北京回龙观医院地源热泵空调系统诊断调适

中国建筑科学研究院有限公司 张志杰北京回龙观医院 庞 宇中国建筑科学研究院有限公司 狄彦强 刘寿松 赵 晨

0 引言

随着公共建筑规模的不断扩大，公共建筑的能耗已经占据我国建筑能耗中很大的一部分[1]。医院建筑，不同于普通公共建筑，其基本全天运行，整体能耗较高。根据对医院建筑用能特点的研究，在医院全年能耗中，约40%～50%由空调制冷与供暖系统产生，约10%～20%由照明产生，约15%～20%由生活热水及医用、厨房蒸汽[2]产生。冷热源能耗占医院建筑能耗较大比例，因此，对医院建筑进行节能改造势在必行。医院建筑节能改造应从节能潜力大、操作性强、适合大面积推广且具有良好投资效益的技术入手。本文以回龙观医院地源热泵空调系统诊断调适为例，通过低成本系统调适，降低地源热泵侧水力能耗，实现系统节能运行，取得较好的经济效益，希望为其他医院建筑的运行管理提供一定的借鉴，真正意义上实现“小投入，大收益”。

1 工程概况

北京回龙观医院是北京市最大的公立三级甲等精神卫生专科医院，编制床位1 369张，占地面积14.7万m2，建筑总面积6.8万m2。本次调适对象为医院门急诊综合楼地源热泵空调系统。该楼于2016年10月正式投入使用，建筑面积为22 052 m2，其中地上面积15 000 m2，地下面积7 052 m2。建筑层数为地上7层，地下2层，主要功能划分包括急诊、门诊、医学研究中心、治疗中心、医学检验中心、康复中心、职能办公室等。

该医院门急诊综合楼采用2台单螺杆式地源热泵机组作为空调系统的冷热源，单台机组额定制冷量为872.6 kW，额定制热量为843.5 kW，夏季供冷设计供/回水温度为8 ℃/13 ℃，冬季供暖日常运行供/回水温度为45 ℃/39 ℃。冷热源机组配备2台冷水变频循环水泵及2台冷却水变频循环水泵，水泵额定功率均为22 kW。通过对热泵机房及系统管道保温情况进行现场调研后发现，空调机房整体运行状况良好，管道保温防护措施较好，未发现“跑冒滴漏”现象。

2 系统测试诊断分析

2020年7月28—31日，在1台机组、2台冷水循环泵及2台冷却水循环泵正常开启的状态下，分别使用热电偶、温度记录仪(精度为±0.1 ℃)及超声波流量计(精度为±1.5%读数)对冷水机组及地源侧的供回水温度和供回水流量进行现场实测。

2.1 供回水温度分析

整个测试期间，空调侧及地源侧供回水温度变化如图1所示，从图中可以看出，空调侧与地源侧供回水温差相差不大，基本维持在1.4～2.6 ℃，远低于设计的供回水温差5 ℃。白天(07:00—19:00)空调侧供/回水平均温度为13.8 ℃/15.8 ℃，高于机组设计的供/回水温度8 ℃/13 ℃。夜间(19:00至次日07:00)冷凝器出水温度及蒸发器进出水温度均呈现出周期性波动，说明夜间冷负荷较小，机组负载过低，出现频繁启停状态。

图1 空调侧及地源侧供回水温度变化曲线

由于空调机组冷水温度较高，新风机组除湿能力有限。尤其当前疫情期间，医院采取全新风运行，新风量加大导致室内湿度过高。若突然调低送风温度，在空调送风口位置会出现结露凝水现象。

2.2 供回水流量分析

对地源热泵机组的供回水流量进行了实测。其中，机组空调侧干管平均水流量为263 m3/h，两支管平均水流量分别为94、112 m3/h。两支管总流量为206 m3/h，较干管水流量减小了21.7%。初步判定为部分冷水通过供回水旁通管循环，造成不必要的能量损失。

