夏热冬冷地区水（地）源热泵系统测试及问题分析

许 杨 黄小君



夏热冬冷地区水（地）源热泵系统测试及问题分析

许 杨 黄小君

（中国建筑西南设计研究院有限公司 成都 610041）

对夏热冬冷地区2个水（地）源热泵系统进行的夏季工况测试数据分析，获得了水（地）地源热泵系统的夏季工况部分负荷下机组和系统的制冷系数及水泵输送能效比，并得出在部分负荷情况下系统的节能率较难达到30%。对系统实际运行情况下节能效果不显著的原因进行了分析，如主机、水泵低效运行、换热误差、冷热堆积、实际运行费用高于预计等问题，并提出相应建议。

水（地）源热泵；测试；能效；效益；建议

0 引言

随着生态环境保护的深入人心和节能意识的加强，越来越多的人开始认识和利用地热能和地下水资源的供热制冷热泵系统。国家和各个地区政府也提供了很多补助和优惠政策来推广这项节能技术，使得近年来地源热泵行业的发展势头十分良 好[1,9]。

虽然水（地）源热泵系统的运用越来越广泛，但实际运行效果往往达不到设计效果，其实际运行效果与节能环保潜力等与系统设计及运行状况有很大的关系[8]。国内由于发展较晚，水（地）源热泵技术在工程应用上还有很多亟待解决的问题，王陈栋、吴晓寒[2]提出了地下水热泵系统缺乏必要的地区适应性分析，地下水回灌井堵塞和溢出以及地源热泵对地下水生物环境的影响问题。刘学来、李永安、张耀鹏[3]提出了土壤热物性取值不当引起地埋管换热器和热泵机组运行效率、埋管深度、地埋管防漏、回填材料和系统调试等问题。王雷岗、郑中援、马健、石海军[4]提出在设计阶段土壤热响应测试方法和冷热平衡等问题。而上述对水（地）源热泵系统在实际使用过程中存在的问题研究较少，本文选取夏热冬冷地区两个分别使用水源热泵系统和地源热泵系统的建筑，分析两种热泵系统实际运行能效并分析其中出现的问题，如主机、水泵低效运行，换热误差导致的冷热失衡，及实际运行费用高于预计等，并提出相应的建议。

1 热泵系统概况及测试内容

1.1 项目概况

项目1为土壤源热泵空调系统，该项目建筑由住宅建筑A及公共建筑B组成，总建筑面积2.48万m2。该项目A楼高层住宅采用竖直埋管地源热泵中央空调系统，共有2台型号为LSBLGR-550MD地源热泵螺杆机组，设备标称制冷量为424.2kW，制热量为343.3kW，额定输入功率制冷工况为76.1kW，制热工况为89.5kW。A楼地下换热器共计216口井，每口井深为85米。B楼公共建筑采用集中水平埋管分散式地源热泵空调系统，共有1台型号为AWSHO352DM2的地源热泵机组，设备标称制冷量为357.8kW，制热量为394kW，额定输入功率制冷工况为69.6kW，制热工况为90.4kW，水平埋管20314米。

项目2为地下水源热泵空调系统，为A座酒店、B座商场提供冬季采暖、夏季制冷，并提供A座酒店夏季生活热水，总建筑面积9.5万m2。本项目A座酒店区域采用2台型号为GSHP2050H部分热回收水源热泵机组，名义制冷量为2050kW、名义制热量为2235kW，额定制冷输入功率为372kW，额定制热输入功率为498kW，并设置1台型号为GSHP1120B全热回收水源热泵机组，名义制冷量为1120kW，名义制热量为1098kW，额定制冷输入功率为207kW，额定制热输入功率为372kW，B座商场区域采用2台型号为GSHP2160水源热泵机组，名义制冷量为2160kW，名义制热量为2419kW，额定制冷输入功率为415kW，额定制热输入功率为541kW。该系统酒店共打井12口，商场打井7口，两套系统共计19口，可抽可灌，每口井均安装水表。

