绿色公共建筑地源热泵系统运行效果分析

陈晨 李晓萍

中国建筑科学研究院天津分院

0 引言

近年来我国绿色建筑正在蓬勃发展，绿色建筑的实际运行效果与设计预期之间往往存在较大差异的问题也越来越受到人们重视。建筑节能是绿色建筑的重要目标之一，其设备、系统运行稳定，性能发挥良好，将切实降低资源能源消耗[1-2]。地源热泵作为一种清洁、可再生的新能源技术，具有良好的经济与环境效益，在能源的可持续发展战略中起着重要作用。对地源热泵系统进行监测是了解地源热泵系统能耗状况的重要手段[3]。通过对地源热泵系统进行情况进行监测与分析，可对地源热泵空调系统的运行情况进行诊断评估，进而对系统进行优化，真正实现系统运营阶段舒适、节能、环保[4]。

本文以4 个绿色建筑中地源热泵系统的全年运行数据为基础，基于有关设计资料和项目的实际运行数据，深入分析系统的运行情况和运行效果，主要包括地源热泵系统地源侧、用户侧出入口水温，负荷率、机组 COP 等参数，研究绿色建筑中地源热泵系统优化设计方法和运行策略，并对绿色建筑中地源热泵系统运行性能提升建议。

1 工程项目介绍

选取4 个绿色建筑（办公建筑）的地源热泵系统作为案例，通过长期的数据监测，分别对热泵系统的数据 进行节能性计算，分析绿色建筑地源热泵系统的运行效果，项目基本情况如表1 所示。

表1 项目概况

2 案例项目地源热泵系统运行分析

对 4 个绿色建筑地源热泵的项目至少监测一个供暖季和一个供冷季。其中项目一、案例三、项目四监测数据夏季供冷为6 月～9 月，冬季供暖季为 11 月～ 次年 3 月。

2.1 系统供回水温度分析

通过分析项目夏季工况和冬季工况运行情况下的用户侧/地源侧供回水温差分析项目地源热泵运行状况和末端运行情况，如图1 所示，项目1 夏季和冬季热泵系统均为24 h 全天运行，夏季工况下用户侧负荷小，用户侧供回水温差主要集中在0～1 ℃区间内，远低于设计5 ℃温差值，长期处于“小温差大流量”运行条件下，同样夏季、冬季地源侧供回水温差主要集中在 0～1 ℃区间内，使得系统水泵能耗占比偏大。项目2 采用夏季夜间蓄冷、冬季夜间蓄热运行模式降低系统运行费用，每天运行时间约7 个小时，用户侧供回水温差基本符合设计温差要求，系统运行状况较好。项目 3 夏季和冬季热泵系统均为24 h 全天运行，用户侧供回水温也是小温差运行，循环水泵都是在额定工况下运行。项目 4 运行方式采用“工作日时长”运行模式，系统运行较好，用户侧供回水温差基本符合设计要求。

图1 项目用户侧/地源侧供回水温差分布

2.2 系统运行能效分析

电驱动热泵机组制冷/ 制热工况下的性能系数 COP 和热泵系统制冷/ 制热性能系数 EERsys 是评价地源热泵系统的重要指标。

电驱动热泵机组的实际性能系数 COP、系统能效系数EERsys 见式（1）～（3）：

式中：COP 为热泵机组的实际性能系数；N为热泵机组平均输入功率，kW；Q0为热泵机组的供冷（热）量，kW；V为用户侧平均流量，m3/h；Δt为用户侧进、出口平均温差，℃；ρ为冷（热）介质平均密度，kg/m3；c为冷（热）介质平均定压比热，kJ/(kg·℃)；EERsys为热泵系统能效系数；ΣNi为测试期间热泵系统中热泵机组与系 统中水泵的总功率，kW。

