某地下水源热泵系统运行策略优化研究

2018-10-16

制冷学报 2018年5期

(1 华中科技大学能源与动力工程学院武汉 430074； 2 北京华誉能源技术股份有限公司北京 100083)

地下水源热泵系统是一种充分利用浅层低品位地能的地源热泵形式，近年来已逐渐成为建筑供冷、供暖的主要应用形式之一。

国内外许多学者都对地下水源热泵系统进行了研究，S. L. Russo等[1]研究了蓄冷与地下水源热泵结合的系统，结果表明增加蓄冷装置后，降低了系统对环境的影响且减少了系统能耗；K. Woods等[2]对均匀间隔水井的热响应性进行了综合分析，建立了相应的数值模型，并进行实验验证；Y. Nam等[3]研究了三维地下抽灌井过程的数值计算方法，并进行实验验证，利用计算可以很好地预测地下水源热泵系统的COP和其它性能；O. Güven等[4]利用解析模型方法对理想含水层储能系统的热量损失进行了评价分析；S. Chevalier等[5]应用随机游离法对多孔介质含水层储能进行了模拟研究；Y. Fujimitsu等[6]监测了地下水源热泵所在地的地下水位和温度，并由此模拟了地下水源热泵对地表下热环境变化的影响。

Zhou Zhihua等[7]对地下水源热泵在国内不同地区应用的可行性进行了分析，结果表明在严寒B区和寒冷地区热泵的经济性较好，而在严寒A区、夏热冬冷地区及夏热冬暖地区经济性较差。潘俊等[8]利用FEFLOW软件对沈阳地区某地下水源热泵项目进行了地下温度场的模拟，预测了传热温差不同时，地下水温度的变化趋势。傅允准等[9]通过实验方法，得出了地下水温度的变化对热泵机组性能的影响。张淑秘[10]对不同地区的地下水源热泵空调系统进行模拟分析，得出在冷热均衡的地区地下水源热泵具有较好的运行优势。武佳琛等[11]对某复合式地源热泵系统进行多年的运行模拟，得出夜间间歇的地源热泵机组优先制冷的运行方式是较优的运行策略。

目前，国内外关于地下水源热泵的研究主要集中在地下水源热泵的适用性、经济性评价，数值分析和技术改进[12]，对实际系统运行的管理策略方面研究较少，而地源热泵系统运行节能与否，除了与系统设计和施工质量等因素有关外，还与系统的运行控制策略息息相关[13]。本文对某地下水源热泵系统进行实验分析并提出优化的节能运行策略。

1 系统简介

1.1 地下水源热泵系统

研究对象为河南省一栋办公大楼，分为东楼、西楼、南楼和北楼，其中北楼地下1层、地上9层，南楼、东楼、西楼各5层。建筑总面积约25 000 m2，建筑高度42.9 m。空调末端设计冷负荷为2 438 kW，热负荷为1 696 kW。空调冷热源为2台型号为HE1200B的涡旋机组，夏季制冷高峰期时2台机组全开，冬季采暖时开启1台，系统运行2台循环水泵，均为变频控制，热源井设计10眼井，2口抽水井，7口回水井，1口抽水井备用，潜水泵共4台，用2备2。冬夏季工况由管路中阀门切换控制，夏季冷水供回水温度设计为7 ℃/12 ℃，冬季热水供回水温度为45 ℃/40 ℃，末端设备均采用风机盘管。

机组的启停及压缩机的频率均由运行人员控制，一般运行时间为周一至周五08∶00—17∶30。

1.2 数据监测采集系统

系统采集的数据主要有分水器压力、分集水器压差、冷冻水供回水温度、压缩机运行数量、累计流量、系统功率、循环水泵频率、压缩机功率。其中每项数据采集频率均为10 min。监测时间覆盖整个夏季工况和冬季工况。系统原理如图1所示。

图1 系统原理Fig.1 Principle of the system

2 系统运行节能实验研究

2.1 系统运行现状

原有运行策略是根据运行人员经验来设定冷冻水供水温度，即人为预测开机时的供水温度范围，并保持不变，其热负荷与供水温度变化如图2所示。由图2可知，原有运行策略为室内热负荷越高时，设定的供水温度越低，且供水温度的波动范围约为3 ℃。

图2 热负荷与供水温度变化Fig.2 Variation of heat load and water supply temperature

理论上供水温度越低，室内温度降到适宜区域所需时间越少[14]，故原有运行策略的优势在于开机后可迅速使室内温度达到适宜区域。但室内温度满足热舒适性条件后，还保持设定的初始供水温度不变会造成大量的冷量浪费，如实际中有很多末端用户选择开窗来调节室内温度。

