校园建筑中水源热泵能源站系统夏季运行特性研究

胡映宁，苏锦文，张恒，雷俊

（广西大学机械工程学院，南宁 530004）

1 引言

水源热泵凭借其高效、节能、环保等优势受到人们广泛关注。文献[1]基于热经济学和定量分析理论，通过实验比较了传统的水源热泵系统和优化后的水源热泵系统的参数，发现优化后的热泵系统压缩机的功率消耗更小。文献[2]借助Force Contro16.0软件设计了再生水源热泵系统的监控系统，对全国20多个地区再生水处理基地进行实时监测，为再生水源热泵技术的应用提供指导。文献[3]基于TRNSYS构建了冷却塔复合水源热泵系统的动态模型，提出了依据温差来控制冷却塔启停的优化控制策略。在集中供冷供暖研究方面，文献[4]介绍了水源热泵能源站作为区域能源中心，在设计特点上有很大的不同，要综合考虑低温热源、供冷供热输送管网布置、机组配置、末端设置等方面。文献[5]以上海世博园江水源热泵区域供冷系统为研究对象，分析系统在区域化应用中的系统流程对水质的影响。文献[6]将南京鼓楼软件园江水源热泵区域供冷供暖系统和东京晴海广场区域供冷供暖系统作对比，最终结果表明，要提高系统的能效比，区域能源站系统应该尽量设置在靠近冷负荷集中的区域。

可见，国内外学者对水源热泵集中供冷供热开展了大量研究，但对校园建筑群相对集中、用能规律强的学生公寓的水源热泵能源站系统的针对性研究还较少，尤其是针对夏热冬暖地区，校园建筑以水源热泵能源站供冷的运行特性研究还比较欠缺。本文以崇左某高校水源热泵能源站系统为研究对象，研究了在夏季制冷工况下的运行特性。

2 项目概况

该项目分2期进行，本文只研究一期项目1#～4#学生公寓供冷。一期学生公寓使用空调的建筑面积为15 318 m2，能容纳约4 500名学生入住，由于本项目是在新校区，本文研究时间的在校学生人数约3 000人。本项目采用区域供冷热泵系统能源站为学生公寓楼提供冷量，该项目地处夏热冬暖地区，夏季制冷时间长、制冷负荷大，学生公寓制冷负荷峰值为2 451 kW，各栋建筑的具体冷负荷如表1所示。

3 实验方案与测试内容

本次实验采用单因素法。夏季制冷以冷却塔为释热源，根据相应工况下制订实验方案，在水源热泵系统制冷运行时，研究机组运行时间、不同的主机负荷、循环泵流量等条件改变时对水源热泵系统能效的影响。具体方案如下：第一天早上7：00开机运行，保持机组连续运转72 h，每隔10 min，温度巡检仪自动记录1次数据。对水源热泵系统各设备进行测试，主要记录的数据为：蒸发器侧和冷凝器侧的进、出水温度，室内外温度，热泵机组的功率、蒸发器侧和冷凝器侧的进、出水流量。水源热泵能源站实验原理如图1所示。

本次实验的变量调节范围如表2所示。

图1 水源热泵能源站实验原理图

表2 实验的变量调节参数

4 水源热泵能源站系统的运行特性分析

以下内容分析均以冷却塔为释热源。

图2为测试时间内冷却水流量、冷冻水流量以及机组的制冷量随机组运行时间的变化关系图。在9：00～11：30上午时段，由于上午时段大部分学生都去上课，学生公寓楼的冷负荷较低，所以冷冻水流量和制冷量都较低；在11：30～15：00中午时段，室外温度越来越高并且很多学生都回学生公寓午休，学生公寓使用空调的人数增多，导致机组负荷增大，从而冷冻水流量和机组制冷量都有一个上升幅度较大的过程，由图2可知，在11：30时，冷冻水的流量和机组制冷量急剧上升，冷冻水的流量由150 m3/h上升到195 m3/h，机组的制冷量由495 kW上升到910 kW，在13：30时，冷冻水流量达到最大值212 m3/h，机组制冷量达到最大值1 327 kW，说明此时是学生公寓使用空调的高峰期；在15：00～18：00下午时段，由于大部分学生去上课，学生公寓楼的冷负荷逐渐降低，因此冷冻水流量和制冷量也会相应减小，在18：00时，冷冻水流量降到最小181 m3/h，机组制冷量降到最低782 kW，此时段学生公寓使用空调较少；在21：00～24：00晚上时段，所有学生回公寓休息，学生公寓楼的冷负荷较高，冷冻水流量又会重新达到最大值205 m3/h，机组制冷量达到最大值1 132 kW，此时段是学生公寓使用空调的另一高峰期。

