綠色公共建筑地源熱泵系統運行效果分析

陳晨 李曉萍

中國建筑科學研究院天津分院

0 引言

近年來我國綠色建筑正在蓬勃發展，綠色建筑的實際運行效果與設計預期之間往往存在較大差異的問題也越來越受到人們重視。建筑節能是綠色建筑的重要目標之一，其設備、系統運行穩定，性能發揮良好，將切實降低資源能源消耗[1-2]。地源熱泵作為一種清潔、可再生的新能源技術，具有良好的經濟與環境效益，在能源的可持續發展戰略中起著重要作用。對地源熱泵系統進行監測是了解地源熱泵系統能耗狀況的重要手段[3]。通過對地源熱泵系統進行情況進行監測與分析，可對地源熱泵空調系統的運行情況進行診斷評估，進而對系統進行優化，真正實現系統運營階段舒適、節能、環保[4]。

本文以4 個綠色建筑中地源熱泵系統的全年運行數據為基礎，基于有關設計資料和項目的實際運行數據，深入分析系統的運行情況和運行效果，主要包括地源熱泵系統地源側、用戶側出入口水溫，負荷率、機組 COP 等參數，研究綠色建筑中地源熱泵系統優化設計方法和運行策略，并對綠色建筑中地源熱泵系統運行性能提升建議。

1 工程項目介紹

選取4 個綠色建筑（辦公建筑）的地源熱泵系統作為案例，通過長期的數據監測，分別對熱泵系統的數據 進行節能性計算，分析綠色建筑地源熱泵系統的運行效果，項目基本情況如表1 所示。

表1 項目概況

2 案例項目地源熱泵系統運行分析

對 4 個綠色建筑地源熱泵的項目至少監測一個供暖季和一個供冷季。其中項目一、案例三、項目四監測數據夏季供冷為6 月～9 月，冬季供暖季為 11 月～ 次年 3 月。

2.1 系統供回水溫度分析

通過分析項目夏季工況和冬季工況運行情況下的用戶側/地源側供回水溫差分析項目地源熱泵運行狀況和末端運行情況，如圖1 所示，項目1 夏季和冬季熱泵系統均為24 h 全天運行，夏季工況下用戶側負荷小，用戶側供回水溫差主要集中在0～1 ℃區間內，遠低于設計5 ℃溫差值，長期處于“小溫差大流量”運行條件下，同樣夏季、冬季地源側供回水溫差主要集中在 0～1 ℃區間內，使得系統水泵能耗占比偏大。項目2 采用夏季夜間蓄冷、冬季夜間蓄熱運行模式降低系統運行費用，每天運行時間約7 個小時，用戶側供回水溫差基本符合設計溫差要求，系統運行狀況較好。項目 3 夏季和冬季熱泵系統均為24 h 全天運行，用戶側供回水溫也是小溫差運行，循環水泵都是在額定工況下運行。項目 4 運行方式采用“工作日時長”運行模式，系統運行較好，用戶側供回水溫差基本符合設計要求。

圖1 項目用戶側/地源側供回水溫差分布

2.2 系統運行能效分析

電驅動熱泵機組制冷/ 制熱工況下的性能系數 COP 和熱泵系統制冷/ 制熱性能系數 EERsys 是評價地源熱泵系統的重要指標。

電驅動熱泵機組的實際性能系數 COP、系統能效系數EERsys 見式（1）～（3）：

式中：COP 為熱泵機組的實際性能系數；N為熱泵機組平均輸入功率，kW；Q0為熱泵機組的供冷（熱）量，kW；V為用戶側平均流量，m3/h；Δt為用戶側進、出口平均溫差，℃；ρ為冷（熱）介質平均密度，kg/m3；c為冷（熱）介質平均定壓比熱，kJ/(kg·℃)；EERsys為熱泵系統能效系數；ΣNi為測試期間熱泵系統中熱泵機組與系 統中水泵的總功率，kW。

