某建筑地源熱泵系統(tǒng)夏季運行效果測試與分析

文_張金花 任靜 茍新舟 北京中建建筑科學研究院有限公司

近年來，隨著環(huán)境污染日趨嚴重，我國積極參與國際社會碳減排，主動順應全球綠色低碳發(fā)展潮流，積極布局碳中和，推進綠色建筑發(fā)展。建筑節(jié)能是綠色建筑的重要目標之一，其設備、系統(tǒng)運行穩(wěn)定，性能發(fā)揮良好，將切實降低資源能源消耗。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(jīng)濟與環(huán)境效益，在能源的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中起著重要作用。對地源熱泵系統(tǒng)進行監(jiān)測是了解地源熱泵系統(tǒng)能耗狀況的重要手段。而隨著地源熱泵機組系統(tǒng)運行時間的增長，其實際運行效率降低，對地源熱泵機組實際運行情況進行節(jié)能診斷，必不可少。因此，本文以北京某工程項目為實體，開展地源熱泵系統(tǒng)測試研究，得到實際運行效率，并提出優(yōu)化建議。

1 項目概況

1.1 項目概況

北苑某小區(qū)能源系統(tǒng)目前有三臺熱泵機組，冬季配合地熱板換和調(diào)峰鍋爐房為住宅樓和商場供暖，供暖面積約38.1萬m2；夏季為商業(yè)廣場提供冷源，供冷面積約3.8萬m2。該項目采用清潔能源——地熱能作為熱源，現(xiàn)鉆鑿3眼地熱井，其中1眼抽水井，2眼抽水、回灌兩用井。單井出水量每天1800～3500m3，出水溫度在70℃以上。自2003年建成開始供暖，已運行17個采暖季。

本次檢測過程中，由于商業(yè)廣場處于裝修改造階段，僅部分商戶及超市開放，實際供冷面積約1.1萬m2，僅測試夏季供冷工況運行情況。

1.2 本次測試熱泵機組情況

熱泵機房中原有3臺McQuay型號為TSC087熱泵機組，項目于2003年建設完成并正式投入使用，由于機組老化原因，于2019年更換了其中一臺編號為2#機組的熱泵機組，新更換的2#熱泵機組為McQuay型號為WPS460.2CFFST-B的單螺桿式水（地）源熱泵機組。原有1#、3#熱泵機組運行效率（COP）較低，現(xiàn)對這兩臺熱泵機組實際運行性能系數(shù)進行檢測分析評價。被測試機組主要參數(shù)見表1。

表1 被測試機組主要參數(shù)

2 測試內(nèi)容及過程

地源熱泵機組實際運行效率測試時間為 2020年7月，測試方法依據(jù)《公共建筑節(jié)能檢測標準》JGJ/T177-2009進行，本次測試制冷工況為供冷面積約1.1萬m2時的運行情況，主要以制冷工況對機組實際性能進行測試分析。測試期間對室外溫度進行了監(jiān)測，測試實際運行工況下熱泵機組冷凝器進出口溫度、流量，蒸發(fā)器進出口溫度、流量，熱泵機組電壓、電流、功率。根據(jù)檢測數(shù)據(jù)計算熱泵機組制冷量和實際性能系數(shù)COP。

3 測試結(jié)果及分析

3.1 1#熱泵機組實際工況運行測試及分析

該機組在測試（1h）時間段內(nèi)每隔10min取一組數(shù)據(jù)作為制冷工況檢測數(shù)據(jù)。經(jīng)過測試，1#機組在實際制冷工況下（實際供冷面積約1.1萬m2），運行穩(wěn)定后制冷量加耗電量與制熱量基本達到平衡狀態(tài)，蒸發(fā)器側(cè)平均制冷量648.76kW，冷凝器側(cè)平均制熱量879.23kW，機組平均瞬時功率213.00kW，實際制冷效率為3.05，與機組制冷能效設計值4.30相差較大，電能浪費情況較為嚴重。同時，因該機組設計、運行年限較早，其機組制冷設計能效已經(jīng)不能滿足《公共建筑節(jié)能設計標準》GB50189-2015的要求。測試數(shù)據(jù)具體見表2、表3、表4，測試結(jié)果見表5，機組運行參數(shù)變化曲線見圖1。

表2 1#熱泵機組冷凍水測試數(shù)據(jù)

表3 1#熱泵機組冷卻水測試數(shù)據(jù)

表4 1#熱泵機組電耗測試數(shù)據(jù)

表5 1#熱泵機組測試結(jié)果

圖 1 1#機組制冷工況運行曲線

3.2 3#熱泵機組實際工況運行測試及分析

該機組在測試（1h）時間段內(nèi)每隔10min鐘取一組數(shù)據(jù)作為制冷工況檢測數(shù)據(jù)。經(jīng)過測試，3#機組在實際制冷工況下（實際供冷面積約1.1萬m2），運行穩(wěn)定后制冷量加耗電量與制熱量基本達到平衡狀態(tài)，蒸發(fā)器側(cè)平均制冷量771.29kW，冷凝器側(cè)平均制熱量1071.79kW，機組平均瞬時功率265.0kW，實際制冷效率為2.91，與機組制冷效率設計值4.30相差較大，電能浪費情況較為嚴重。同時，因該機組設計、運行年限較早，其機組制冷設計能效已經(jīng)不能滿足《公共建筑節(jié)能設計標準》GB50189-2015的要求。測試數(shù)據(jù)見表6、表7、表8，測試結(jié)果見表9，機組運行參數(shù)變化曲線見圖2。

圖 2 3#機組制冷工況運行曲張

表6 冷凍水測試數(shù)據(jù)

冷凝器熱水平均流量 m3/h 228.98冷凝器制熱量 kW 1071.79蒸發(fā)器出水溫度平均值 ℃ 7.15蒸發(fā)器進水溫度平均值 ℃ 12.23蒸發(fā)器進、出水溫差 ℃ 5.08蒸發(fā)器冷水平均流量 m3/h 130.67蒸發(fā)器制冷量 kW 771.29機組平均輸入功率 kW 265.0機組實際性能系數(shù)（COP） W/W 2.91

表7 冷卻水測試數(shù)據(jù)

表8 熱泵機組電耗測試數(shù)據(jù)

表9 3#熱泵機組測試結(jié)果

4 結(jié)語

通過測試，1#熱泵機組制冷工況實際性能系數(shù)3.05，3#熱泵機組制冷工況實際性能系數(shù)2.91，均低于設計要求，效率較低，經(jīng)濟性差。

該項目供冷面積約3.8萬m2，測試期間實際供冷面積1.1萬m2，機組測試期間運行穩(wěn)定后出水溫度高于設定值，無法滿足后期3.8萬m2商超的制冷需求。且三臺無動力冷卻塔全開，冷卻塔入口溫度35.5℃，出口溫度30.5℃，濕球溫度23.4℃，冷卻塔效率較低，已經(jīng)無法滿足冷水機組冷卻需求。

綜上，熱泵機組使用年限較長，夏季制冷工況運行效率低、機組老化頻繁維修現(xiàn)象嚴重，建議更換高效熱泵機組及配套冷卻塔，以滿足商超開業(yè)后的制冷需求。以新更換機組的COP滿足《公共建筑節(jié)能設計標準》的要求，名義工況性能系數(shù)COP達到5.5的要求為基準，與現(xiàn)行機組相比，可節(jié)約30%左右用電量。