图3为机组和系统能效比与机组负荷的变化关系图。从图3中变化曲线可知，机组和系统能效比随着机组负荷的增大而增大，当机组负荷从40%增加到100%时，机组能效比从4.9增加到6.1，系统能效比从3.2增加到4.7，当机组负荷从40%增加到60%时，机组和系统的能效比上升速度较快，机组能效比从4.9增加到5.7，系统能效比从3.2增加到4.0，当机组负荷从60%～80%时，机组和系统能效比稳步提升，机组能效比从5.7增加到6.0，系统能效比从4.0增加到4.5，当机组负荷从80%增加到100%时，机组和系统的能效比上升幅度较为平缓，机组能效比从6.0增加到6.1，系统能效比从4.5增加到4.7。

图2 系统水流量以及制冷量随运行时间的变化情况

图3 机组负荷对机组和系统能效比的影响

图4为机组和系统能效比与冷却水流量的变化关系图。由图4可知，机组和系统能效比随着冷却水流量的增大而增大，当冷却水流量从160 m3/h增加到180 m3/h时，机组能效比从5.3升高到6.1，系统能效比从3.7升高到4.7，当冷却水的流量继续从180 m3/h增加到185 m3/h时，机组和系统能效比基本保持不变，维持在6.1和4.7左右，说明此时机组运行达到稳定状态，由此可知，在夏季制冷工况下，冷凝侧冷却水的流量对机组和系统的能效比有很大影响，系统冷却水流量的最佳范围为180～185 m3/h。

图5为机组和系统能效比与冷冻水流量的变化关系图。由图5可知，机组和系统能效比随着冷冻水流量的增大而提高，当冷冻水流量从185 m3/h增加到205 m3/h时，机组能效比从5.1升高到6.0，系统能效比从3.8升高到4.7，当冷冻水的流量继续从205 m3/h增加到210 m3/h时，机组和系统能效比基本保持不变，维持在6.0和4.7左右，此时机组运行达到稳定状态，由此可知，在夏季制冷工况下，蒸发侧冷冻水的流量对机组和系统的能效比有很大影响，系统冷冻水流量的最佳范围为205～210 m3/h。

图4 冷却水流量对机组和系统能效比的影响

图5 冷冻水流量对机组和系统能效比的影响

5 水源热泵系统能耗分析

在测试期间，机组平均每天耗电量为1 598 kW·h，水泵耗电量为1 027 kW·h，冷却塔耗电量156 kW·h，空调末端耗电量134 kW·h，水源热泵系统总耗电量为2 915 kW·h。

由于每天学生公寓使用空调的房间数会出现2个高峰期，所以在测试时间内统计了不同时段学生公寓的空调使用情况，平均每天上午有38间宿舍使用空调，持续时间约为1.5 h；平均每天中午有240间宿舍使用空调，持续时间约为2.5 h；平均每天下午有80间宿舍使用空调，持续时间为3 h；平均每天晚上有260间宿舍使用空调，持续时间为10 h；现在很多高校宿舍还是采用传统壁挂式分体空调，1.5匹壁挂式分体空调每小时耗电量约为1.1 kW·h，如果该项目也采用这种空调，那么在相同的运行工况下，每天的耗电量W为：W=(38×1.5+240×2.5+80×3+260×10)×1.1=3 846.7

与传统壁挂式分体空调相比，该项目采用水源热泵系统每天大约可以节能：

所以水源热泵系统能源站在集中供冷方面节能优势较为明显，在校园建筑中有巨大的应用价值，值得大范围推广、使用。

6 结论

1）根据实验数据分析可知，每天学生公寓的用能规律为：在9：00～13：00上午时段，由于冷负荷需求小，机组的制冷量较低，逐渐增加的幅度也很小，在11：30～13：00机组制冷量增幅突然增大，在13：00达到峰值1 327 kW，说明此时是使用空调高峰期；在下午时段，机组制冷量逐渐降低，在18：00降到最低782 kW；在晚上时段，空调末端使用人数又逐渐增加，机组制冷量会重新达到峰值1 132 kW，因此，设备的运行情况应与冷负荷需求相匹配，实现经济节能的运行策略。

2）机组在夏季工况运行时，当冷冻水的流量保持在205～210 m3/h，冷却水的流量保持在180 ～185 m3/h，机组COP达到最大值并稳定在6.1左右；系统COP达到最大值并稳定在4.7左右，此时系统节能、高效、稳定运行，为系统的最佳运行工况。

3）当机组负荷从40%增加到60%时，机组和系统的能效比上升速度较快，机组能效比从4.9增加到5.7，系统能效比从3.2增加到4.0，当机组负荷从60%～80%时，机组和系统能效比稳步提升，机组能效比从5.7增加到6.0，系统能效比从4.0增加到4.5，当机组负荷从80%增加到100%时，机组和系统的能效比上升幅度较为平缓，机组能效比从6.0增加到6.1，系统能效比从4.5增加到4.7。

4）在夏季制冷工况下，与传统壁挂式空调相比，水源热泵能源站系统每天可以节能24.2%，有巨大的节能优势，在集中供冷建筑中有良好的应用前景。