蘇州某地源熱泵系統變水溫調節方式節能效果研究

陳章宇 劉成剛*

(蘇州科技大學，江蘇 蘇州 215009)

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蘇州某地源熱泵系統變水溫調節方式節能效果研究

陳章宇 劉成剛*

(蘇州科技大學，江蘇 蘇州 215009)

以蘇州某辦公樓淺埋式地源熱泵系統為例，針對該系統在夏季供冷時能源利用效率低的問題，對其進行了變水溫調節，并分析了其節能效果，結果表明，在夏季供冷時，相比于定水溫系統，變水溫調節具有明顯的節能效果。

地源熱泵系統，水溫，節能，負荷

0 引言

目前國內建筑，空調能耗占建筑總能耗的比例越來越大，因此，多種節能型空調以及空調節能方式相繼出現在實際應用中。蒸發式冷卻器、磁懸浮變頻離心機組等等都具有高效的能源利用效率，其中磁懸浮變頻離心機組相比于普通機組，能夠節約30%以上的能耗。從節能方式入手，分為節能改造和運行調節兩種方式，節能改造主要針對已在使用且效率低下的機組和系統；運行調節可適應于各種空調系統，其方式主要有變風量、變流量、變水溫以及聯合使用四種，其中變水溫可分為漸變和定變水溫。文獻[1]中李高建，胡玉葉，朱秀斌說明了地源熱泵系統的研究和應用現狀。不同節能控制方式在空調冷水系統中獲得的效果也各不相同[2]。通過文獻[3]可知當空調系統在部分負荷時，保證室內處于舒適度環境前提下，變水溫調節具有明顯的節能效果。文獻[4]針對不同的建筑，空調系統采用變水溫調節在負荷降低時是適用的；文獻[5]中則提出了分階段變水溫運行，在上海浦東機場的負荷特點及氣象條件下，分階段變水溫能有效提高機組運行效率，降低運行能耗，節約運行成本。同時，基于變水溫和變水量的協調優化控制策略，在部分負荷時，節能效果更加明顯[6]。李愷淵，王景剛則提出了冷卻塔輔助冷卻地源熱泵系統，并對其做出了經濟分析，節能效果明顯[7]。

逆卡諾循環：

(1)

(2)

或:

ExQ0=T0Sf-Q0

(3)

由式(1)可知，當T↑時，熱泵機組的效率即機組COP會隨之提高；通過式(2)可得，當T↑時，在同等供冷工況下，熱泵機組的輸入功降低。以上表明，在部分負荷時，提高冷凍水的供水溫度，能夠提高機組的COP,降低能耗。

2 工程概況

本文所研究的是以土壤源熱泵為冷熱源的淺埋式地源熱泵空調系統，空調工程位于蘇州某辦公樓第3，4層，空調面積959 m2，夏季室內空調設計溫度風機盤管房間25 ℃(GB 50189—2005公共建筑節能設計標準)。經計算，該建筑冷負荷127 kW。選擇2臺水—水模塊式水源熱泵(冷水)機組，夏季供回水溫度為7 ℃/12 ℃。每臺機組制冷輸入功率14.2 kW，名義制冷量69 kW。根據測試報告，雙U地埋管夏季換熱量73.6 W/m，每個孔按50 m計算，打40 口井。考慮到地埋管長期使用會有一定的損耗，系統配置了1臺冷卻塔備用。冷卻水泵和冷凍水泵均為一用一備，工頻運行，其中冷卻水泵流量22 m3/h，功率4.4 kW;冷凍水泵31.3 m3/h，功率4.1 kW。冷凍水采用負荷側變流量、機組側定流量的一次泵系統。

工程系統圖如圖3所示。

3 實驗及數據分析

3.1 實驗步驟

首先根據不同的負荷，通過實驗選取最佳供水溫度，具體實驗步驟如下：

1)當室內負荷處于滿負荷50%時，將供水溫度從7 ℃提高到8 ℃，通過樓宇自控系統記錄下冷凍水與冷卻水的流量以及供回水溫度、室外溫度以及室內的溫濕度變化。

2)通過室內監測系統監測室內環境是否處于舒適度范圍內，若處于舒適度范圍則進行下一步，若不是則將溫度調回至7 ℃。

3)當室外負荷與之前處于相同負荷狀態時，將溫度提高到9 ℃后重復第1)，2)步驟。

以此類推，選出室內環境處于舒適度范圍臨界值的供水溫度，即為在室內負荷為50%滿負荷工況下的最佳供水溫度。

采用上述同樣的實驗步驟，選取出不同室內負荷時最佳供水溫度。同時，通過樓宇自控系統記錄下實驗所需數據。

3.2 數據分析

熱泵機組COP計算：

(4)

