某研发大厦土壤源热泵系统能耗分析*

宋 伟 张厚安 张华北 陈翔燕 刘 诚

(1.北方工业大学土木工程学院，100144，北京； 2.江苏盛世节能科技股份有限公司，222000，连云港)

我国建筑能耗随社会发展逐年增加，已超过我国总能耗的30%，而空调能耗在建筑能耗中占比约为30%～60%.[1]土壤源热泵系统因其经济、高效、节能、环保等特点得到业内人士的一致好评，但土壤源热泵系统在我国的应用起步较晚，系统在设计和施工方面也在逐步完善. 系统在设计阶段，大多仅考虑系统运行的可行性，对数据监测及运行维护等方面的重视有待加强. 系统在施工阶段，由于初投资较大，大多在安装控制器和监测器等方面节约成本. 不完善的自控设备导致机组启停策略不合理，进而加大了系统能耗.[2]因此我国真正实现土壤源热泵系统在实际工程中的高效节能，现阶段仍需深入研究.

对于土壤源热泵系统，近年来随着研究的逐渐深入，对土壤源热泵系统初投资、自控能力和运行策略等方面的关注也越来越多. 王松庆针对严寒地区土壤源热泵系统运行策略不合理的问题，提出了负荷域法和时间域法两种运行策略，提高了土壤源热泵系统运行的可靠性.[3]许本亮针对土壤源热泵系统初投资过大的问题，提出采用土壤源热泵系统与其他空调系统联合运行的策略.[4]曹金龙针对土壤源热泵系统控制不科学的问题，设计出一种变频器，以此来控制循环水的流量，并以某单位机关大楼为例，得出安装该变频器后每半年可节约电费4 779.2元.[5]欧阳长文针对土壤源热泵系统在运行时出现热堆积的现象，提出夜间冷却塔运行策略和夜间热泵制热工况运行策略，并通过模拟发现夜间热泵制热工况运行策略可有效解决此问题.[6]李元旦通过分析土壤源热泵冬季工况系统COP和压缩机COP，得出系统要获得更好的节能效果，必须减少循环泵和风机等设备的能耗.[7]

为进一步开展对土壤源热泵系统能耗的研究，本文以江苏省某土壤源热泵系统为例，经过现场测试和调研，采用实测调查法对该系统2016—2017年的室外温度、运行机组数量和总耗电量进行统计并分析，找出影响系统能耗的关键原因，并结合系统设备调查情况给出改造建议.

1 调查对象概况及内容

1.1 建筑概况

该项目主楼地上20层，地下2层，建筑面积49 016.83 m2，主要用于办公和科研工作；夏季最大负荷为2 585 kW，冬季最大负荷为1 395 kW. 副楼为图书馆，地上3层，地下1层，建筑面积13 116.16 m2.

1.2 土壤源热泵系统概况

表1给出该土壤源热泵系统主要设备情况，其中夏季采用3台土壤源热泵机组和1台冷水螺杆机组联合供冷，供回水温度为7/12 ℃，冬季集中热源为3台地源热泵机组，供回水温度为45/40 ℃. 冷冻水泵共有5台，其中#1、#2、#3水泵供应主楼，采用变频控制，#4、#5水泵供应图书馆，采用定频控制. 地源侧冷却水泵共有4台，其中#6、#7水泵采用变频控制，#8、#9水泵采用定频控制. 此外系统补水水泵2台，冷却塔1台(含冷却风扇2台与冷却水泵1台)均未采用变频控制. 末端为风机盘管加新风系统进行室内温度控制，其系统如图1所示.

表1 土壤源热泵系统主要设备参数

1.3 调查内容

土壤源热泵系统能耗的调查方法较多，其中设表实测法是通过在系统上设置电表来精准的测量耗电量，该调查方法因其误差较小常作为其他方法的对照基准，因此本文采用该方法采集2016年和2017年系统的逐日耗电量. 由于室外温度直接影响建筑物的负荷，进而影响机组运行数量，因此本文统计2016年和2017年逐日室外温度和机组运行数量，并分析室外温度对机组运行数量和耗电量的影响. 同时对系统设备进行现场调查，最终对机组启停策略进行合理性评估.

