江苏筑森建筑设计有限公司
摘要：本文对合肥某住宅小区的地源热泵空调系统的夏季运行状况的检测和分析，指出地源热泵空调系统运行过程中存在的不合理现象，并针对具体问题提出相应的改进措施，提出较为节能的运行方式；用TRNSYS能耗模拟软件建立小区地源热泵项目运行模型，模拟地源热泵空调系统整个夏季制冷期的运行状况，和实测数据进行对比分析；并建立地源热泵空调系统变流量平均负载运行模型以及变水温运行模型，通过模拟能耗结果的对比得出：变流量平均负载运行相对于项目实际运行减少能耗约为8.5％，变水温运行节省能耗约为10.6％。
关键词：地源热泵；能效检测；TRNSYS模拟；节省能耗
1 引言
能源危机问题是阻碍人类可持续发展的一大障碍，随着我国经济的发展和人民生活水平的不断提高，建筑空调面积逐年增加，建筑能耗问题必然成为人类社会重视研究的一个重要课题。因此，在建设使用过程中体现生态节能理念是我国可持续发展的必然要求。地埋管地源热泵空调系统在国内外已经有实际应用的经验，然而随着地源热泵的推广、应用，由于其系统设计和运行存在的不合理性，造成了地源热泵空调系统能耗增加和运行效率的降低。
2 测试分析与节能原理
通过对地源热泵系统用户侧供水温度、用户侧回水温度、用户侧水流量、地源侧进口水温、地源侧出口水温、地源侧水流量、热泵机组耗电量、水泵耗电量测试的数据进行整理，各项数据取一组数据的算术平均值，机组性能系数按照下列公式计算得出：
式中，COP为地源热泵机组的制冷性能系数；Q为地源热泵平均制冷量，kW；W为地源热泵机组的平均功率，kW，地源热泵机组的平均制冷量计算如下式所示：
式中：C为冷介质平均定压比热，kJ/kg.℃；ρ为冷介质平均密度，kg/m³；G为地源热泵用户侧平均水流量，m³/h；T1为地源热泵冷冻水平均回水温，℃；T2为地源热泵冷冻水平均供水温，℃。
式中：ε为地源热泵的系统能效比；Q为地源热泵平均制冷量，kW；W—为地源热泵机组的平均功率，kW；Ni—水泵的平均功率，kW。
小区项目中由于用户侧的负荷处在不断的变化中，水泵流量的选取是按建筑尖峰负荷的选取，当建筑处于部分负荷时，水泵定流量运行，整个夏季制冷期间地源热泵空调系统运行存在着“大流量小温差”的运行状况，增大了水泵的能耗，为了解决这一运行情况，对用户侧水泵进行变频控制；由MATLAB拟合项目的热泵机组样本的性能曲线如下图1，可以看出，冷水机组在满负荷运行机组的工况时，当冷冻水出水温度不变时，冷水机组的COP随着冷却水进水温度的降低而提高；当冷却水进水温度不变时，冷水机组性能系数COP，随着冷冻水出水温度的提高而提高；并且后者的变化幅度远大于前者的变化幅度；因此适当提高冷水机组的冷冻水出水温度，将大大提升热泵机组的运行效率，减少热泵机组能耗。
适当提高地源热泵机组的冷冻水供水温度，热泵机组蒸发器的蒸发压力与蒸发温度将会随之增高；然而，热泵机组冷凝器的冷凝压力与冷凝温度没有改变，这将会使得热泵机组单位质量的制冷剂的实际制冷能力增大，单位质量制冷剂的压缩机耗功率减少，因而将大大提高机组的性能系数。
图1 热泵机组性能曲线
3案例分析
3.1 案例的基本情况
本文测试的项目是合肥市某住宅小区，小区共18栋住宅楼，其中有5栋住宅楼采用地埋管地源热泵空调系统集中供冷、采暖，建筑总面积为93192m2，该小区住宅楼的空调系统拥有独立的制冷机房，机房位于地下一层，整个空调制冷系统的耗能设备包括两台螺杆式地源热泵机组，制冷量为1579.0kW，输入功率237.9kW；制热量1727.0kW，输入功率341.3kW。两台板管式蒸发冷凝冷水机组，制冷量750.0kW，输入功率155.0kW；经过对住宅小区调查得到：地源热泵中央空调用户安装使用率约为35％，测试期间的空调系统的运行状态为，开启一台螺杆式地源热泵冷水机组，一台冷冻水循环泵，一台冷却水循环泵，空调冷冻水、冷却水系统采用一次泵定流量的运行方式，选取2016年7月15号测试结果如下表所示：
表1地源热泵机组制冷性能检测结果
通过上述检测数据整理和分析，并查水的热物性表可知：c取值4.189kJ/（kg.K），取值为999.3kg/m³，可以计算出夏季测试期间的平均制冷量Q：
测得地源热泵机组的平均耗功率为W=210.2kW，地源热机组性能系数COP可计算得：
由计算得出地源热泵机组的性能系数COP为5.8，这一值低于该地源热泵冷水机组的运行效率额定值6.6；而产生这种现象的原因，是因为实际冷冻水温差与设计值有一定的差距，使得机组的实际运行效率有所降低。
前文给出了地源热泵系统能效比ε计算公式，并通过检测数据整体分析得到，夏季测试期间的机组平均制冷量为1216.4kW，由之前计算可得出机组的平均功率为210.2kW，再依据冷却水泵和冷冻水泵功耗，可计算出地源热泵系统的能效比ε：