热泵机组空调侧实测平均水流量为263 m3/h，设计工况下单台机组运行空调侧额定水量为150 m3/h，存在典型的大流量小温差运行问题。热泵机组地源侧实测平均水流量为313 m3/h，设计工况下单台机组运行地源侧额定水量为180 m3/h，也同样存在典型的大流量小温差运行问题。

该项目设计工况下，1台热泵机组对应开启1台地源侧循环水泵和1台空调侧循环水泵，而实际运行工况下运维人员担心不能保证最不利环路室内效果，在开启1台热泵机组时地源侧水泵和空调侧水泵各开启2台，这是系统流量偏大的主要原因，同时也导致循环水泵耗电量占比偏高，进而促使整个系统能效比偏低。

2.3 机组运行能效分析

通过计算热泵机组供冷量、热泵机组及循环水泵耗电量，得出测试期间地源热泵机组的平均制冷性能系数(COP)为4.97，地源热泵系统的平均制冷性能系数为2.80，不满足GB/T 50801—2013《可再生能源建筑应用工程评价标准》中地源热泵系统平均制冷性能系数≥3.0的要求。

2.4 诊断问题分析

通过对该项目供回水温度、流量、机组及系统能效等参数测试分析及对机组和水泵耗电量记录分析，发现存在以下几点问题：1) 热泵空调侧及地源侧供回水温差不足设计温差一半；2) 热泵机组出水温度偏高，近14 ℃，远高于设计出水温度；3) 系统实际运行水量远大于设计所需水量，造成大量循环水泵能量浪费；4) 循环水泵耗电量比例远高于常规系统；5) 热泵系统实际运行能效比小于《可再生能源建筑应用工程评价标准》中要求的最低值。该项目地源热泵系统长期处于大流量、小温差、高能耗运行模式，造成大量资源浪费。

3 系统调适

3.1 调适措施

结合前期对地源热泵机组的运行诊断分析结果，针对该医院地源热泵系统运行过程中存在的主要问题，重点从以下几方面进行现场调适：1) 关闭1台地源侧循环泵和1台空调循环泵，保证热泵系统运行状况接近设计工况；2) 对最不利环路进行专项诊断，若存在问题则进行水力平衡调试，避免出现末端区域室内环境不满足要求；3) 调整机组出水温度，增大供回水温差，提高输配系统效率；4) 调整新风机组阀门开度，避免出现结露问题。为避免调适影响医院内部功能房间正常使用，本次仅关闭1台地源侧循环泵进行调适效果验证。经现场实测及后续效果跟踪，关闭地源侧循环泵对末端使用情况无任何影响，风管及末端也未出现局部温度不能满足使用要求等情况。

3.2 调适前后系统能耗分析

在其他设备运行参数及末端需求未作调整的前提下，对关闭1台地源侧循环泵前后4 d的机组和水泵耗电量数据进行了统计分析，结果如图2所示。调适后地源热泵机组日均耗电量较调适前增加约25 kW·h。然而，调适后的水泵耗电量较调适前有明显降低，日均耗电量减少约350 kW·h。因此，关闭1台地源侧循环泵前后地源热泵系统耗电量每天减少约325 kW·h。

图2 调适前后地源热泵机组及水泵日耗电量变化

进一步对比2019年8月与2020年8月地源热泵机组及循环水泵的日耗电量情况，结果如图3所示。2020年和2019年8月地源热泵机组日均耗电量分别为652、604 kW·h；2020年和2019年8月循环泵日均耗电量分别为1 940、1 516 kW·h。2020年8月热泵机组和循环水泵的耗电量高于2019年同期。这与2020年疫情期间新风量加大有直接关系。此外，该项目热泵系统循环水泵的耗电量要明显高于热泵机组耗电量，循环水泵耗电量约为热泵机组耗电量的2.5～3.0倍，存在严重的输配系统能耗偏高问题。

如图4所示，在房间使用功能及运行策略未作调整的情况下，2020年8月地源热泵空调系统日均耗电量较同期增加477.7 kW·h，增加幅度为23.3%。主要原因在于，新冠疫情期间，为保障室内人员卫生安全，房间新风量加大，从而导致新风负荷增加。从上述结论也可以看出疫情对医院空调系统能耗增加具有显著的影响。此外，近2年典型月回龙观医院地源热泵系统全天运行期间，70%以上耗电量为循环水泵耗电，因此，针对该项目而言，对循环水泵运行策略优化具有较大节能潜力。

