校園建筑中水源熱泵能源站系統夏季運行特性研究

胡映寧，蘇錦文，張恒，雷俊

（廣西大學機械工程學院，南寧 530004）

1 引言

水源熱泵憑借其高效、節能、環保等優勢受到人們廣泛關注。文獻[1]基于熱經濟學和定量分析理論，通過實驗比較了傳統的水源熱泵系統和優化后的水源熱泵系統的參數，發現優化后的熱泵系統壓縮機的功率消耗更小。文獻[2]借助Force Contro16.0軟件設計了再生水源熱泵系統的監控系統，對全國20多個地區再生水處理基地進行實時監測，為再生水源熱泵技術的應用提供指導。文獻[3]基于TRNSYS構建了冷卻塔復合水源熱泵系統的動態模型，提出了依據溫差來控制冷卻塔啟停的優化控制策略。在集中供冷供暖研究方面，文獻[4]介紹了水源熱泵能源站作為區域能源中心，在設計特點上有很大的不同，要綜合考慮低溫熱源、供冷供熱輸送管網布置、機組配置、末端設置等方面。文獻[5]以上海世博園江水源熱泵區域供冷系統為研究對象，分析系統在區域化應用中的系統流程對水質的影響。文獻[6]將南京鼓樓軟件園江水源熱泵區域供冷供暖系統和東京晴海廣場區域供冷供暖系統作對比，最終結果表明，要提高系統的能效比，區域能源站系統應該盡量設置在靠近冷負荷集中的區域。

可見，國內外學者對水源熱泵集中供冷供熱開展了大量研究，但對校園建筑群相對集中、用能規律強的學生公寓的水源熱泵能源站系統的針對性研究還較少，尤其是針對夏熱冬暖地區，校園建筑以水源熱泵能源站供冷的運行特性研究還比較欠缺。本文以崇左某高校水源熱泵能源站系統為研究對象，研究了在夏季制冷工況下的運行特性。

2 項目概況

該項目分2期進行，本文只研究一期項目1#～4#學生公寓供冷。一期學生公寓使用空調的建筑面積為15 318 m2，能容納約4 500名學生入住，由于本項目是在新校區，本文研究時間的在校學生人數約3 000人。本項目采用區域供冷熱泵系統能源站為學生公寓樓提供冷量，該項目地處夏熱冬暖地區，夏季制冷時間長、制冷負荷大，學生公寓制冷負荷峰值為2 451 kW，各棟建筑的具體冷負荷如表1所示。

3 實驗方案與測試內容

本次實驗采用單因素法。夏季制冷以冷卻塔為釋熱源，根據相應工況下制訂實驗方案，在水源熱泵系統制冷運行時，研究機組運行時間、不同的主機負荷、循環泵流量等條件改變時對水源熱泵系統能效的影響。具體方案如下：第一天早上7：00開機運行，保持機組連續運轉72 h，每隔10 min，溫度巡檢儀自動記錄1次數據。對水源熱泵系統各設備進行測試，主要記錄的數據為：蒸發器側和冷凝器側的進、出水溫度，室內外溫度，熱泵機組的功率、蒸發器側和冷凝器側的進、出水流量。水源熱泵能源站實驗原理如圖1所示。

本次實驗的變量調節范圍如表2所示。

圖1 水源熱泵能源站實驗原理圖

表2 實驗的變量調節參數

4 水源熱泵能源站系統的運行特性分析

以下內容分析均以冷卻塔為釋熱源。

圖2為測試時間內冷卻水流量、冷凍水流量以及機組的制冷量隨機組運行時間的變化關系圖。在9：00～11：30上午時段，由于上午時段大部分學生都去上課，學生公寓樓的冷負荷較低，所以冷凍水流量和制冷量都較低；在11：30～15：00中午時段，室外溫度越來越高并且很多學生都回學生公寓午休，學生公寓使用空調的人數增多，導致機組負荷增大，從而冷凍水流量和機組制冷量都有一個上升幅度較大的過程，由圖2可知，在11：30時，冷凍水的流量和機組制冷量急劇上升，冷凍水的流量由150 m3/h上升到195 m3/h，機組的制冷量由495 kW上升到910 kW，在13：30時，冷凍水流量達到最大值212 m3/h，機組制冷量達到最大值1 327 kW，說明此時是學生公寓使用空調的高峰期；在15：00～18：00下午時段，由于大部分學生去上課，學生公寓樓的冷負荷逐漸降低，因此冷凍水流量和制冷量也會相應減小，在18：00時，冷凍水流量降到最小181 m3/h，機組制冷量降到最低782 kW，此時段學生公寓使用空調較少；在21：00～24：00晚上時段，所有學生回公寓休息，學生公寓樓的冷負荷較高，冷凍水流量又會重新達到最大值205 m3/h，機組制冷量達到最大值1 132 kW，此時段是學生公寓使用空調的另一高峰期。