通過分析項目熱泵機組和熱泵系統的性能系數，進而對進而對地源熱泵系統的性能進行評價。如圖 2 所示，分別為4 個案例熱泵機組COP 與系統EERsys的分布情況，在夏季制冷工況下 4 個案例 COP 范圍在 1.84～7.07 之間，系統 EERsys的范圍在 0.94～5.52 之間。在冬季制熱工況下4 個案例 COP 范圍在3.84～5.51 之間，系統EERsys的范圍在 1.82～4.57 之間。其中項目1 的COP 與EERsys明顯低于系統的額定值，系統運行能效偏低。項目 4 制冷工況機組COP 高于項目2 的機組 COP，但其制冷系統 EERsys高于項目2，說明項目 4 的水泵能耗占系統能耗的比重較低。

圖2 項目機組COP 與系統EERsys 比較

2.3 系統運行負荷率PLR

負荷率 PLR 為某一時刻供給用戶的供能量和一個指定最大值之比（此處是按機組總額定制冷、熱量）。系統運行負荷率PLR 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，是反應系統實際運行情況與系統設計匹配度的重要指標。

式中：Q0為熱泵機組的實際供冷（熱）量，kW；Qed為熱泵機組的總額定供冷（熱）量，kW。

如圖 3 所示，項目 1 和項目 3 的夏季工況和冬季工況，地源熱泵系統的負荷率都在比較低的狀態下運行，在制冷/供暖季大部分時間，建筑物的實際冷/ 熱負荷小于設計工況，熱泵系統多數時間是在較低的負荷率下運行，進而造成系統能效偏低。其中項目1 低負荷率運行現象更加明顯，夏季工況下大部分時間內負荷率低于 10%，冬季負荷率低于 30%，系統實際運行情況與設計偏離度較大。項目 2 和項目4 的夏季工況和冬季工況地源熱泵系統的負荷率都比較穩定，且都在較高率和率下運行，系統的能效也較高，與機組性能系數COP 值分布一致。

圖3 項目夏季/冬季系統運行負荷率

2.4 地源測冷熱平衡分析

地源熱泵系統在夏季向地下土壤排熱，冬季從地下土壤取熱，地下土壤作為熱量的儲存體，由于建筑的冷熱負荷不同造成的對其取排熱不均，將導致地下土壤儲存體的溫度升高或降低，形成土壤熱量堆積會冷量堆積，進而影響地源熱泵的運行效果，通過運行數據分析項目熱泵系統的熱不平衡率。

地源側換熱量計算見式（5）

式中：Gg,k為地源側總水流量，m3/h；Δtg,k為地源側進出口水溫差，℃；c為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；ρ為水密度，kg/m3。

則供暖季從土壤的取熱量Eextract為：

排供冷季向土壤的排熱量為Einject為：

不平衡率UBRate 為：

若UBRate＜0，取熱多，若UBRate＞0，排熱多。

如表 2 所示，為4 個案例地源側夏季排熱與冬季取熱值。冬季取熱量為負數。項目1 與項目3 不平衡率在5%之內，雖然取熱量稍微大于排熱量，可以視為平衡，項目 2 不平衡率為 13.75%，由于土壤本身具有一定的熱擴散能力和蓄熱能力，熱量不平衡對熱泵的運行影響不大，不需要采取措施。項目 4 不平衡率為 34.91%，夏季排熱量大于冬季取熱量，該項目為夏熱多冷地區，因此在夏季運行時應考慮冷卻塔輔助排熱，避免土壤熱量堆積，影響地源熱泵長期使用效果。

表2 不平衡率統計表

3 綠色建筑地源熱泵系統運行優化分析

對 4 個綠色建筑項目的地源熱泵系統運行現狀進行分析，總結分析出不同項目中地源熱泵運行存在的普遍問題，并有針對的提出改善和提高實際項目的運行效果方案，并進一步指導系統優化設計。

3.1 運行問題分析

1）地源熱泵系統存在“大流量小溫差”的運行模式。在設計初期可能存在對負荷計算不準確或者特殊氣候等原因，導致系統水泵與機組選型不匹配。水泵選型偏大，以至于實際運行中系統用戶側與地源側流量均偏大，在獲得相同熱量的同時水泵輸入能耗加大，造成系統能效偏低。

