上海地区某联排别墅地源热泵系统冬季运行效果实测分析

夏 婵 卜 震 上海市建筑科学研究院



上海地区某联排别墅地源热泵系统冬季运行效果实测分析

夏 婵 卜 震 上海市建筑科学研究院

摘要：对上海某联排别墅小区地源热泵系统冬季工况的实际运行效果开展了监测分析。结果表明该系统实际运行能效比偏低，通过深入分析提出了该系统控制模式和输配系统设计不合理，导致人们生活用能习性发生变化，冬季实际运行时负荷率较低，水泵不必要能耗占比较大，存在节能优化空间。

关键词：地源热泵；生活习性；工作日；非工作日；COP；输配设计

随着经济的发展和人民生活水平的不断提高，人们对居住环境中的室内热舒适性要求逐步提高，地源热泵技术作为一种节能有效的空调方式适应性较强，可实现人们对室内热环境的高需求。同济大学谭洪卫等人［1］曾就某一栋别墅地源热泵系统的供暖情况进行了连续监测，分析得出在满足同等热舒适性条件下，地源热泵系统比常规的空气源热泵系统节能31%；陈焰华等［2］人对武汉某一典型小区地源热泵系统全年运行情况进行了测试，分析得出地源热泵系统性能系数较空气源热泵高出近40%。但由于气候、围护结构热工性能、居民生活习惯及系统运行问题，仍有一部分人对应用地源热泵系统的冬季室内热环境不满意［3］。一般认为地源热泵等集中式空调系统适合应用于末端负荷率高、负荷变化稳定的场合，例如大型办公建筑、商业建筑等，与此类建筑相比，居住建筑的使用时间具有较大的灵活性，负荷变化较大，这就使得居住建筑中采用地源热泵系统的运行管理比较棘手。本文通过对上海某联排别墅居住建筑的地源热泵空调系统在冬季工作日与非工作日期间实施连续监测，分析该地源热泵空调系统的实际运行能效，并从不同角度提出存在的节能问题。

2 研究对象与方法

2.1工程概况

联排别墅位于上海市闵行区浦江镇，建筑面积2.78万m2采用土壤源热泵空调系统，空调冷热源由土壤换热器提供，夏季土壤换热器井深散热量为75 W/m，冬季井深取热量为50 W。土壤换热器按照5×5 m间距埋设，钻孔深度100 m，总埋设并联双U井214口。

该系统包括4台热泵机组，分别位于1号、3号两个机房，每个机房各1台PSRHH1702-Y和1台PSRHHR0802-Y，其中1台PSRHHR0802-Y热回收主机同时提供60/55℃的卫生热水；空调系统末端为风机盘管，冬夏转换通过双位电动蝶阀控制实现。系统主要设备参数见表1原理图见图1。

2.2测试项目

测试仪器主要参数和测试项目见表2。

图1　地源热泵系统原理图

表1　空调系统主要设备参数表

2.3测试过程

本次测试仅选取一个机房（3号机房）的设备进行测试；测试时间选取冬季供热时的某一工作日和非工作日。测试期间3号机房的两台机组全天24 h供热，地源侧循环水泵、用户侧循环水泵及生活热水循环泵各开启1台。各测试点布置如图2所示，其中3号机组是型号PSRHH1702-Y的高温热泵机组，供应用户空调用热水；4号机组是型号为PSRHHR0802-Y的高温水/地源热泵机组，供应用户生活热水。测点布置如图2所示，其中T代表温度，V代表流量，N代表功率。

2.4数据处理

（1）地源侧换热器取热量

式中，Q1为地源侧换热器取热量，kJ；C1为地源侧水的比热容，kJ/（kg·℃）；ρ1为地源侧水密度，kg/m³；V1为地源侧水流量，m³/h；Tg1、Th1分别为地源侧进出水温度，℃； 。

（2）用户侧供热量

式中，Q2为用户侧取热量，kJ；C2为用户侧水的比热容，kJ/（kg·℃）；ρ2为用户侧水密度，kg/ m³；V2为用户侧水流量，m³/h；Tg2、Th2分别为用户侧进出水温度，℃。

（3）机组平均COP

式中，COP为机组的平均性能系数；W1为机组的输入功率，kW。

（4）系统能效比COPs

式中，COPs为系统性能系数；W2为系统水泵的输入功率（包括地源侧水泵和用户侧水泵），kW。

（5）负荷使用率

实际能达到的最大冷负荷（热负荷）与系统设计冷负荷（热负荷）的比值［4］。

图2　3号机房测点布置示意图

3 结果与讨论

3.1水流量测试结果

测试期间，3号机房地源热泵空调系统运行时地源侧与用户侧水流量的测试结果如表3所示。

表3　地源侧与用户侧水流量测试结果

3.2温度测试结果

（1）室外温度

测试期间，工作日与非工作日的室外气温变化如图3所示。由图3可知，工作日与非工作日当天室外平均气温分别为7℃和6℃；最高气温可分别达12℃和10℃。

（2）地源侧水温度

测试期间，温度自记仪温度采集间隔设置为1 min。工作日和非工作日空调用地源侧供回水温度变化如图4和图5所示。由图4、图5可知不论工作日与非工作日地源侧供水温度全天趋于稳定，约为16.6℃；回水温度根据用户需求而变化。由图还可看出，工作日和非工作日平均温差均为2.0℃左右；但温差波动较大的时间段略有不同，这与一般居民在工作日和非工作日的生活习性相似。