1.2 测试内容及数据处理

1.2.1 测试内容

测试系统均已稳定运行一年以上，测试时系统按实际负荷需求运行空调系统，当系统出现停机现象时，等系统重新启动并处于稳定工况后，继续进行数据采集。测试部分主要包括温度、流量、功率等参数。水温采用温度记录仪测量，流量采用超声波流量计测量，主机功率采用电能质量分析仪测量，其他设备功率采用钳形功率表计量。测试仪器规格、测量范围及测量精度见表1。

表1 测试仪器参数一览表

1.2.2 数据处理方法

采用间接测量法得到热泵机组性能系数、热泵系统能效系数。根据能量守恒定律，机组的制冷量通过测量机组的用户侧进出水温和相应的流量得到。通过测试数据处理可以得到水（地）源热泵系统的机组制冷能效、系统能效。

（1）机组制冷量

=(t-t) （1）

式中，为机组制冷量，kW；为水的密度，kg/m3；为冷冻水的体积流量，m3/s；为冷冻水的比热容，J/(kg·℃)；t，t为机组冷冻水进出水温度，℃。

（2）机组的性能系数

（2）

式中，1为机组的性能系数；1为机组的输入功率，kW。

（3）系统的性能系数

式中，2为系统的性能系数；2为冷冻水泵的输入功率，kW；3为冷却水泵的输入功率，kW。

2 测试结果与效益分析

图1～9为水（地）源热泵机组及输配系统的实测数据，能够直观的反映出机组的性能系数。结合前面所述的水泵和机组的具体数据，分析系统运行中存在的问题。

图1 冷冻水回水温度

图2 冷冻水供水温度

图3 冷冻水供回水温差

图4 冷却水供水温度

图5 冷却水回水温度

图6 冷却水供回水温差

图7 主机制冷效率COP

图8 系统制冷效率

图9 水泵输送能效比

2.1 空调机组的供回水温差

空调机组冷冻水供回水温差设计参数一般为 5℃，项目1平均温差为4.7℃，基本符合设计要求；项目2平均温差为2.3℃，偏低。项目1冷冻水回水温度在12℃上下波动，供水温度在7℃上下波动，项目2冷冻水回水温度为11℃左右，供水温度为8.5℃左右。由图6可以看出，项目1的冷却水供回水温差明显高于项目2，项目1平均温差为6.5℃，项目2为3.2℃，项目1与项目2冷却水供水温度相差不大，但项目1的冷却水回水温度大于项目2的回水温度。另外，地下水源热泵机组温差的波动性小于地埋管热泵系统，虽然同时受实际负荷的影响，但从工程设计的角度来说可以看出其系统设计的稳定性稍优于地埋管热泵系统。

2.2 机组能效和系统能效

从实测数据可以得出，主机的负荷率为58.3%，机组的平均COP为4.6，最高COP为5.2，系统能效平均为2.8，可见项目2虽然机组COP能满足要求，但是由于水泵流量偏大导致系统能效偏低。经计算，项目1的节能率为34.3%，项目2的节能率为17.9%，项目2在部分负荷情况下，节能率偏低，达不到地源热泵系统节能率期望值。

2.3 水泵输送能效比

根据《公共建筑节能设计标准》规定：空调冷水管道水泵输送能效比不应低于0.0241。项目1的水泵输送平均能效比为0.0245，项目2的水泵输送平均能效比为0.0558，可见项目2的水泵输送能效比远大于规定值。

3 存在的问题及建议

以上实测结果和其他资料反映了国内水（地）源热泵技术工程应用的现状：水（地）源热泵系统相对于常规制冷系统来说，虽然是一种更为节能的方式，但实际上在工程应用上并没有常规制冷系统的制冷效果可靠性强，其原因主要分为以下几个方面。

3.1 部分负荷下主机低效运行

项目1测试时一周内日平均最高温度为33℃，日平均最低温度为24℃，项目2平均最高温度为30℃，平均最低温度为22℃，项目1、2所在地为同一城市，空调室外干球计算温度为31.8℃。项目1与项目2的建筑功能不同，项目1以住宅为主，项目2以酒店为主，两种建筑的同时使用系数不同。可以看出，项目2测试所在日处在部分负荷状态，同时由于当天酒店入住率不足30%，即使只开启了一台机组，进出水温差仍然达不到设计要求，处于低效运行状态。在常规中央空调设计中，设计人员一般按照室外设计计算温度进行建筑物负荷计算，因此计算负荷一般大于建筑实际负荷，有资料显示建筑全年累计负荷约为设计负荷的70%左右。而在进行设备选型时，为了保证热舒适度，选型时常留有10%的裕量，使机组选型进一步变大。如此一来，从设计到选型阶段使最终机组的制冷能力大于建筑实际需求。