得出地源热泵系统的能效比ε为3.9，这一数值和地源热泵机组的COP值差值较大。比较地源热泵机组COP与地源热泵系统能效比ε的计算公式，我们可以看出两者的区别就在于是否计算水泵的功率，所以造成两者相差较大的原因是水泵功率的影响。这就意味着水泵的功率是会对地源热泵系统的能效比产生较大影响的。地源侧和用户侧的水泵平均功耗总和为96.1kW，热泵机组的平均能耗为210.2kW，计算可得水泵的能耗占整个系统总能耗的31.3%，由此可知水泵能耗占总能耗的比例较大，具有很大的节能潜力。
3．2 TRNSYS软件模拟分析对比
根据小区地源热泵机房原理图，分析系统的各个设备，在TRNSYS软件模块库内选择相应的模块，给定其输入条件后建立连接，针对地源热泵空调系统整个夏季制冷期的运行状况进行研究。出水温度控制：地源热泵机组冷冻水出水温度恒定为6℃。启停控制：划分负荷区间，当建筑负荷低于1579kW时开启一台，高于1579kW时开启两台。输配系统：水泵采用一次泵定流量运行，水泵的启停和机组启停一一对应，建立模型如图2所示：
图2小区地源热泵项目运行模型 图3小区地源热泵夏季运行能耗分析
由图3能耗模拟结果分析得出：地源热泵空调系统运整个夏季制冷期系统总能耗为1.88×109kJ，其中地源热泵机组总能耗为1.07×109，用户侧水泵总能耗为3.63×108 kJ，地源侧水泵总能耗为4.43×108 kJ；地源热泵机组、地源侧水泵、用户侧水泵能耗所占比例分别为58％、24％、18％，可以看出水泵总能耗所占比例为42％，所占的比例较大，这比实际测试期间计算得出的水泵能耗占总能耗比例31.3％大，原因是在过渡季节时机组的耗能减少，然而水泵由于定频定流量运行，能耗几乎变化不大，所以造成整个制冷期的水泵能耗占总能耗的比例加大，因此具有较大的节能空间。
水泵定流量运行，造成水泵的能耗增加，通过对小区系统进行变流量平均负载控制模拟的能耗结果如下图所示，水泵最低流量为额定流量50%，模拟得出减少能耗约为8.5％。
图4变流量系统能耗模拟结果
住宅小区项目中的地源热泵空调系统冷冻水出水温度恒定6℃的这种控制方式，没有将住宅小区用户的实际负荷需求与室外气候条件的变化相联系，由于模式化和机械化，造成了在过渡季节部分负荷率时的能源浪费。并经过实地住宅小区用户使用情况调查，在过渡季节部分负荷率时，由于冷冻水出水温度设置的过低，降低了室内舒适性，因此对系统冷冻水出水温度进行控制，如下表2所示，建立变水温模型：
表2 冷冻水出水温度设定
图5变水温模型能耗结果
由模拟结果分析得出，对地源热泵机组出水温度进行了设定，在部分负荷率时提高了冷冻水出水温度，这将会提高了机组性能系数，减少机组能耗，整个制冷期机组能耗减少18.7％，总能耗减少约为10.6％。
4 结论
本文以合肥某住宅小区地埋管地源热泵空调系统为例，通过对项目实际运行状况数据测量收集整理和分析，得出小区地源热泵运行存在的问题并加以分析，通过TRNSYS软件进行模拟地源热泵整个制冷期的运行状况，并提出较为改进、节能的运行策略，得出的结论如下所示：
（1）以合肥某小区地埋管地源热泵系统为例，通过对该项目的图纸分析和实测记录数据的分析得出以下几点结论：1）用户侧进出口水温差只有3.3℃，与设计供回水温差5℃有一定的差距，将会增加整个系统的能耗；2）通过计算得到水泵的能耗占整个系统能耗的31.3%，水泵能耗占整个系统能耗的比例较大，具有很大的节能空间；3）小区地源热泵、整个制冷期冷冻水出水温度6℃，经过住宅小区用户使用情况调查，在过渡季节部分负荷率时，由于冷冻水出水温度设置的过低，降低了室内舒适性，并且增大了机组能耗。
（2）用TRNSYS软件建立住宅小区地源热泵空调运行模型，模拟整个制冷期的运行状况，分析模拟结果得出：地源热泵系统总能耗为1.88×109kJ，其中地源热泵机组能耗为1.07×109kJ，所占系统总能耗比例为58％；地源侧水泵能耗为4.43×108kJ，所占系统总能耗比例为24％；用户侧水泵总能耗为3.63×108kJ，所占系统总能耗比例为18％。
水泵总能耗所占比例为42％，所占的比例较大，这比实际测试期间计算得出的水泵能耗占总能耗的比例31.3％大，原因是在过渡季节时机组的耗能减少，然而水泵由于定频定流量运行，能耗几乎变化不大，所以造成整个制冷期的水泵能耗占总能耗的比例加大，因此具有较大的节能空间；小区地源热泵运行整个制冷期冷冻水出水温度6℃，存在不合理，增大了地源热泵机组的能耗。
（3）用TRNSYS软件建立地源热泵空调系统变流量平均负载运行模型以及变水温运行模型，通过模拟能耗结果的对比得出：变流量平均负载运行相对于项目实际运行减少能耗约为8.5％，变水温运行节省能耗约为10.6％。
参考文献：
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论文作者:朱加友
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/2/28
标签：源热泵论文; 机组论文; 水泵论文; 系统论文; 温度论文; 空调系统论文; 流量论文; 《基层建设》2018年第35期论文;