某地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行策略?xún)?yōu)化研究

(1 華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430074； 2 北京華譽(yù)能源技術(shù)股份有限公司 北京 100083)

地下水源熱泵系統(tǒng)是一種充分利用淺層低品位地能的地源熱泵形式，近年來(lái)已逐漸成為建筑供冷、供暖的主要應(yīng)用形式之一。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)地下水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了研究，S. L. Russo等[1]研究了蓄冷與地下水源熱泵結(jié)合的系統(tǒng)，結(jié)果表明增加蓄冷裝置后，降低了系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響且減少了系統(tǒng)能耗；K. Woods等[2]對(duì)均勻間隔水井的熱響應(yīng)性進(jìn)行了綜合分析，建立了相應(yīng)的數(shù)值模型，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；Y. Nam等[3]研究了三維地下抽灌井過(guò)程的數(shù)值計(jì)算方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，利用計(jì)算可以很好地預(yù)測(cè)地下水源熱泵系統(tǒng)的COP和其它性能；O. Güven等[4]利用解析模型方法對(duì)理想含水層儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱量損失進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析；S. Chevalier等[5]應(yīng)用隨機(jī)游離法對(duì)多孔介質(zhì)含水層儲(chǔ)能進(jìn)行了模擬研究；Y. Fujimitsu等[6]監(jiān)測(cè)了地下水源熱泵所在地的地下水位和溫度，并由此模擬了地下水源熱泵對(duì)地表下熱環(huán)境變化的影響。

Zhou Zhihua等[7]對(duì)地下水源熱泵在國(guó)內(nèi)不同地區(qū)應(yīng)用的可行性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明在嚴(yán)寒B區(qū)和寒冷地區(qū)熱泵的經(jīng)濟(jì)性較好，而在嚴(yán)寒A區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)及夏熱冬暖地區(qū)經(jīng)濟(jì)性較差。潘俊等[8]利用FEFLOW軟件對(duì)沈陽(yáng)地區(qū)某地下水源熱泵項(xiàng)目進(jìn)行了地下溫度場(chǎng)的模擬，預(yù)測(cè)了傳熱溫差不同時(shí)，地下水溫度的變化趨勢(shì)。傅允準(zhǔn)等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法，得出了地下水溫度的變化對(duì)熱泵機(jī)組性能的影響。張淑秘[10]對(duì)不同地區(qū)的地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，得出在冷熱均衡的地區(qū)地下水源熱泵具有較好的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)。武佳琛等[11]對(duì)某復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行多年的運(yùn)行模擬，得出夜間間歇的地源熱泵機(jī)組優(yōu)先制冷的運(yùn)行方式是較優(yōu)的運(yùn)行策略。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于地下水源熱泵的研究主要集中在地下水源熱泵的適用性、經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，數(shù)值分析和技術(shù)改進(jìn)[12]，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的管理策略方面研究較少，而地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能與否，除了與系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量等因素有關(guān)外，還與系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略息息相關(guān)[13]。本文對(duì)某地下水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析并提出優(yōu)化的節(jié)能運(yùn)行策略。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 地下水源熱泵系統(tǒng)

研究對(duì)象為河南省一棟辦公大樓，分為東樓、西樓、南樓和北樓，其中北樓地下1層、地上9層，南樓、東樓、西樓各5層。建筑總面積約25 000 m2，建筑高度42.9 m。空調(diào)末端設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為2 438 kW，熱負(fù)荷為1 696 kW。空調(diào)冷熱源為2臺(tái)型號(hào)為HE1200B的渦旋機(jī)組，夏季制冷高峰期時(shí)2臺(tái)機(jī)組全開(kāi)，冬季采暖時(shí)開(kāi)啟1臺(tái)，系統(tǒng)運(yùn)行2臺(tái)循環(huán)水泵，均為變頻控制，熱源井設(shè)計(jì)10眼井，2口抽水井，7口回水井，1口抽水井備用，潛水泵共4臺(tái)，用2備2。冬夏季工況由管路中閥門(mén)切換控制，夏季冷水供回水溫度設(shè)計(jì)為7 ℃/12 ℃，冬季熱水供回水溫度為45 ℃/40 ℃，末端設(shè)備均采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管。