其中，Q為熱泵系統供冷量；W為熱泵機組的輸入功。

實驗所得數據可計算出熱泵機組的供冷量，Q與冷凍水的質量流量v、冷凍水供回水溫差Δt的關系如下所示：

Q=cmΔt=cρvΔt

(5)

其中，c為水的比熱容；ρ為水的密度。

熱泵機組的實際制冷效率為：

(6)

分析實驗部分所得數據，研究其節能潛力。

3.2.1 原始工況

在未進行變水溫調節時，對機組運行狀態及能耗進行分析，其分析結果如表1所示。

表1 未進行變水溫調節前機組運行狀態

由表1可知，當機組在以設定溫度為7 ℃，定流量運行時，機組運行效率較低，尤其當機組處于部分負荷時，機組效率極其低，會造成嚴重的能源浪費。

3.2.2 同一負荷，不同出水溫度

在50%負荷時，供水溫度從額定輸出溫度到最佳供水溫度過程中熱泵機組以及末端空調房間的數據分析如表2所示。

表2 同一負荷，不同出水溫度下機組運行狀態

表2 表明：1)夏季供冷，當機組處于部分負荷狀態下運行時，在不影響室內舒適度的前提下，適當提高出水溫度，能夠降低機組的功率，提高機組的COP，從而達到節能效果；2)出水溫度越接近最佳溫度，機組輸入功率越低，COP越高，節能效果越好。

3.2.3 不同負荷下最佳供水溫度

在負荷逐漸上升過程中，選取50%，80%以及100%負荷率，對機組以及末端房間數據分析。分析結果見表3。

表3 不同負荷下最佳供水溫度的機組運行狀態

根據表3可知，當冷凍水供水溫度均為各負荷狀態下的最佳供水溫度時，機組效果明顯提高，具有顯著的節能效果。

綜上所述，可得出以下結論：1)變水溫調節方式在地源熱泵空調系統中具有可行性；2)變水溫調節在地源熱泵空調系統上的應用具有明顯的節能效果。

3.3 節能效果分析

以50%負荷率為例：由機組特性所知，壓縮機輸入功率即為機組功率。當負荷率為50%時，調節前機組每小時耗電量為8.3 kW·h，調節后每小時耗電量為6.8 kW·h，則變水溫調節前后每小時節電量為：8.3-6.8=1.5 kW·h，節能比為18.07%。

負荷率分別為50%，80%和100%時的節能比如圖4所示。

由圖4可知，在部分負荷時，地源熱泵系統采用變水溫調節能夠有效的節約能耗，且在負荷率較低時，節能效果明顯。

4 結語

1)夏季供冷時，淺埋式地源熱泵系統采用變水溫調節具有可行性。2)針對不同負荷率，在保證室內環境處于舒適度范圍前提下，變水溫調節能夠提高機組COP，降低機組能耗，具有明顯的節能效果。3)淺埋式地源熱泵系統在進行變水溫調節時，空調末端負荷較低時，節能效果較為明顯。

[1] 李高建，胡玉葉，朱秀斌.地源熱泵技術的研究與應用現狀[J].制冷與空調，2007,21(4)：105-108.

[2] 鄧 祺，劉新民.不同節能控制技術在空調冷水系統中的碰撞[J].暖通空調，2015,45(4)：12-20.

[3] 劉金平，周登錦.空調系統變冷水溫度調節的節能分析[J].暖通空調，2004，24(5)：90-91.

[4] 劉金平，唐 娟.中央空調系統變水溫調節可適用性研究[J].建筑科學，2011，27(2)：78-82.

[5] 陸瓊文，劉傳聚，曹 靜.浦東國際機場變空調供水溫度節能運行方案分析[J].暖通空調,2003,33(2):123-125.

[6] 劉金平，麥粵幫.中央空調系統變水溫和變水量協調優化控制研究[J].建筑科學，2007，23(6):12-15.

[7] 李愷淵，王景剛.冷卻塔輔助冷卻地源熱泵技術經濟分析[J].建筑節能，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

陳章宇(1991- )，男，在讀碩士

劉成剛(1958- )，男，教授

TU831.3

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