（3）用户侧水温度

工作日和非工作日地源热泵系统用户侧供回水温度变化如图6和图7所示。由图6可知，工作日与非工作日用户侧供水温度平均为46.3℃，较为稳定；用户侧回水平均温度均为43.5℃，平均温差为2.8℃，较设计温差5℃低2.2℃。由图还可看出，工作日和非工作日空调集中使用时间略有不同，工作日主要集中在20：00左右；而非工作日主要集中在8：00～12：00及16：00之后。

图3　室外温度变化图

图4　工作日地源侧供回水温度变化

图5　非工作日地源侧供回水温度变化

图6　工作日用户侧供回水温度变化

图7　非工作日用户侧供回水温度变化

3.3机组及系统COP

工作日与非工作日累计供热量和耗电量如表4所示。由表4可知，对于空调用供热机组，工作日和非工作日机组COP分别为3.4和3.5，而系统能效比（COPs）分别为2.5和2.6；相对空气源热泵（2.3～2.6）并无明显节能优势。这可能是由于末端用户负荷使用率低（由图8可看出）且水泵全天24h定频运行导致不必要能耗消耗的缘故。

表4　机组COP和系统能效COPs kWh

图8　 地源热泵空调供热负荷率

经现场调研分析可知，导致空调供热负荷率低的原因主要有两点。

（1）空调系统控制模式。该小区使用地源热泵中央空调系统，供冷和供热时间均有合同规定，且系统机房设备的启闭由小区物业来执行，住户不能自主控制，导致部分住户自主安装分体空调和地板辐射供热，从而导致地源热泵空调系统的使用率较低；

（2）居住人群和生活习惯的影响。不同人群的生活习惯和节能意识都不同，现场调研发现不少居民自主安装了地板辐射供暖，采用家用燃气锅炉提供热源，在热舒适性方面，地暖末端比地源热泵系统的末端风机盘管更有优势的，且每月燃气费用和使用地源热泵费用相比增加并不多。

就本项目使用地源热泵中央空调系的排别墅，建议各家各户安装独立的输配水泵，住户不仅可自主控制地源热泵空调的开启，还能降低系统水泵能耗；同时合理制定空调的使用费，增加住户对地源热泵中央空调的开启使用率，从而提高系统性能系数。

4 结论

（1）测试期间，不论工作日和非工作日，地源侧供水温度较稳定，均为16.6℃；且用户侧供水温度和温差也趋于稳定。

（2）采用系统COPs和机组COP可反映地源热泵系统的实际运行效果，分析结果可见：冬供热时，工作日和非工作日热泵机组COP分别为3.4 和3.5，而系统COPs值分别为2.5和2.6。

（3）地源热泵系统能效较低，这可能是因为系统集中控制模式不合理，导致人们生活用能习性发生变化，从而使得地源热泵系统负荷使用率较低；同时输配水泵全天24小时连续定频运行，不必要能耗占比较大，存在节能优化空间，建议可采用各家各户安装独立输送水泵的方式来提高能效。

参考文献

［1］谭洪卫，胡依峰，雷勇，等.独栋住宅土壤源热泵系统冬季供暖实证研究［J］.建筑科学，2013，29（6）.

［2］陈焰华，胡平放，雷飞，等.武汉地区地源热泵系统的运行测试与分析［J］.暖通空调，2009，39（6）.

［3］张建忠.江苏省地源热泵技术在住宅中的应用［J］.特别关注.

［4］徐辉.夏热冬冷地区地源热泵系统运行特性分析［D］.江苏：扬州大学，2014.

夏婵：（1988-），女，硕士研究生，助理工程师。

Fund item： Science and Technology Committee of Shanghai Scientific Research Topic：Groudn Source Heat Pump Technology Appplication Effect Analysis and Evaluation Index Research （14DZ12012002）

Surveillance and Analysis of Ground Source Heat Pump System in Winter Operation Effect at some Shanghai Row-House

Xia Chan， Bu Zheng Shanghai Architectural Science Research Institute

Abstract：The article carries out surveillance and analysis of ground source heat pump system winter operation effect at some Shanghai row-house compound. The result shows that this system has low operation energy efficiency. It figures out unreasonable system control mode with transportation and distribution system design through deepening analysis， which could result in unnecessary high water pumps energy consumption when low load in winter according to people living habits changes. There is still some energy saving and optimization possibilities.

Key words：Ground Source Heat Pump， Living Habits， Working Days， Non-Work Days， COP，Transportation and Distribution System

基金项目：上海市科学技术委员会科研计划课题：地源热泵技术应用效果分析及评价指标研究（14DZ12012002）

DOI：10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.05.004

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