大型博物馆建筑地源热泵系统实测运行策略分析

王 颖，徐晓红，王 健 [ . 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 0009；.上海科技馆，上海007]

地埋管地源热泵系统在上海的应用已经有十多年的历史。针对上海冷负荷一般大于热负荷的气候特征，为保证土壤的热平衡，近年来上海地区地源热泵建筑应用多为复合系统设计，如地源热泵+冷却塔、地源热泵+空气源热泵、地源热泵+冷水机组/冷却塔等。复合系统运行相对复杂，需要紧密结合建筑设备管理系统、能耗系统等，定期调整和改变系统的运行策略，对物业管理人员提出了更高的要求。同时，博物馆建筑的负荷特性相对于其他常规建筑也有较大差异：人员密度高且变化率大，内区数量多、展品要求高等。因此该类型建筑采用地源热泵系统可参考的项目数量少且系统运行相对复杂。

本文通过对某博物馆项目复合地源热泵系统的实时监测数据进行分析，找出系统运行的问题，提出解决策略，以期为其他类似项目的设计和运行提供参考。

1 项目概述

上海某博物馆项目建筑面积约 4.5 万 m2，2014 年 12月竣工，2015 年 4月试运行，年接待参观人数 200 万人次以上。该项目采用地埋管地源热泵系统提供 100% 的展厅热负荷和 40% 的冷负荷，其余冷负荷由螺杆冷水机组+冷却塔提供，并设置 2 台冷却塔为地源热泵机组备用。设备参数详见表1 和表2。

表1 冷热源机组系统参数

表2 冷却塔参数

地源侧换热采用灌注桩埋管与地下连续墙埋管(外围地下连续墙和地铁连续墙)两种形式。其中：灌注桩埋管 393个，有效深度 45 m；外围地下连续墙内埋管总计 266 个，有效深度 34～38 m；地铁连续墙内埋管 186 个，有效深度 18 m。

为了最大限度地体现可再生能源的节能效果，在制热季节全部采用地源热泵系统，制冷季节根据负荷大小首选地源热泵机组。在地源热泵机组无法满足的情况下，开启冷水机组，详见图1。

图1 机组开机策略

由图1 可知，在过渡季节(5月、9月、10月)基本以地源热泵机组为主，在 7月、8月冷负荷高峰期需地源热泵机组和冷水机组联合运行。

项目设置了较为完备的建筑设备管理系统，对机组冷凝侧和蒸发侧的供回水温度、地源侧供回水温度等进行实时监测，并定期存储数据。

2 运行实测数据

2.1 机组蒸发/冷凝侧进/出水温度分析

分别选取冬季最冷的 3 个月(12月、1月、2月)各月典型日机组蒸发器进/出水温度及夏季最热 3 个月(6月、7月、8月)各月典型日机组冷凝器进/出水温度进行分析。

12月典型日地源热泵 1 号机组运行时间为 8∶00～15∶00，连接地源侧的蒸发器进/出水温度 17.5/14 ℃ 左右，进/出水温差约为 3.5 K；地源热泵 2 号机组不运行。12月详细数据见图2。

图2 12月典型日机组冷凝器进/出水温度

1月典型日地源热泵 2 号机组运行时间为 8∶00～17∶00，连接地源侧的蒸发器进/出水温度为 20/15 ℃ 左右，进出水温差约为 5 K ；地源热泵 1 号机组不运行。1月详细数据见图3。

2月典型日地源热泵 1 号机组运行时间为 8∶00～17∶00，连接地源侧的蒸发器进/出水温度为 18.5/15 ℃ 左右，进/出水温差约为 3.5 K；地源热泵 2 号机组不运行。2月详细数据见图4。

图3 1月典型日机组蒸发器进/出水温度

图4 2月典型日机组蒸发器进/出水温度

6月典型日冷水机组 2 号运行时间为 8∶00～17∶00，冷凝器侧进/出水温度为 30/36 ℃，进/出水温差约为 6 K；冷水机组 1 号不运行；地源热泵 2 号机组运行时间为0∶00～8∶00，17∶00～24∶00，连接地源侧的机组冷凝器进/出水温度为 33～34/36～38 ℃，进/出水温差为 4～5 K；地源热泵 1 号机组不运行。6月详细数据见图5、图6。

图5 6月典型日冷水机组 2 号冷凝器进/出水温度

图6 6月典型日地源热泵 2 号冷凝器进/出水温度

7月典型日冷水机组 2 号运行时间为 8∶00～17∶00，冷水机组 1 号运行时间 10∶00～17∶00，冷凝器侧进/出水温度 29/34 ℃，进/出水温差约为 5 K；地源热泵 1 号机组夜间运行，连接地源侧的机组冷凝器进/出水温度 37/42℃，进/出水温差约为 5 K；地源热泵 2 号机组不运行。7月详细数据见图7、图8、图9。

