40%负荷率的时间最长，占整个供暖工况的23.3%；其次为70%和80%负荷率，都为14.1%；同时看出，整个供暖季有约 80%的时间都处于40%～80%负荷率下．

图6 日均部分负荷率Fig. 6 Daily average part load rate

图7 不同部分负荷率的时间Fig. 7 Time ratio of different part load rate

2.2.3日均能效比

机组日均能效比见图8所示．11月份和12月份由于部分负荷率较低，机组日均能效比也较小，在4.1～5.3之间波动；1月份波动很大，为3.9-6.7,主要是因为1月9日、10日开启两台机组，导致部分负荷率较低，能效比较小，而且从图4可以看出，1月份用户侧供水温度设置波动很大，导致日均能效比随之波动；2月份为 4.4～6.0，能效比逐渐降低；3月份为3.9～5.4；4月初为供暖季最后几天，部分负荷率也很低，而且相比与 11月份，土壤温度更低，导致机组能效比很低，约为3.8～3.9．

系统日均能效比见图9所示．11月份为2.4～3.4；12月份为3.0～3.8；1月份大部分时间为3.5～4.3，1月9日、10日开启两台机组，导致部分负荷率较低，系统能效比较小，分别为2.8和3.3；2月份为 3.5～4.7；3月份开始逐渐下降，从 3.9降到2.0；4月初为1.9～2.0．

图8 机组日均能效比Fig. 8 Daily average unit energy efficiency ratio

图9 系统日均能效比Fig.9 Daily average system energy efficiency ratio

3 结论

本文基于对上海市某办公建筑土壤源热泵系统2013-2014年整个冬季供暖工况的长期监测，分析了上海市土壤源热泵系统冬季供暖工况的长期运行特性．主要结论如下：

(1)冬季工况下，地埋管回水温度先下降后有所回升，日下降温度最高可达 2.5℃．工作日系统经过一个夜晚的间歇，地埋管回水温度可恢复约1℃～2.5℃，经过一个周末的间歇，可恢复约1℃～3℃．

(2)冬季工况下，日均部分负荷率有80%的时间都处于 40%～80%负荷率下，40%负荷率的时间最长，占整个冬季工况的23.3%．因此，系统部分负荷率下的运行性能尤为重要．

(3)冬季工况下，机组能效比为3.8～6.7，系统能效比为 1.9～4.7．而且能效比不仅受部分负荷率和地埋管出水温度影响，受用户侧出水温度影响也较大．因此基于建筑负荷，合理设置机组和水泵开启台数及合理设置用户侧出水温度对土壤源热泵系统高效运行具有重要意义．

References

[1] 郑克棪, 韩再生, 张振国. 中国地热的稳步产业化开发-2010 年世界地热大会中国国家报告[J]. 地热能, 2010(3): 3-7.ZHENG Keyan, HAN Zaisheng, ZHANG Zhenguo. The geothermal steadily industrialization development in China–China national report on the world geothermal conference in 2010[J] .Geothermal energy, 2010(3): 3-7.

[2] YANG W, ZHOU J, XU W, et al. Current status of ground-source heat pumps in China[J]. Energy Policy,2010, 38(1): 323-332.

[3] 李元旦, 张旭. 土壤源热泵冬季工况启动特性的实验研究[J]. 暖通空调, 2001, 31(1): 17-20.LI Yuandan, ZHANG Xu. Experimental research on started characteristic of ground-coupled heat pump in winter condition[J]. Heating Ventilation and Air Conditioning, 2001, 31(1): 17-20.

[4] 赵军, 宋德坤, 李新国, 等. 埋地换热器放热工况的现场运行实验研究[J]. 太阳能学报, 2005, 26(2): 162-165.ZHAO Jun, SONG Dekun, LI Xinguo, et al. Field operation experimental study of the buried heat exchanger in release heat condition[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2005, 26(2): 162-20.

[5] 王景刚, 李芳, 李恺渊. 辅助冷却复合式地源热泵系统运行控制策略研究[J]. 暖通空调, 2007, 37(12):129-132.WANG Jinggang, LI Fang, LI Kaiyuan. Research on auxiliary cooling hybrid ground source heat pump system operating control strategy[J]. Heating Ventilation and Air Conditioning, 2007, 37(12): 129-132.

[6] 王华军, 赵军. 混合式地源热泵系统的运行控制策略研究[J]. 暖通空调, 2007, 37(9): 131-134.WANG Huajun, ZHAO Jun. Research on hybrid ground source heat pump system operating control strategy[J].Heating Ventilation and Air Conditioning, 2007, 37(9):131-134.

[7] 杨卫波, 施明恒, 陈振乾. 土壤源热泵夏季运行特性的实验研究[J]. 太阳能学报, 2007, 28(9): 1012-1016.YANG Weibo, SHI Mingheng, CHEN Zhenqian.Experimental research on summer operating characteristic of ground-coupled heat pump[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2007, 28(9): 1012-1016.

[8] 孙爱国, 梁路军. 水源热泵机组地下水变流量运行特性研究[J]. 暖通空调, 2010, 40(11): 83-85.SUN Aiguo, LIANG Lujun. Research on groundwater variable flow operationing characteristics of water source heat pump unit[J]. Heating Ventilation and Air Conditioning, 2010, 40(11): 83-85.

[9] 余延顺, 马娟. 负荷分布对地源热泵系统长期运行特性的影响[J]. 南京理工大学学报: 自然科学版, 2011,35(2): 155-159.YU Shunyan, MA Juan. Effect of Load distribution on long period operating characteristics of ground source heat pump system[J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology: Natural Science, 2011, 35(2):155-159.

[10] 刘逸, 李炳熙, 付忠斌, 等. 寒冷地区土壤源热泵系统供暖运行特性研究[J]. 太阳能学报, 2012, 10: 025.LIU Yi, LI Bingxi, FU Zhongbin, et al. Research on heating operation characteristics of ground-coupled heat pump in cold region[J]. Acta Energiae Solaris Sinica,2012, 10: 025.

[11] MAGRANER T, MONTERO Á, QUILIS S, et al. Comparison between design and actual energy performance of a HVAC-ground coupled heat pump system in cooling and heating operation[J]. Energy and buildings, 2010,42(9): 1394-1401.

[12] MONTAGUD C, CORBERAN J M, MONTERO A, et al. Analysis of the energy performance of a ground source heat pump system after five years of operation[J].Energy and Buildings, 2011, 43(12): 3618-3626.

[13] HACKEL S, PERTZBORN A. Effective design and operation of hybrid ground-source heat pumps: Three case studies[J]. Energy and Buildings, 2011, 43(12):3497-3504.

[14] CHUNG J T, CHOI J M. Design and performance study of the ground-coupled heat pump system with an operating parameter[J]. Renewable Energy, 2012, 42: 118-124.

[15] MICHOPOULOS A, ZACHARIADIS T, KYRIAKIS N.Operation characteristics and experience of a ground source heat pump system with a vertical ground heat exchanger[J]. Energy, 2013, 51: 349-357.

[16] MING L, QING G, YAN J, et al. The big challenge of ground source heat pumps (GSHPs) application in China[C]//Intelligent System Design and Engineering Application (ISDEA), 2010 International Conference on. IEEE,2010, 2: 594-597.