2 调查结果及分析

2.1 室外温度情况的调查及分析

图2比较了2016、2017年部分采暖季(1月—3月)和部分空调季(6月—8月)的室外平均温度. 在采暖季中，2016年1月室外平均温度最低，仅为0.3 ℃，2017年1月平均温度为2.3 ℃，同比上升2.0 ℃；在空调季中，2016年8月室外平均温度最高为27.1 ℃，2017年7月平均温度最高为29.8 ℃，同比上升2.7 ℃. 由此可见，该地区每年每月的室外温度都不尽相同，1月与7月相差较大.

2.2 系统能耗情况的调查及分析

表2给出了该系统2016年和2017年机组开启日期和耗电情况，系统单位面积年电耗在2016年与2017年分别为16.82 kW·h/m2、17.66 kW·h/m2，与江苏地区某11栋办公建筑统计得出的单位面积年电耗(10.12～38.72 kW·h/m2)相比相对较低[8]，由此可以看出土壤源热泵系统与其他空调系统相比在节能方面有很大优势，但仍有提升空间. 图3、图4给出了2016、2017部分采暖季(1月—3月)和部分空调季(6月—8月)的室外平均温度、机组开启数量和耗电量的对比情况. 从图中可以看出：

1)该系统当日耗电量与当日机组开启数量呈正相关，且二者在采暖季随室外温度的降低而升高，在空调季随室外温度的升高而升高. 这是由于室外温度决定着建筑物冷/热负荷，系统根据建筑物的负荷调整机组开启数量，而机组开启的数量直接影响着系统得总耗电量，因此合理控制机组开启数量对于降低土壤源热泵系统总能耗尤为重要.

2)整个系统当日耗电量差别较大，低峰时段仅有约2 000 kW·h，高峰时段可达约11 000 kW·h，这是由于该系统耗电量受机组开启数量、机组开启时间、系统设备情况、室外温度等多重原因影响，因此出现当日耗电量差别很大的情况.

3)2016年的6个月中，系统耗电高峰期出现在1月；2017年的6个月中，系统耗电高峰期出现在8月. 这是由于在2016年1月出现当日室外最低温度低于-10 ℃的情况，为避免室内温度太低而导致管道结冻，需要24小时不间断的开启机组，因此当日耗电量远大于其他日期的耗电量. 而2017年副楼图书馆在5月22日时投入使用，8月又出现室外温度高达38 ℃的情况，因此加大了2017年8月的系统耗电量.

表2 2016—2017年该系统能耗情况

2.3 机组启停情况的调查和分析

将2016年部分供暖季与部分空调季室外温度每5 ℃划分一个区间，观察机组开启数量的情况，从图5、图6可以看出，在2016年部分供暖季当日室外最低温度在-10～-5 ℃和-5～0 ℃的温度区间范围内，出现了3种机组开启数量的情况，而2016年部分空调季当日最高温度在30～35～35 ℃以上的温度区间也出现了相同的情况，表明该系统对机组启停数量的控制未根据建筑物负荷的变化而改变. 当日开启一台机组的耗电量约为2 400 kW·h，而开启两台机组的耗电量约为3 200 kW·h，由此可见，手动启停机组会直接导致机组开启数量偏多进而使系统耗电量增加.

表3可以看出2016年1月18日—24日该系统运行数据，1月18日—22日室外最低温度均高于-10 ℃，1月23日和24日的室外温度最低，达到-13 ℃，而该系统在1月18日就提前开启了3台机组，并且在23日、24日为防止管道结冻全天24小时开启3台机组，导致系统耗电量较高. 但是即使在室外温度较低的情况下，由于夜间建筑物内无工作人员，应适当减少机组开启数量，仅使室内温度达到管道不会结冻即可.