機(jī)組的啟停及壓縮機(jī)的頻率均由運(yùn)行人員控制，一般運(yùn)行時(shí)間為周一至周五08∶00—17∶30。

1.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)

系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)主要有分水器壓力、分集水器壓差、冷凍水供回水溫度、壓縮機(jī)運(yùn)行數(shù)量、累計(jì)流量、系統(tǒng)功率、循環(huán)水泵頻率、壓縮機(jī)功率。其中每項(xiàng)數(shù)據(jù)采集頻率均為10 min。監(jiān)測(cè)時(shí)間覆蓋整個(gè)夏季工況和冬季工況。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of the system

2 系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能實(shí)驗(yàn)研究

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀

原有運(yùn)行策略是根據(jù)運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)定冷凍水供水溫度，即人為預(yù)測(cè)開(kāi)機(jī)時(shí)的供水溫度范圍，并保持不變，其熱負(fù)荷與供水溫度變化如圖2所示。由圖2可知，原有運(yùn)行策略為室內(nèi)熱負(fù)荷越高時(shí)，設(shè)定的供水溫度越低，且供水溫度的波動(dòng)范圍約為3 ℃。

圖2 熱負(fù)荷與供水溫度變化Fig.2 Variation of heat load and water supply temperature

理論上供水溫度越低，室內(nèi)溫度降到適宜區(qū)域所需時(shí)間越少[14]，故原有運(yùn)行策略的優(yōu)勢(shì)在于開(kāi)機(jī)后可迅速使室內(nèi)溫度達(dá)到適宜區(qū)域。但室內(nèi)溫度滿(mǎn)足熱舒適性條件后，還保持設(shè)定的初始供水溫度不變會(huì)造成大量的冷量浪費(fèi)，如實(shí)際中有很多末端用戶(hù)選擇開(kāi)窗來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。

從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中觀察可知，當(dāng)2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，2臺(tái)備用機(jī)組的旁通閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，此時(shí)機(jī)組冷凍水出水溫度和冷凍水主供水溫度之間的溫差為2～3 ℃，且循環(huán)水泵工頻運(yùn)行時(shí)，冷凍水流量約為180～190 m3/h；而關(guān)閉2臺(tái)備用機(jī)組的旁通閥后，機(jī)組冷凍水出水溫度與冷凍水主供水溫度基本一致，但循環(huán)水泵工頻運(yùn)行下的冷凍水流量?jī)H為130～140 m3/h。在同等能耗條件下，開(kāi)啟旁通閥，系統(tǒng)流量增大，但只有一部分冷凍水的回水經(jīng)過(guò)機(jī)組制冷，另一部分回水與機(jī)組冷凍水出水匯合，進(jìn)入冷凍水主供水管道；關(guān)閉旁通閥，系統(tǒng)流量減小，所有冷凍水回水均經(jīng)過(guò)機(jī)組制冷處理。

2.2 系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化策略及實(shí)驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀分析，系統(tǒng)還存在較大的節(jié)能潛力，基于初始供水溫度的設(shè)定進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行策略?xún)?yōu)化：機(jī)組開(kāi)啟時(shí)設(shè)定較低的供水溫度，根據(jù)室內(nèi)初始溫度設(shè)定機(jī)組運(yùn)行時(shí)間，待室內(nèi)溫度達(dá)到可接受溫度上限時(shí)，再提高供水溫度，使室內(nèi)溫度穩(wěn)定在可接受溫度上限以下。該策略既滿(mǎn)足了熱舒適性需求，又避免了冷量的浪費(fèi)。

優(yōu)化的節(jié)能運(yùn)行策略關(guān)鍵在于確定機(jī)組在初始供水溫度運(yùn)行的時(shí)間及供水溫度變化對(duì)節(jié)能效果的影響[15]。因此本文分析了室內(nèi)溫度的變化規(guī)律并設(shè)計(jì)了冷凍水供水溫度調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)，且對(duì)上述旁通閥開(kāi)閉狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)能耗的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。

1)冷凍水供水溫度調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)：現(xiàn)場(chǎng)操作中，機(jī)組供水溫度調(diào)節(jié)由設(shè)定溫度區(qū)間來(lái)控制，將設(shè)定供水溫度以上2 ℃、以下1 ℃作為控制區(qū)間，當(dāng)供水溫度超出區(qū)間上下限時(shí)，機(jī)組才會(huì)啟停壓縮機(jī)。在氣象數(shù)據(jù)相近的條件下，保證室內(nèi)的熱舒適性，對(duì)比不同設(shè)定供水溫度下系統(tǒng)運(yùn)行電量。