3.2 水泵低效运行

水泵选型偏大导致系统出现小温差、大流量的现象，整个系统运行效率降低。

图10 水泵输送能效比

如图10所示，Q是系统设计流量，在此流量下水泵扬程为H即可，当设计偏保守，选用水泵扬程偏大时，为了保证系统设计流量不变，则需要改变管路特性从II变为I，此时对应扬程H，可看出通过管路特性改变导致的扬程增大Δ=H-H是通过阀门进行节流完成的，这是极不经济的做法。而在实际工程运用中，由于机房管理水平参差不齐，在运行时机械地按说明进行操作，未考虑阀门开度的问题，通常不通过节流调节水泵流量，因此在实际运行中，管路特性并没用从II变为I，而是处于水泵a的C工作点工作，此时扬程为H，流量为Q，导致系统流量过大。项目1水泵能耗占总能耗的26.98%，项目2水泵能耗占总能耗的37.42%。空调冷水管道水泵输送能效比不应低于0.0241，其中项目1的水泵输送平均能效比为0.0245，项目2的水泵输送平均能效比为0.0558，项目2水泵能耗与水泵输送能效比均偏大，同时主机单台运行且负荷率在58.3%的情况下，即使采用了变频水泵，进出水温差仍然较低，可知项目2水泵处于如图10状态点C所示的情况运行，最终通过调节机组冷冻水供回水温差来实现冷量调节，使整个系统运行效率降低。

3.3 地埋管热泵系统的冷热堆积

表2 换热器换热误差计算一览表

夏季工况时：

Q=+1（4）

式中，Q为地埋管的得热量。

表2为换热器换热平衡计算一览表，指式（4）在测试中实际运行情况下产生的换热误差，由表2可知，在实际运行情况下，地埋管换热器受施工和实际运行情况影响，土壤（地下水）得热量可能高于或低于制冷量与主机功率之和。在夏热冬冷地区，夏季供冷时间长，冬季供暖时间短，使一年内地埋侧的放热大于吸热，系统长时间运行会造成地埋侧的温度逐年升高，使空调系统效率逐年降低，地源热泵系统具有冷热堆积的风险，而在工程设计时会进行地源热泵的冷热平衡计算，保证地埋管在使用寿命内冷热平衡保持在一定范围内，但实际运行中，地源热泵受工程设计、施工、运行方式影响大，地埋管换热器的得热量与理论计算存在不可忽略的误差，项目1在测试期间换热最高误差达到26.6%，项目2平均误差达到6%，该换热误差不断累积也会导致地源热泵冷热堆积的问题。由此可知换热误差是大多数地源热泵系统都会存在的问题，而通过设计阶段冷热平衡计算并不能规避换热误差对冷热平衡的影响，因此相比于常规空调系统，在整个寿命周期内的使用效果和系统可靠性上具有更大的风险。换热误差对冷热平衡的影响程度还待更加深入的研究。

3.4 实际运行费用高于预计费用

在工程设计确定系统方案时，采用水（地）源热泵系统的一个主要原因是虽然初投资远高于后者，但其预计运行费用远低于传统中央空调系统，在使用时限内预计动态费用年值会低于传统中央空调系统，同时具有良好的环境效益。但当系统建成投入实际运营时，由于设计出现上述问题以及施工质量的问题，往往会出现实际运行费用高于预计费用，严重时可能导致系统未达到使用年限即报废而需要更换系统的情况。

3.5 建议

（1）进行水（地）源热泵系统设计时，采用动态负荷分析，并结合建筑实际使用率对负荷进行更高精度的计算，并对当地地质情况进行详细勘察，合理选择系统，同时在机组和水泵选型时考虑部分负荷运行的情况，尽量避免出现“大马拉小车”的现象。