通过分析项目热泵机组和热泵系统的性能系数，进而对进而对地源热泵系统的性能进行评价。如图 2 所示，分别为4 个案例热泵机组COP 与系统EERsys的分布情况，在夏季制冷工况下 4 个案例 COP 范围在 1.84～7.07 之间，系统 EERsys的范围在 0.94～5.52 之间。在冬季制热工况下4 个案例 COP 范围在3.84～5.51 之间，系统EERsys的范围在 1.82～4.57 之间。其中项目1 的COP 与EERsys明显低于系统的额定值，系统运行能效偏低。项目 4 制冷工况机组COP 高于项目2 的机组 COP，但其制冷系统 EERsys高于项目2，说明项目 4 的水泵能耗占系统能耗的比重较低。

图2 项目机组COP 与系统EERsys 比较

2.3 系统运行负荷率PLR

负荷率 PLR 为某一时刻供给用户的供能量和一个指定最大值之比（此处是按机组总额定制冷、热量）。系统运行负荷率PLR 主要受室外气象变化、建筑使用功能、正常工作时间等诸多因素影响，是反应系统实际运行情况与系统设计匹配度的重要指标。

式中：Q0为热泵机组的实际供冷（热）量，kW；Qed为热泵机组的总额定供冷（热）量，kW。

如图 3 所示，项目 1 和项目 3 的夏季工况和冬季工况，地源热泵系统的负荷率都在比较低的状态下运行，在制冷/供暖季大部分时间，建筑物的实际冷/ 热负荷小于设计工况，热泵系统多数时间是在较低的负荷率下运行，进而造成系统能效偏低。其中项目1 低负荷率运行现象更加明显，夏季工况下大部分时间内负荷率低于 10%，冬季负荷率低于 30%，系统实际运行情况与设计偏离度较大。项目 2 和项目4 的夏季工况和冬季工况地源热泵系统的负荷率都比较稳定，且都在较高率和率下运行，系统的能效也较高，与机组性能系数COP 值分布一致。

图3 项目夏季/冬季系统运行负荷率

2.4 地源测冷热平衡分析

地源热泵系统在夏季向地下土壤排热，冬季从地下土壤取热，地下土壤作为热量的储存体，由于建筑的冷热负荷不同造成的对其取排热不均，将导致地下土壤储存体的温度升高或降低，形成土壤热量堆积会冷量堆积，进而影响地源热泵的运行效果，通过运行数据分析项目热泵系统的热不平衡率。

地源侧换热量计算见式（5）

式中：Gg,k为地源侧总水流量，m3/h；Δtg,k为地源侧进出口水温差，℃；c为水的比热容，kJ/(kg·℃)；ρ为水密度，kg/m3。

则供暖季从土壤的取热量Eextract为：

排供冷季向土壤的排热量为Einject为：

不平衡率UBRate 为：

若UBRate＜0，取热多，若UBRate＞0，排热多。

如表 2 所示，为4 个案例地源侧夏季排热与冬季取热值。冬季取热量为负数。项目1 与项目3 不平衡率在5%之内，虽然取热量稍微大于排热量，可以视为平衡，项目 2 不平衡率为 13.75%，由于土壤本身具有一定的热扩散能力和蓄热能力，热量不平衡对热泵的运行影响不大，不需要采取措施。项目 4 不平衡率为 34.91%，夏季排热量大于冬季取热量，该项目为夏热多冷地区，因此在夏季运行时应考虑冷却塔辅助排热，避免土壤热量堆积，影响地源热泵长期使用效果。

表2 不平衡率统计表

3 绿色建筑地源热泵系统运行优化分析

对 4 个绿色建筑项目的地源热泵系统运行现状进行分析，总结分析出不同项目中地源热泵运行存在的普遍问题，并有针对的提出改善和提高实际项目的运行效果方案，并进一步指导系统优化设计。

3.1 运行问题分析

1）地源热泵系统存在“大流量小温差”的运行模式。在设计初期可能存在对负荷计算不准确或者特殊气候等原因，导致系统水泵与机组选型不匹配。水泵选型偏大，以至于实际运行中系统用户侧与地源侧流量均偏大，在获得相同热量的同时水泵输入能耗加大，造成系统能效偏低。