图4 2020年8月与2019年8月日均耗电量对比

从图3和图4分析可知，该项目2020年8月循环水泵每日耗电量约为2 000 kW·h，循环水泵耗电量异常偏高。现场检测可知，地源侧和空调侧每台循环水泵额定功率均为22 kW，4台水泵总额定功率为88 kW。由此可以推断，2020年8月2台循环水泵基本全天24 h运转，而对应热泵机组仅开启1台运行，且根据热泵机组运行记录可知，机组整体负荷率较低，累计运行时间较短，最终导致机组耗电量低于循环水泵耗电量，也凸显了大流量小温差运行模式带来的典型问题。

3.3 调适节能效益评估

根据历年运行数据及现场检测情况进行综合考虑，在保证室内效果前提下，夏季运行时空调循环泵和地源侧循环泵按设计工况正常运行，同时考虑末端用能需求，通过降低冷水供水温度，加大供回水温差，并伴随调整系统新风量。在满足末端需求情况下，降低输配能耗，实现运行节能。

针对本项目而言，若能根据系统实际运行需求，夏季工况下，合理关闭地源侧和空调侧各1台水泵，热泵系统每日可节省电量约600 kW·h，每月可节约用电约1.8万kW·h，节能效益明显。

4 结语

通过对公共建筑运行能耗的影响因素及存在的问题进行调研，发现普遍存在水泵选型及工作状态不佳的问题，大多数公共建筑空调系统存在水泵选型偏大的问题，且变频调节的比例不高。偏离正常工作点情况较多[3]，小温差现象突出。本文结合对北京回龙观医院地源热泵空调系统的冷热源机组及水泵能耗数据进行实测分析，针对每天24 h持续运行的医院建筑，对其冷热源系统的运行维护提出以下几点措施建议：

1) 合理设置参数。

根据医院现有分区及房间功能情况，例如电梯间、走道、化验室、病房、办公室、手术室、洁净间等不同区域分别进行精细化设置，按需求设置，避免“傻瓜”式一键设定，降低末端实际负荷需求。

2) 完善历史数据。

在现有日常运行记录基础上增加必要参数(具体时间、室外温湿度、设备编号、水泵台数、机组负载等关键信息)、提高数据记录频率(目前每天仅记录一次)，并将纸质数据电子化。接入能耗监管平台，对历史数据实时记录。并结合医院实际业务量及人流量，对历史能耗数据进行分析整理，及时发现能耗异常点，挖掘节能潜力，便于调整运行策略，指导下一步节能运行方向。

3) 优化运行策略。

① 春秋过渡季工况。优先仅开启全新风运行模式，当室内温度不能满足要求时，启动地源侧循环水泵，利用地源侧循环水旁通直接进入空调末端进行供冷。根据室内温度情况，逐步增加循环水泵开启台数。

② 夏季工况。开启1台热泵机组，建议合理设定冷水供水温度，并密切关注室内结露情况，检查新风机组除湿能力，适时调整新风机组风量，避免出现大面积结露，同时空调侧及地源侧水泵各开启1台，尽量增大供回水温差，降低输配系统能耗。

③ 冬季工况。优先开启1台热泵机组供热，并密切关注供回水温差，同时空调侧及地源侧水泵各开启1台，尽量增大供回水温差(不小于5 ℃)，避免出现大流量小温差运行。

4) 完善规章制度。

建立健全人员管理制度、运行交接制度和激励及惩罚措施。后期运行中，加强运行管理，多方联动，以便最大限度地发挥系统节能性，实现更好的经济效益。

5) 加强宣传力度。

这种低成本调适措施在类似医院建筑冷热源系统中具备普适性，在保证供能效果的前提下，采取合理调整措施，降低运行成本，具备易操作、低成本、高收益的特点。