苏州某地源热泵系统变水温调节方式节能效果研究

陈章宇 刘成刚*

(苏州科技大学，江苏 苏州 215009)



苏州某地源热泵系统变水温调节方式节能效果研究

陈章宇 刘成刚*

(苏州科技大学，江苏 苏州 215009)

以苏州某办公楼浅埋式地源热泵系统为例，针对该系统在夏季供冷时能源利用效率低的问题，对其进行了变水温调节，并分析了其节能效果，结果表明，在夏季供冷时，相比于定水温系统，变水温调节具有明显的节能效果。

地源热泵系统，水温，节能，负荷

0 引言

目前国内建筑，空调能耗占建筑总能耗的比例越来越大，因此，多种节能型空调以及空调节能方式相继出现在实际应用中。蒸发式冷却器、磁悬浮变频离心机组等等都具有高效的能源利用效率，其中磁悬浮变频离心机组相比于普通机组，能够节约30%以上的能耗。从节能方式入手，分为节能改造和运行调节两种方式，节能改造主要针对已在使用且效率低下的机组和系统；运行调节可适应于各种空调系统，其方式主要有变风量、变流量、变水温以及联合使用四种，其中变水温可分为渐变和定变水温。文献[1]中李高建，胡玉叶，朱秀斌说明了地源热泵系统的研究和应用现状。不同节能控制方式在空调冷水系统中获得的效果也各不相同[2]。通过文献[3]可知当空调系统在部分负荷时，保证室内处于舒适度环境前提下，变水温调节具有明显的节能效果。文献[4]针对不同的建筑，空调系统采用变水温调节在负荷降低时是适用的；文献[5]中则提出了分阶段变水温运行，在上海浦东机场的负荷特点及气象条件下，分阶段变水温能有效提高机组运行效率，降低运行能耗，节约运行成本。同时，基于变水温和变水量的协调优化控制策略，在部分负荷时，节能效果更加明显[6]。李恺渊，王景刚则提出了冷却塔辅助冷却地源热泵系统，并对其做出了经济分析，节能效果明显[7]。

逆卡诺循环：

(1)

(2)

或:

ExQ0=T0Sf-Q0

(3)

由式(1)可知，当T↑时，热泵机组的效率即机组COP会随之提高；通过式(2)可得，当T↑时，在同等供冷工况下，热泵机组的输入功降低。以上表明，在部分负荷时，提高冷冻水的供水温度，能够提高机组的COP,降低能耗。

2 工程概况

本文所研究的是以土壤源热泵为冷热源的浅埋式地源热泵空调系统，空调工程位于苏州某办公楼第3，4层，空调面积959 m2，夏季室内空调设计温度风机盘管房间25 ℃(GB 50189—2005公共建筑节能设计标准)。经计算，该建筑冷负荷127 kW。选择2台水—水模块式水源热泵(冷水)机组，夏季供回水温度为7 ℃/12 ℃。每台机组制冷输入功率14.2 kW，名义制冷量69 kW。根据测试报告，双U地埋管夏季换热量73.6 W/m，每个孔按50 m计算，打40 口井。考虑到地埋管长期使用会有一定的损耗，系统配置了1台冷却塔备用。冷却水泵和冷冻水泵均为一用一备，工频运行，其中冷却水泵流量22 m3/h，功率4.4 kW;冷冻水泵31.3 m3/h，功率4.1 kW。冷冻水采用负荷侧变流量、机组侧定流量的一次泵系统。

工程系统图如图3所示。

3 实验及数据分析

3.1 实验步骤

首先根据不同的负荷，通过实验选取最佳供水温度，具体实验步骤如下：

1)当室内负荷处于满负荷50%时，将供水温度从7 ℃提高到8 ℃，通过楼宇自控系统记录下冷冻水与冷却水的流量以及供回水温度、室外温度以及室内的温湿度变化。

2)通过室内监测系统监测室内环境是否处于舒适度范围内，若处于舒适度范围则进行下一步，若不是则将温度调回至7 ℃。

3)当室外负荷与之前处于相同负荷状态时，将温度提高到9 ℃后重复第1)，2)步骤。

以此类推，选出室内环境处于舒适度范围临界值的供水温度，即为在室内负荷为50%满负荷工况下的最佳供水温度。

采用上述同样的实验步骤，选取出不同室内负荷时最佳供水温度。同时，通过楼宇自控系统记录下实验所需数据。

3.2 数据分析

热泵机组COP计算：

(4)