2）机组选型与建筑冷热负荷设计不匹配，机组选型过大，系统长时间处于低负荷运行，机组 COP 和系统EERsys偏低。

3）地源热泵系统的运行控制策略不合理，整套系统设计的自动化程度较高，但实际操作过程中无论是开启机组还是开启水泵均为人工开启，项目 1 和项目 3 现场操作人员不能根据项目实际使用时间来启停机组，而是机组 24 h 持续运行，且现场并未能根据室外气温条件进行相应的节能操作。

4）地源侧全年冷热不平衡。热泵系统的冷热负荷不平衡率较大，会使得土壤温度不平衡，常年积累则导致土壤温度逐年下降，降低系统运行效率。

5）地源侧冬、夏季运行策略选择不合理。埋管冬、夏季运行策略不得当，系统运行过程中系统机组和地源侧水泵未达到联动效果，即机组停止运行，地源侧水泵仍然运行，造成系统EERsys偏低。

3.2 地源热泵系统优化建议

地源热泵系统按设计工况下运行为节能系统，但地源热泵系统节能效果与项目所在地的气候条件、建筑物负荷特征、运行管理措施等因素有关。通过实际项目热泵系统运行分析可知，若能合理解决目前存在问题、优化运行管理，地源热泵系统依然具有较好的节能潜力。

1）通过增加辅助系统解决系统目前存在的取放热不平衡问题。在供暖初期和供暖末期采用其它供热形式，地源热泵辅助供热的方式进行供暖，减少地源热泵从地下抽取的热量。同时在过度季向地下回灌热量，以此来保证系统长时间安全稳定的运行。

2）对水泵设备进行改造，论证更换小型水泵还是加变频装置更为经济。用户侧可以根据末端负荷进行流量调节，减小水泵输入的能耗。地源侧可设置供热和供冷两个运行频率。

3）对现场系统运行进行规范化管理。在运行时，避免不了出现不专业、耗能的管理模式，所以需对地源热泵系统使用人员进行相应培训。制定科学合理的运行方式，冬季不设置过高的供暖温度，夏季不设置过低的供冷温度，在满足舒适度要求的情况下减小末端负荷，进而减小整个系统的输入功率。管理上要求机房操作员工需熟悉设备的结构及基本的运行原理，以及注意事项，且应该严格按照系统设备的自身特性进行运行和保养。需要管理人员加强空调制冷理论和实际操作的相关知识，要善于总结经验，提高操作技能，确保系统及其附属设备正常工作并实现节能的目的。

4 结语

通过对3 个天津寒冷地区和1 个江苏夏热冬冷地区绿色建筑地源热泵系统，经过前期系统运行数据的调研，了解系统目前运行状况，对系统实际运行的流量、温度、功率等数据进行整理和分析，同时评价绿色建筑地源热泵系统的运行效果。

1）地源热泵系统“大流量小温差”运行模式，系统水泵能耗占热泵系统能耗比重很大，选择变频水泵、降低水泵耗电比，可以有效减少系统能耗，提高系统 EERsys，进而提高绿色建筑的能源利用效率。

2）热泵机组在低负荷下运行，机组启停频繁，机组启停能耗较高，因此选用机组功率可随热负荷变化的变频热泵机组可有效地提高机组 COP，降低机组的能耗。

3）热泵系统的运行策略和运行时长对系统能耗影响很大，在保证室内温度的前提下，可在停止使用前的某一段时间停机，缩短机组的运行时间，降低能量消耗，可以获得更高运行效率和较好的节能效果。

4）地源热泵系统的地下取放热量不平衡问题，无论是循环水泵改造、埋管分区运行还是增加复合系统最终都是为了解决系统冷、热负荷不平衡的问题，所以在设计初期应进行充分的基础数据调研，包括空调系统的使用规律、系统所在地区的地下热物性情况等，对系统进行足够的可行性研究后方可进行设计和施工。