通过上述调查和分析，发现该系统主机没有明确的自动启停策略，仍以人工手动的启停操作为主，导致存在24小时满机组运行和机组开启数量对室外温度变化反应延迟等问题，无法有效降低系统能耗.

表3 2016年空调季部分运行数据

2.4 系统设备情况的调查及分析

该系统在设备安装时有约一半的水泵、冷却风机没有安装变频器，地源侧、冷却塔、空调侧等，也未安装供回水温度的监测器，部分安装的监测器也无法自动保存监测数据，无法即时反馈有效的能耗信息. 表4给出了该系统2016年和2017年空调机房设备维修情况.

表4 系统维修情况

结合现场调查，发现该系统长时间启停同一台机组，且没有明确的启停策略，导致系统机组经常由于马达线圈温度过高或油系统堵塞等原因发生故障. 水泵处由于没有安装变频器，系统实际工作压力经常大于设计工作压力，导致水泵的进出水橡胶软接多次起鼓、止回阀多次损坏.

3 节能改造建议

虽然该土壤源热泵系统与传统空调系统相比在节能、环保等方面有很大优势，但是由于初投资过大，在前期设计和施工阶段为了降低成本未完善系统自控设备和机组启停策略，导致该系统在实际运行中还遗留着一些问题，因此对该系统自控设备和运行策略等方面提出了改造建议和优化措施，主要有以下2个方面：

1)系统设备优化. 将系统地源侧、冷却塔、空调侧的水泵和风机加装变频器，加强该系统各设备间的联动配合. 对供回水管道和房间内的监测器进行完善，实现供回水管道和房间在温度上的即时监测、记录与反馈. 定期通过记录的运行数据，检查系统的运行状况，通过监测器与控制器的反馈信息，定期检查设备故障以及性能衰减情况，对于老化或损坏的设备及时进行调节、校准和更换，以便于更精准的调控整个系统.

2)机组启停策略优化. 综合该系统运行条件，设计出一种根据实时建筑室内温度和供水温度来控制机组启停的优化策略. 采暖季机组启停原理如图7所示，机组开启数量根据即时空调房间平均温度和机组供水温度的反馈信息进行增减机组调节，在满足室内温度要求的情况下，尽量减少机组的开启数量. 同时，在建筑物无人员的时间，设置房间最低温度，防止管道结冻；空调季启停原理如图8所示，由于无须考虑管道结冻的问题，因此在夜间等建筑内无人员的时间关闭所有机组.

4 结论

为了进一步降低土壤源热泵系统的能耗，对某研发大厦土壤源热泵系统进行能耗调查与现场调研，统计了该土壤源热泵系统2016年与2017年的室外温度、机组开启数量和系统耗电量数据，分析了三者之间的关系，并调查了该系统设备使用情况. 得出该系统有以下特点，并根据特点给出节能改造建议.

该系统机组未能根据室外温度与建筑负荷的变化进行合理启停. 机组开启数量直接影响系统总能耗，不合理的机组启停策略导致系统总能耗较高，2016、2017年该系统单位面积年电耗分别达到16.82 kW·h/m2、17.66 kW·h/m2. 系统在前期设计和施工时，为降低初投资，系统设备控制器和监测器安装不足，有效的能耗信息不能得到及时的反馈.

节能改造建议：1)将系统水泵和风机全部加装变频器，加强该系统各设备间的联动配合. 2)对供回水管道和房间上的监测器进行完善，实现对房间和供回水管道温度的实时监测. 3)通过房间温度和供水温度的反馈信息设计出了一种新的机组启停策略，机组能够在采暖季和空调季通过实时反馈的温度信息合理控制开启数量，实现在建筑物有人员时，以最少的机组开启数量满足室内热舒适要求，并且在供暖季建筑物无人员时，以最少的机组运行数使管道不结冻，以此实现降低系统能耗的效果.