綠色公共建筑地源熱泵系統供熱性能分析

文/寧昭允 郭虎，.身份證號：4078986030055；.身份證號：43698707904

綠色公共建筑地源熱泵系統供熱性能分析

文/寧昭允1郭虎2，1.身份證號：410728198603020551；2.身份證號：411326198707190412

近年來我國綠色建筑發展迅速，其中關于可再生能源系統應用的分析研究也受到了廣泛關注。本文先是分析了綠色公共建筑的定義，接著舉例對地源熱泵系統供熱性能進行了分析。

綠色公共建筑；地緣熱泵系統；供熱性能

1 綠色公共建筑的定義

綠色建筑是在建筑的全壽命周期內，最大限度地節約資源（節能、節地、節水、節材）、保護環境和減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑，即：“四節一環保”的建筑。這一定義明確了通過提高能源、資源利用效率，減少建筑對能源、土地、水和材料資源的消耗，提升建筑內部環境品質，減少建筑對外部環境影響的核心任務；突出了在“全壽命周期”范疇內統籌考慮的原則，強調了健康、適用、高效的使用功能要求，體現了“與自然和諧共生”、營造和諧社會的思想。

2 項目分析

該生態城公屋展示中心位于某市生態城15號地公屋項目內，該項目屬于公共建筑，其功能一部分作為公屋的展示、銷售，另一部分作為房管局的辦公和檔案儲存。該項目占地面積是約8090.7m2，建筑面積為3467m2，地上2層約3013m2，地下1層約454m2，建筑總高度為15m，其整體呈菱形，體形系數0.22，總體窗墻比0.2。

屋項目以我國綠色建筑的三星級為設計目標，優先采用各被動節能技術以降低建筑的能量需求；合理采用可再生能源以降低建筑的化石能源消耗，如地源熱泵系統；利用可再生能源實現年運行周期的“零能耗”，如光伏并網發電技術；充分利用場地雨水及市政中水，綜合采用多項節材措施，將其打造為生態城綠色建筑示范項目。

3 氣象條件變化與熱泵供熱能力分析

機組每天的制熱量基本維持在105～158kW，部分制熱量低于100kW，運行階段每天的制熱量平均值為132kW。室外溫度為0～9℃時機組制熱量浮動較小，機組在2014年12月、2015年1月份開機時間較長，工作時段內制熱量較穩定，2014年11月、2015年3月、4月份開機時間較短且不固定，制熱量浮動較大。

4 地源熱泵機組運行能效水平評估

4.1 采暖季熱泵機組能效系數

地源熱泵機組各傳感器采集的數據如表1所示。

表1 地源熱泵監測系統數據表

制冷機組在空調系統中裝機容量大，而在供暖季大部分時間，建筑物實際熱負荷小于設計工況，故熱泵設備多數時間是在部分負荷率下運行，其主要受室外氣象變化、建筑使用功能、正常工作時間等諸多因素影響。

4.2 綜合部分負荷性能系數

規范GB50189—2015《公共建筑節能設計標準》中規定電機驅動的蒸氣壓縮循環冷水(熱泵)機組的機組的綜合部分負荷性能系數(IPLV)的計算公式見式:

IPLV=1.2%×A+32.8%×B+39.7%×C+26.3%×D

式中:A為100%負荷時的性能系數，冷卻水進水溫度30℃；B為75%負荷時的性能系數，冷卻水進水溫度26℃；C為50%負荷時的性能系數，冷卻水進水溫度23℃；D為25%負荷時的性能系數，冷卻水進水溫度19℃。

本項目是螺桿式地源熱泵機組，經測試計算不同負荷下能效系數，在100%負荷時的性能系數為4.59，冷卻水進水溫度30℃；在75%負荷時的性能系數為5.26，冷卻水進水溫度26℃；在50%負荷時的性能系數為5.18，冷卻水進水溫度23℃；在25%負荷時的性能系數為4.32，冷卻水進水溫度19℃，計算可得IPLV是5.1。

但GB50189—2015《公共建筑節能設計標準》是根據我國典型公共建筑空調系統供冷負荷以及各負荷段的機組運行小時數計算的，不能代表特定地區具體建筑運行階段監測計算所得的綜合負荷部分能效系數，故本文用IPLV(H)表示該地區公屋展示中心熱泵機組的綜合負荷部分能效系數。

目前，許多標準體系已認可IPLV，但業內對其合理性存在爭議，以下2點爭議最多:

實際項目中冷水機組全年耗電量與其IPLV不一定呈負相關關系；IPLV計算公式的加權系數僅可反映單臺機組運行時間百分比，不能反映多臺冷水機組的聯合運行特性。

為排除不同氣候區氣象條件及機組負荷百分比權重對單臺機組能耗的影響，實時監測天津地區室外氣象參數，用COP對應的權重系數公式計算其權重系數，計算結果如下:

A=COP100%=3.76；B=COP75%=3.82、

C=COP50%=5.06；D=COP25%=5.38

a=89.46%；b=8.34%；c=2.19%；d=0.1%

從所得結果可知，機組在75%～100%負荷時的性能系數為3.76，其權重系數為89.46%、50%～75%負荷時的性能系數為3.82，其權重系數為8.34%、25%～50%負荷時的性能系數為5.06，其權重系數為2.19%、0～25%負荷時的性能系數為5.38，其權重系數為0.1%，該公式與GB50189—2015《公共建設節能設計標準》給出的公式相差較大，機組一般在75%負荷以上運行，這種運行情況的機組性能系數起主要作用，其性能系數越大，IPLV(H)值就越大，反之性能系數越小，IPLV(H)值越小，因此，綜合部分負荷性能系數大小反映了機組在高效運行時間段的性能系數大小，本案例機組在75%～100%負荷下運行時間最長，其性能系數為3.76，綜合部分負荷性能系數為3.8。

5 結語

本文基于某綠色示范建筑地源熱泵系統實際運行數據，分析了該地源熱泵系統2014年11月15～2015年4月15日之間該系統整體運行狀況。通過實測運行數據的分析，冬季采暖期間，地源熱泵機組承擔幾乎全部室內熱負荷。機組每天制熱量基本維持在105～158kW，小部分制熱量低于100kW，運行階段每天的制熱量平均值為132kW。整個供暖季，機組COP累計平均值約3.7，額定工況下，冬季機組COP為4.4，該熱泵機組運行效果良好；供暖期間穩定運行時段，機組供回水溫差在2.5～4.5℃上下波動，此時COP值在3.0～4.5左右浮動，出現“小溫差，大流量”現象，導致機組能耗較高，可通過增大溫差減小案例建筑能耗。

[1]尹寶泉．綠色建筑多功能能源系統集成機理研究[D]．天津大學，2014．

[2]劉興民．綠色生態城區運營管理研究[D]．重慶大學，2014．