2)旁通閥關(guān)閉實(shí)驗(yàn)：旁通閥關(guān)閉對(duì)機(jī)組的制冷量沒(méi)有影響，只會(huì)導(dǎo)致主冷凍水供水溫度下降，但當(dāng)機(jī)組冷凍水主供水溫度達(dá)到控制區(qū)間下限時(shí)，機(jī)組會(huì)自動(dòng)關(guān)閉壓縮機(jī)，減少制冷量供應(yīng)。在氣象數(shù)據(jù)相近的條件下，保證室內(nèi)的熱舒適性，對(duì)比旁通閥開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)系統(tǒng)或循環(huán)水泵運(yùn)行的電量。

3 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

3.1 室內(nèi)溫度與運(yùn)行時(shí)間

工作日內(nèi)室內(nèi)溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律可以反映機(jī)組運(yùn)行的效果，圖3為某一周工作日室內(nèi)溫度逐時(shí)變化，可以發(fā)現(xiàn)室內(nèi)初始溫度越高，降到某一溫度時(shí)所需時(shí)間越長(zhǎng)。

圖3 工作日室內(nèi)溫度逐時(shí)變化Fig.3 Indoor temperature variation of workday

根據(jù)GB/T 50785—2012 民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[16]及文獻(xiàn)[17]中對(duì)室內(nèi)熱舒適性溫度的研究，設(shè)定本文建筑室內(nèi)可接受溫度上限為27.5 ℃。利用MATLAB線性擬合初始室內(nèi)溫度與室內(nèi)溫度達(dá)到27.5 ℃所需時(shí)間，若不同日期的初始室內(nèi)溫度相同，則取降溫耗時(shí)長(zhǎng)的日期作為樣本點(diǎn)，結(jié)果如圖4所示。直線擬合的方程為：y=77.84x-2 124，其中y為室內(nèi)溫度達(dá)到27.5 ℃所需時(shí)間，min;x為初始室內(nèi)溫度,℃。

圖4 初始溫度與降溫時(shí)間關(guān)系Fig.4 The initial temperature varies with the cooling time

運(yùn)行策略中機(jī)組在初始供水溫度下運(yùn)行的時(shí)間可由室內(nèi)初始溫度決定，輸入室內(nèi)初始溫度后，由上述擬合方程得到機(jī)組運(yùn)行時(shí)間。在此策略下運(yùn)行，室內(nèi)溫度不會(huì)一直呈下降趨勢(shì)，而是達(dá)到可接受溫度上限后，維持在溫度上限以下波動(dòng)，避免了冷量的浪費(fèi)，降低了系統(tǒng)能耗。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

兩組實(shí)驗(yàn)的前提條件是氣象數(shù)據(jù)近似，根據(jù)新鄉(xiāng)當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)記錄情況，篩選了6月15日和6月16日兩天工況作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別稱(chēng)為典型日一和典型日二，兩天的工作時(shí)間氣溫變化如圖5所示。

圖5 氣溫變化趨勢(shì)Fig.5 Variation trends of temperature

對(duì)比供水溫度高低對(duì)系統(tǒng)能耗的影響需要相近的天氣情況，選取典型日一與典型日二7∶50—9∶50時(shí)段進(jìn)行能耗對(duì)比，由圖5可知，此時(shí)段內(nèi)的天氣參數(shù)與變化趨勢(shì)保持一致，典型日一、二設(shè)定的供水溫度分別為12 ℃和11 ℃，系統(tǒng)2 h累計(jì)耗電量對(duì)比如圖6所示。

圖6 典型日一、二累計(jì)耗電量Fig.6 Cumulative power consumption of typical day one and typical day two

由圖6可知，供水溫度由11 ℃升至12 ℃時(shí)，系統(tǒng)2 h累計(jì)節(jié)省耗電量37.8 kW5h。因此提高供水設(shè)定溫度對(duì)優(yōu)化系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行效果明顯，由此可證明優(yōu)化的節(jié)能運(yùn)行策略在能耗上比原有運(yùn)行策略更具有優(yōu)勢(shì)。