其中，Q为热泵系统供冷量；W为热泵机组的输入功。

实验所得数据可计算出热泵机组的供冷量，Q与冷冻水的质量流量v、冷冻水供回水温差Δt的关系如下所示：

Q=cmΔt=cρvΔt

(5)

其中，c为水的比热容；ρ为水的密度。

热泵机组的实际制冷效率为：

(6)

分析实验部分所得数据，研究其节能潜力。

3.2.1 原始工况

在未进行变水温调节时，对机组运行状态及能耗进行分析，其分析结果如表1所示。

表1 未进行变水温调节前机组运行状态

由表1可知，当机组在以设定温度为7 ℃，定流量运行时，机组运行效率较低，尤其当机组处于部分负荷时，机组效率极其低，会造成严重的能源浪费。

3.2.2 同一负荷，不同出水温度

在50%负荷时，供水温度从额定输出温度到最佳供水温度过程中热泵机组以及末端空调房间的数据分析如表2所示。

表2 同一负荷，不同出水温度下机组运行状态

表2 表明：1)夏季供冷，当机组处于部分负荷状态下运行时，在不影响室内舒适度的前提下，适当提高出水温度，能够降低机组的功率，提高机组的COP，从而达到节能效果；2)出水温度越接近最佳温度，机组输入功率越低，COP越高，节能效果越好。

3.2.3 不同负荷下最佳供水温度

在负荷逐渐上升过程中，选取50%，80%以及100%负荷率，对机组以及末端房间数据分析。分析结果见表3。

表3 不同负荷下最佳供水温度的机组运行状态

根据表3可知，当冷冻水供水温度均为各负荷状态下的最佳供水温度时，机组效果明显提高，具有显著的节能效果。

综上所述，可得出以下结论：1)变水温调节方式在地源热泵空调系统中具有可行性；2)变水温调节在地源热泵空调系统上的应用具有明显的节能效果。

3.3 节能效果分析

以50%负荷率为例：由机组特性所知，压缩机输入功率即为机组功率。当负荷率为50%时，调节前机组每小时耗电量为8.3 kW·h，调节后每小时耗电量为6.8 kW·h，则变水温调节前后每小时节电量为：8.3-6.8=1.5 kW·h，节能比为18.07%。

负荷率分别为50%，80%和100%时的节能比如图4所示。

由图4可知，在部分负荷时，地源热泵系统采用变水温调节能够有效的节约能耗，且在负荷率较低时，节能效果明显。

4 结语

1)夏季供冷时，浅埋式地源热泵系统采用变水温调节具有可行性。2)针对不同负荷率，在保证室内环境处于舒适度范围前提下，变水温调节能够提高机组COP，降低机组能耗，具有明显的节能效果。3)浅埋式地源热泵系统在进行变水温调节时，空调末端负荷较低时，节能效果较为明显。

[1] 李高建，胡玉叶，朱秀斌.地源热泵技术的研究与应用现状[J].制冷与空调，2007,21(4)：105-108.

[2] 邓 祺，刘新民.不同节能控制技术在空调冷水系统中的碰撞[J].暖通空调，2015,45(4)：12-20.

[3] 刘金平，周登锦.空调系统变冷水温度调节的节能分析[J].暖通空调，2004，24(5)：90-91.

[4] 刘金平，唐 娟.中央空调系统变水温调节可适用性研究[J].建筑科学，2011，27(2)：78-82.

[5] 陆琼文，刘传聚，曹 静.浦东国际机场变空调供水温度节能运行方案分析[J].暖通空调,2003,33(2):123-125.

[6] 刘金平，麦粤帮.中央空调系统变水温和变水量协调优化控制研究[J].建筑科学，2007，23(6):12-15.

[7] 李恺渊，王景刚.冷却塔辅助冷却地源热泵技术经济分析[J].建筑节能，2007，33(1)：58-61.

Study on the energy-saving effect of variable temperature adjustment in a Suzhou area ground source heat pump system

Chen Zhangyu Liu Chenggang*

(SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215009,China)

Taking shallow ground source heat pump system of an office building in Suzhou as an example, according to the problems of this system during the summer cooling energy use low efficiency, made variable water temperature regulation, and analyzed its energy saving effect, the results showed that during the summer cooling, compared to fixed temperature system, the variable temperature regulation had obvious energy-saving effect.

ground source heat pump system, water temperature, energy saving, load

1009-6825(2016)27-0175-03

2016-07-18

陈章宇(1991- )，男，在读硕士

刘成刚(1958- )，男，教授

TU831.3

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