2）機組選型與建筑冷熱負荷設計不匹配，機組選型過大，系統長時間處于低負荷運行，機組 COP 和系統EERsys偏低。

3）地源熱泵系統的運行控制策略不合理，整套系統設計的自動化程度較高，但實際操作過程中無論是開啟機組還是開啟水泵均為人工開啟，項目 1 和項目 3 現場操作人員不能根據項目實際使用時間來啟停機組，而是機組 24 h 持續運行，且現場并未能根據室外氣溫條件進行相應的節能操作。

4）地源側全年冷熱不平衡。熱泵系統的冷熱負荷不平衡率較大，會使得土壤溫度不平衡，常年積累則導致土壤溫度逐年下降，降低系統運行效率。

5）地源側冬、夏季運行策略選擇不合理。埋管冬、夏季運行策略不得當，系統運行過程中系統機組和地源側水泵未達到聯動效果，即機組停止運行，地源側水泵仍然運行，造成系統EERsys偏低。

3.2 地源熱泵系統優化建議

地源熱泵系統按設計工況下運行為節能系統，但地源熱泵系統節能效果與項目所在地的氣候條件、建筑物負荷特征、運行管理措施等因素有關。通過實際項目熱泵系統運行分析可知，若能合理解決目前存在問題、優化運行管理，地源熱泵系統依然具有較好的節能潛力。

1）通過增加輔助系統解決系統目前存在的取放熱不平衡問題。在供暖初期和供暖末期采用其它供熱形式，地源熱泵輔助供熱的方式進行供暖，減少地源熱泵從地下抽取的熱量。同時在過度季向地下回灌熱量，以此來保證系統長時間安全穩定的運行。

2）對水泵設備進行改造，論證更換小型水泵還是加變頻裝置更為經濟。用戶側可以根據末端負荷進行流量調節，減小水泵輸入的能耗。地源側可設置供熱和供冷兩個運行頻率。

3）對現場系統運行進行規范化管理。在運行時，避免不了出現不專業、耗能的管理模式，所以需對地源熱泵系統使用人員進行相應培訓。制定科學合理的運行方式，冬季不設置過高的供暖溫度，夏季不設置過低的供冷溫度，在滿足舒適度要求的情況下減小末端負荷，進而減小整個系統的輸入功率。管理上要求機房操作員工需熟悉設備的結構及基本的運行原理，以及注意事項，且應該嚴格按照系統設備的自身特性進行運行和保養。需要管理人員加強空調制冷理論和實際操作的相關知識，要善于總結經驗，提高操作技能，確保系統及其附屬設備正常工作并實現節能的目的。

4 結語

通過對3 個天津寒冷地區和1 個江蘇夏熱冬冷地區綠色建筑地源熱泵系統，經過前期系統運行數據的調研，了解系統目前運行狀況，對系統實際運行的流量、溫度、功率等數據進行整理和分析，同時評價綠色建筑地源熱泵系統的運行效果。

1）地源熱泵系統“大流量小溫差”運行模式，系統水泵能耗占熱泵系統能耗比重很大，選擇變頻水泵、降低水泵耗電比，可以有效減少系統能耗，提高系統 EERsys，進而提高綠色建筑的能源利用效率。

2）熱泵機組在低負荷下運行，機組啟停頻繁，機組啟停能耗較高，因此選用機組功率可隨熱負荷變化的變頻熱泵機組可有效地提高機組 COP，降低機組的能耗。

3）熱泵系統的運行策略和運行時長對系統能耗影響很大，在保證室內溫度的前提下，可在停止使用前的某一段時間停機，縮短機組的運行時間，降低能量消耗，可以獲得更高運行效率和較好的節能效果。

4）地源熱泵系統的地下取放熱量不平衡問題，無論是循環水泵改造、埋管分區運行還是增加復合系統最終都是為了解決系統冷、熱負荷不平衡的問題，所以在設計初期應進行充分的基礎數據調研，包括空調系統的使用規律、系統所在地區的地下熱物性情況等，對系統進行足夠的可行性研究后方可進行設計和施工。