由3.1節(jié)可知，旁通閥開(kāi)啟或關(guān)閉的情況下，循環(huán)水泵工頻運(yùn)行時(shí)的流量不同，引入流量頻率比，即循環(huán)水流量與循環(huán)水泵頻率之比，以分辨旁通閥的開(kāi)閉狀態(tài)。

數(shù)據(jù)分析可知，若旁通閥的開(kāi)閉狀態(tài)不變，則流量與頻率之比會(huì)穩(wěn)定在某一數(shù)值附近，僅發(fā)生小幅波動(dòng)；而旁通閥狀態(tài)變化后，兩者間的流量頻率比則會(huì)相差很遠(yuǎn)。上述特性可作為數(shù)據(jù)分析時(shí)，判斷是否開(kāi)關(guān)旁通閥的主要判據(jù)。

圖7所示為典型日一流量頻率比變化特性曲線。旁通閥全天保持開(kāi)啟狀態(tài)，流量頻率比與上述分析保持一致，保持在3.9左右波動(dòng)。圖8所示為典型日二的流量頻率比變化特性曲線。開(kāi)旁通閥后，流量頻率比在3.7左右波動(dòng)，而關(guān)閉旁通閥時(shí)在2.5～2.8之間。這是由于機(jī)組閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)水流量減少，因此出現(xiàn)小流量頻率比的情況。

圖7 典型日一流量頻率比變化特性曲線Fig.7 Variation of flow frequency ratio in typical day one

圖8 典型日二流量頻率比變化特性曲線Fig.8 Variation of flow frequency ratio in typical day two

圖9 開(kāi)關(guān)旁通閥循環(huán)水泵累計(jì)耗電量對(duì)比Fig.9 Comparison of cumulative power of circulating water pump between bypass valve opening and closing

由圖5可知，兩典型日內(nèi)前期天氣變化較為一致，但從中午開(kāi)始典型日二外界負(fù)荷高于典型日一，故無(wú)法直接從系統(tǒng)耗電量中觀察到開(kāi)關(guān)旁通閥對(duì)能耗的影響。而水泵功率不受室外溫度影響，對(duì)比同頻率(35 Hz)下，開(kāi)關(guān)旁通閥后循環(huán)水泵的累計(jì)耗電量，時(shí)間為14∶25—17∶25，如圖9所示。

由圖9可知，在同頻率下關(guān)旁通閥循環(huán)水泵運(yùn)行3 h比開(kāi)旁通閥累計(jì)節(jié)省約7 kW·h。從理論上分析，開(kāi)關(guān)旁通閥主要影響水泵工作點(diǎn)，旁通閥關(guān)閉時(shí)，回路的流量減少，阻力增加，此時(shí)水泵的功率會(huì)有所下降；而對(duì)于整個(gè)機(jī)組的制冷量，無(wú)論旁通閥開(kāi)啟與否，機(jī)組提供的制冷量不變，影響的只是冷凍水進(jìn)出口的溫度。

4 結(jié)論

本文對(duì)地下水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，調(diào)節(jié)了供水溫度及旁通閥的啟閉，得出如下結(jié)論：

1)優(yōu)化的系統(tǒng)運(yùn)行策略改變了原有供水溫度設(shè)定模式，避免供水溫度設(shè)定值維持過(guò)低水平，比原有運(yùn)行策略更為節(jié)能。

2)在外界氣溫及變化趨勢(shì)相近的條件下，將冷凍水供水溫度由11 ℃提高至12 ℃，系統(tǒng)2 h累計(jì)耗電量減少了37.8 kW·h。

3)機(jī)組旁通閥的啟閉對(duì)循環(huán)水泵的功耗有影響，循環(huán)水泵維持在35 Hz頻率下運(yùn)行3 h，旁通閥處于關(guān)閉狀態(tài)比旁通閥處于開(kāi)啟狀態(tài)累計(jì)耗電量減少7 kW·h。

4)地下水源熱泵運(yùn)行可根據(jù)室內(nèi)溫度變化進(jìn)行供水溫度調(diào)節(jié)，既可以保證室內(nèi)熱舒適性，又避免了冷量浪費(fèi)。