（2）对于酒店类型的建筑物，由于入住率不受季节、气候等因素影响，且无法预测，因此选型时机组选择两大一小的方式不适用于这类建筑，在机房条件允许的情况下，可考虑以小机组为主，大机组为辅的方式进行负荷匹配，使系统在低负荷率（入住率低）的情况下尽量提高系统效率。

（3）当主机处于部分负荷运行时，可减少主机运行台数，当夏季室外环境温度较低时，可在适当时间暂停运行一段时间，整体降低能耗，避免频繁启停，提高主机使用寿命。

（4）加强机房运营维护管理的水平，提高运行人员的专业水平，有利于运行人员根据实际负荷特性进行合理的调节运行，提高系统效率。

（5）对于夏热冬冷地区，可考虑设置辅助冷却塔系统，夏季多余的热量由冷却塔承担。或者可考虑以热负荷计算地源热泵的埋管量，辅以小型常规制冷系统，在有效避免冷热堆积的情况下降低地源热泵系统的初投资，有资料显示按冬季制热工况需求设计埋管换热器与按制冷工况设计比较，可降低投资约36%，投资回收期可大幅度缩短[7]。

4 结论

通过对上述2个水（地）源热泵系统的测试和分析发现，水（地）源热泵系统尽管是一种节能的可再生能源技术，具有较为突出的环境效益，但同时相比常规空调系统来说是一种高投资且多因素耦合的复杂系统，对施工和设计具有更高的要求。在设计时应进行详细的地质考察分析，合理选择系统，避免设备选型过大导致系统能效偏低，导致系统节能率和实际运行费用达不到设计要求，这对于水（地）源热泵系统较高的投资来说其实是得不偿失的。

[1] 胡连营.地源热泵技术及其发展概况[J].可再生能源,2008,(1):115-116.

[2] 王陈栋,吴晓寒.地下水地源热泵系统应用中存在问题的讨论[C].地温资源与地源热泵技术应用论文集,2009,(3):197-207.

[3] 刘学来,李永安,张耀鹏.地埋管地源热泵空调系统设计施工中应注意的问题[J].建筑技术,2010,(41): 1045-1046.

[4] 王雷岗,郑中援,马健,等.地埋管地源热泵系统设计若干关键问题的研究[J].暖通空调,2011,(41):41-44.

[5] 中国建筑科学研究院.可再生能源建筑应用示范项目测评导则[S].2008:35-36.

[6] 徐伟,孙峙峰,何涛,等.《可再生能源建筑应用示范项目测评导则》解读—检测程序·测评标准·测试方法[J].建筑科技,2009,(16):42-47.

[7] 刘光大,向宏.地埋管地源热泵空调系统降低投资的途径[C].2009年湖南省暖通空调制冷学术年会论文集, 2009, (1):2-3.

[8] 杨泽鸣,沈致和.某小区地源热泵系统夏季运行检测与分析[J].制冷与空调,2015,(6):689-691.

[9] 金良,冯秀.土壤源热泵地下换热系统测试试验分析与能耗对比[J].制冷与空调,2015,(2):217-220.

Measurement and Analysis of Two Water orGround Source Heat Pump Systems in Hot Summer and Cold Winter Zone for Issue

Xu Yang Huang Xiaojun

( China Southwest Architecture Design and Research Institute Co., Ltd, Chengdu, 610041 )

By measuring and analyzing two water or ground source heat pump systems in hot summer and cold winter zone, the transportation energy efficiency ratio of water pump and coefficient of performance (COP) for the heat pump units and systems in summer are obtained as well as the energy saving rate is difficult to reach 30%. The paper analyze the reason that the energy saving effect is not significant such as the inefficient operation of air conditioner host and water pump, heat exchange errors, cold and hot accumulation, actual operating cost is higher than expected. At length, put forward suggestions.

water (ground) source heat pump; test; coefficient of performance (COP); benefit; suggestion

1671-6612（2018）01-036-06

TU831.3

A

许 杨（1987-），男，硕士，工程师，E-mail：xud1@xnjz.com

2017-04-14