圖3為機組和系統能效比與機組負荷的變化關系圖。從圖3中變化曲線可知，機組和系統能效比隨著機組負荷的增大而增大，當機組負荷從40%增加到100%時，機組能效比從4.9增加到6.1，系統能效比從3.2增加到4.7，當機組負荷從40%增加到60%時，機組和系統的能效比上升速度較快，機組能效比從4.9增加到5.7，系統能效比從3.2增加到4.0，當機組負荷從60%～80%時，機組和系統能效比穩步提升，機組能效比從5.7增加到6.0，系統能效比從4.0增加到4.5，當機組負荷從80%增加到100%時，機組和系統的能效比上升幅度較為平緩，機組能效比從6.0增加到6.1，系統能效比從4.5增加到4.7。

圖2 系統水流量以及制冷量隨運行時間的變化情況

圖3 機組負荷對機組和系統能效比的影響

圖4為機組和系統能效比與冷卻水流量的變化關系圖。由圖4可知，機組和系統能效比隨著冷卻水流量的增大而增大，當冷卻水流量從160 m3/h增加到180 m3/h時，機組能效比從5.3升高到6.1，系統能效比從3.7升高到4.7，當冷卻水的流量繼續從180 m3/h增加到185 m3/h時，機組和系統能效比基本保持不變，維持在6.1和4.7左右，說明此時機組運行達到穩定狀態，由此可知，在夏季制冷工況下，冷凝側冷卻水的流量對機組和系統的能效比有很大影響，系統冷卻水流量的最佳范圍為180～185 m3/h。

圖5為機組和系統能效比與冷凍水流量的變化關系圖。由圖5可知，機組和系統能效比隨著冷凍水流量的增大而提高，當冷凍水流量從185 m3/h增加到205 m3/h時，機組能效比從5.1升高到6.0，系統能效比從3.8升高到4.7，當冷凍水的流量繼續從205 m3/h增加到210 m3/h時，機組和系統能效比基本保持不變，維持在6.0和4.7左右，此時機組運行達到穩定狀態，由此可知，在夏季制冷工況下，蒸發側冷凍水的流量對機組和系統的能效比有很大影響，系統冷凍水流量的最佳范圍為205～210 m3/h。

圖4 冷卻水流量對機組和系統能效比的影響

圖5 冷凍水流量對機組和系統能效比的影響

5 水源熱泵系統能耗分析

在測試期間，機組平均每天耗電量為1 598 kW·h，水泵耗電量為1 027 kW·h，冷卻塔耗電量156 kW·h，空調末端耗電量134 kW·h，水源熱泵系統總耗電量為2 915 kW·h。

由于每天學生公寓使用空調的房間數會出現2個高峰期，所以在測試時間內統計了不同時段學生公寓的空調使用情況，平均每天上午有38間宿舍使用空調，持續時間約為1.5 h；平均每天中午有240間宿舍使用空調，持續時間約為2.5 h；平均每天下午有80間宿舍使用空調，持續時間為3 h；平均每天晚上有260間宿舍使用空調，持續時間為10 h；現在很多高校宿舍還是采用傳統壁掛式分體空調，1.5匹壁掛式分體空調每小時耗電量約為1.1 kW·h，如果該項目也采用這種空調，那么在相同的運行工況下，每天的耗電量W為：W=(38×1.5+240×2.5+80×3+260×10)×1.1=3 846.7

與傳統壁掛式分體空調相比，該項目采用水源熱泵系統每天大約可以節能：

所以水源熱泵系統能源站在集中供冷方面節能優勢較為明顯，在校園建筑中有巨大的應用價值，值得大范圍推廣、使用。

6 結論

1）根據實驗數據分析可知，每天學生公寓的用能規律為：在9：00～13：00上午時段，由于冷負荷需求小，機組的制冷量較低，逐漸增加的幅度也很小，在11：30～13：00機組制冷量增幅突然增大，在13：00達到峰值1 327 kW，說明此時是使用空調高峰期；在下午時段，機組制冷量逐漸降低，在18：00降到最低782 kW；在晚上時段，空調末端使用人數又逐漸增加，機組制冷量會重新達到峰值1 132 kW，因此，設備的運行情況應與冷負荷需求相匹配，實現經濟節能的運行策略。

2）機組在夏季工況運行時，當冷凍水的流量保持在205～210 m3/h，冷卻水的流量保持在180 ～185 m3/h，機組COP達到最大值并穩定在6.1左右；系統COP達到最大值并穩定在4.7左右，此時系統節能、高效、穩定運行，為系統的最佳運行工況。

3）當機組負荷從40%增加到60%時，機組和系統的能效比上升速度較快，機組能效比從4.9增加到5.7，系統能效比從3.2增加到4.0，當機組負荷從60%～80%時，機組和系統能效比穩步提升，機組能效比從5.7增加到6.0，系統能效比從4.0增加到4.5，當機組負荷從80%增加到100%時，機組和系統的能效比上升幅度較為平緩，機組能效比從6.0增加到6.1，系統能效比從4.5增加到4.7。

4）在夏季制冷工況下，與傳統壁掛式空調相比，水源熱泵能源站系統每天可以節能24.2%，有巨大的節能優勢，在集中供冷建筑中有良好的應用前景。