图7 7月典型日冷水机组 2 号冷凝器进/出水温度

图8 7月典型日冷水机组 1 号冷凝器进/出水温度

图9 7月典型日地源热泵 1 号冷凝器进/出水温度

8月典型日冷水机组 1 号和 2 号的运行时间为 8∶00～17∶00，冷凝器侧进出水温度为 28/32 ℃、28/33 ℃，进出水温差为 4～5 ℃；地源热泵 1 号机组不运行，地源热泵 2号机组全天 24 h运行，连接地源侧的机组冷凝器进出水温度夜间为 40～44 ℃，白天为 39～43 ℃，进出水温差约为4 K。8月详细数据见图10、图11、图12。

图10 8月典型日冷水机组 1 号冷凝器进/出水温度

图12 8月典型日地源热泵 2 号冷凝器进/出水温度

由图2～图12 的数据可知：① 在制热季时，12月开启一台地源热泵机组，地源侧进出水温差约为 3.5 K；1月开启一台地源热泵机组，地源侧进出水温差约为 5 K；2月开启一台地源热泵机组，热负荷降低，地源侧进出水温差降为 3.5 K。② 在制冷季时，6月冷水机组和地源热泵机组各开一台，冷水机组冷凝侧进出水温差为 6 K，地源机组地源侧进出水温差最大为 5 K；7月冷负荷逐步进入高峰期，白天需两台冷水机组全开，机组冷凝侧进出水温差约 5 K，夜间开启一台地源热泵机组，机组冷凝侧进出水温差为 5 K，但出水温度高达 42 ℃； 8月冷负荷仍旧处于高峰期，白天两台冷水机组全开，冷凝侧进出水温差为 4～5 K，夜间开启一台地源热泵机组，机组冷凝侧进出水温差为 4 K，出水温度最高达到 44 ℃。

结合以上实际运行数据和现场调研得知，由于上海地区湿度大，且有黄梅天气，为防止展品发霉，夏季较长时间均需要 24 h 开启空调制冷。由于夜间负荷相对较低，因此夜间以地源热泵系统为主。白天根据负荷情况，以冷水机组为主，或冷水机组和地源热泵机组搭配运行。

由于本项目场馆大部分位于地下(地上面积 1.2 万 m2，地下面积 3.3 万 m2)，且内区很大，因此冬季围护结构热负荷较小。再加上人员、灯光等的散热，通常只需要开启一台地源热泵机组即可满足需求。此外，地源热泵机只需要在白天场馆开放时开启，休息日和夜间可关闭，开启时间远远短于夏季。

2.2 地埋侧取放热平衡分析

依据整个空调季的运行情况可以发现，场馆的热需求远远小于冷需求。尽管在设计中已经考虑了复合系统设计，即用冷水机组+冷却塔系统来调整峰值负荷，但由于运行时间相差悬殊(夏季部分时间 24 h，冬季 8～9 h)，很可能导致向地下的取放热不平衡。

从 2015～2016 年地埋管取放热热量表监测数据可看出，地埋管夏天的排热量约为冬天取热量的 4 倍。另外，供回水温度的年变化趋势也可以说明此点。从 2015 年 3月～2017年 4月地埋侧各年出水温度和回水温度中选取12∶00 这一时刻的数值，可以发现出水温度和回水温度都有一个逐年升高的趋势。冬季，2016 年出水温度比 2017 年出水温度低大约 4 K；夏季，2015 年出水温度比 2016 年出水温度低 2～5 K 不等。回水温度也有相似的规律。

2.3 用电量分析

此项目设置了详细的用电计量系统，图13、图14 分别为 2015 年和 2016 年的分项能耗情况。

图13 2015 年逐月用电量

图14 2016 年逐月用电量

从图13、图14 可以看出，夏季 8月份空调能耗最高；冬季 1月能耗最高，但冬季最高空调能耗仅为夏季最高空调能耗的 1/3 左右。

3 运行策略调整

以上分析结果证明了地源热泵机组在冬季的节能优势。但同时，由于大型博物馆建筑展品的特殊需求，夏季空调需24 h 开启，这是设计阶段未预料到的，因此实际运行过程中冬、夏季累计负荷相差悬殊，也给地源热泵系统的热平衡和系统长期稳定运行带来了巨大的挑战。这说明地源热泵系统的运行策略需根据监测数据及时调整，而非按照一个原则常年不变。

项目在后续夏季运行期已改变运行策略，以保证热平衡为首要原则，减少地源热泵系统夏季的运行时间。必要时启动备用冷却塔，逐步调整地埋侧的取放热，并密切关注地埋侧供回水温等监测数据，使得土壤取放热逐渐趋于平衡，以保证系统运行的高效性和长期有效性。

[1] 郝赫,张素芳,李妍,等.负荷平衡度对地源热泵系统的影响[J].暖通空调, 2014,44(2):51-54.

[2] 陆游,王恩宇,杨久顺,等.地源热泵系统土壤温度变化的影响因素分析[J].河北工业大学学报, 2015,44(1):66-72.