从现场运行中观察可知，当2台机组运行时，2台备用机组的旁通阀处于开启状态，此时机组冷冻水出水温度和冷冻水主供水温度之间的温差为2～3 ℃，且循环水泵工频运行时，冷冻水流量约为180～190 m3/h；而关闭2台备用机组的旁通阀后，机组冷冻水出水温度与冷冻水主供水温度基本一致，但循环水泵工频运行下的冷冻水流量仅为130～140 m3/h。在同等能耗条件下，开启旁通阀，系统流量增大，但只有一部分冷冻水的回水经过机组制冷，另一部分回水与机组冷冻水出水汇合，进入冷冻水主供水管道；关闭旁通阀，系统流量减小，所有冷冻水回水均经过机组制冷处理。

2.2 系统节能优化策略及实验

根据现场运行现状分析，系统还存在较大的节能潜力，基于初始供水温度的设定进行节能运行策略优化：机组开启时设定较低的供水温度，根据室内初始温度设定机组运行时间，待室内温度达到可接受温度上限时，再提高供水温度，使室内温度稳定在可接受温度上限以下。该策略既满足了热舒适性需求，又避免了冷量的浪费。

优化的节能运行策略关键在于确定机组在初始供水温度运行的时间及供水温度变化对节能效果的影响[15]。因此本文分析了室内温度的变化规律并设计了冷冻水供水温度调节实验，且对上述旁通阀开闭状态对系统能耗的影响进行了实验分析。

1)冷冻水供水温度调节实验：现场操作中，机组供水温度调节由设定温度区间来控制，将设定供水温度以上2 ℃、以下1 ℃作为控制区间，当供水温度超出区间上下限时，机组才会启停压缩机。在气象数据相近的条件下，保证室内的热舒适性，对比不同设定供水温度下系统运行电量。

2)旁通阀关闭实验：旁通阀关闭对机组的制冷量没有影响，只会导致主冷冻水供水温度下降，但当机组冷冻水主供水温度达到控制区间下限时，机组会自动关闭压缩机，减少制冷量供应。在气象数据相近的条件下，保证室内的热舒适性，对比旁通阀开启与关闭时系统或循环水泵运行的电量。

3 实验及数据分析

3.1 室内温度与运行时间

工作日内室内温度随时间变化的规律可以反映机组运行的效果，图3为某一周工作日室内温度逐时变化，可以发现室内初始温度越高，降到某一温度时所需时间越长。

图3 工作日室内温度逐时变化Fig.3 Indoor temperature variation of workday

根据GB/T 50785—2012 民用建筑室内热湿环境评价标准[16]及文献[17]中对室内热舒适性温度的研究，设定本文建筑室内可接受温度上限为27.5 ℃。利用MATLAB线性拟合初始室内温度与室内温度达到27.5 ℃所需时间，若不同日期的初始室内温度相同，则取降温耗时长的日期作为样本点，结果如图4所示。直线拟合的方程为：y=77.84x-2 124，其中y为室内温度达到27.5 ℃所需时间，min;x为初始室内温度,℃。

图4 初始温度与降温时间关系Fig.4 The initial temperature varies with the cooling time

运行策略中机组在初始供水温度下运行的时间可由室内初始温度决定，输入室内初始温度后，由上述拟合方程得到机组运行时间。在此策略下运行，室内温度不会一直呈下降趋势，而是达到可接受温度上限后，维持在温度上限以下波动，避免了冷量的浪费，降低了系统能耗。

3.2 实验结果

两组实验的前提条件是气象数据近似，根据新乡当地气象数据记录情况，筛选了6月15日和6月16日两天工况作为实验对象，分别称为典型日一和典型日二，两天的工作时间气温变化如图5所示。

图5 气温变化趋势Fig.5 Variation trends of temperature

对比供水温度高低对系统能耗的影响需要相近的天气情况，选取典型日一与典型日二7∶50—9∶50时段进行能耗对比，由图5可知，此时段内的天气参数与变化趋势保持一致，典型日一、二设定的供水温度分别为12 ℃和11 ℃，系统2 h累计耗电量对比如图6所示。

图6 典型日一、二累计耗电量Fig.6 Cumulative power consumption of typical day one and typical day two

由图6可知，供水温度由11 ℃升至12 ℃时，系统2 h累计节省耗电量37.8 kW5h。因此提高供水设定温度对优化系统的节能运行效果明显，由此可证明优化的节能运行策略在能耗上比原有运行策略更具有优势。

由3.1节可知，旁通阀开启或关闭的情况下，循环水泵工频运行时的流量不同，引入流量频率比，即循环水流量与循环水泵频率之比，以分辨旁通阀的开闭状态。

数据分析可知，若旁通阀的开闭状态不变，则流量与频率之比会稳定在某一数值附近，仅发生小幅波动；而旁通阀状态变化后，两者间的流量频率比则会相差很远。上述特性可作为数据分析时，判断是否开关旁通阀的主要判据。

图7所示为典型日一流量频率比变化特性曲线。旁通阀全天保持开启状态，流量频率比与上述分析保持一致，保持在3.9左右波动。图8所示为典型日二的流量频率比变化特性曲线。开旁通阀后，流量频率比在3.7左右波动，而关闭旁通阀时在2.5～2.8之间。这是由于机组阀门关闭时，系统循环水流量减少，因此出现小流量频率比的情况。