某建筑地源热泵系统夏季运行效果测试与分析

文_张金花 任静 苟新舟 北京中建建筑科学研究院有限公司

近年来，随着环境污染日趋严重，我国积极参与国际社会碳减排，主动顺应全球绿色低碳发展潮流，积极布局碳中和，推进绿色建筑发展。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。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。而随着地源热泵机组系统运行时间的增长，其实际运行效率降低，对地源热泵机组实际运行情况进行节能诊断，必不可少。因此，本文以北京某工程项目为实体，开展地源热泵系统测试研究，得到实际运行效率，并提出优化建议。

1 项目概况

1.1 项目概况

北苑某小区能源系统目前有三台热泵机组，冬季配合地热板换和调峰锅炉房为住宅楼和商场供暖，供暖面积约38.1万m2；夏季为商业广场提供冷源，供冷面积约3.8万m2。该项目采用清洁能源——地热能作为热源，现钻凿3眼地热井，其中1眼抽水井，2眼抽水、回灌两用井。单井出水量每天1800～3500m3，出水温度在70℃以上。自2003年建成开始供暖，已运行17个采暖季。

本次检测过程中，由于商业广场处于装修改造阶段，仅部分商户及超市开放，实际供冷面积约1.1万m2，仅测试夏季供冷工况运行情况。

1.2 本次测试热泵机组情况

热泵机房中原有3台McQuay型号为TSC087热泵机组，项目于2003年建设完成并正式投入使用，由于机组老化原因，于2019年更换了其中一台编号为2#机组的热泵机组，新更换的2#热泵机组为McQuay型号为WPS460.2CFFST-B的单螺杆式水（地）源热泵机组。原有1#、3#热泵机组运行效率（COP）较低，现对这两台热泵机组实际运行性能系数进行检测分析评价。被测试机组主要参数见表1。

表1 被测试机组主要参数

2 测试内容及过程

地源热泵机组实际运行效率测试时间为 2020年7月，测试方法依据《公共建筑节能检测标准》JGJ/T177-2009进行，本次测试制冷工况为供冷面积约1.1万m2时的运行情况，主要以制冷工况对机组实际性能进行测试分析。测试期间对室外温度进行了监测，测试实际运行工况下热泵机组冷凝器进出口温度、流量，蒸发器进出口温度、流量，热泵机组电压、电流、功率。根据检测数据计算热泵机组制冷量和实际性能系数COP。

3 测试结果及分析

3.1 1#热泵机组实际工况运行测试及分析

该机组在测试（1h）时间段内每隔10min取一组数据作为制冷工况检测数据。经过测试，1#机组在实际制冷工况下（实际供冷面积约1.1万m2），运行稳定后制冷量加耗电量与制热量基本达到平衡状态，蒸发器侧平均制冷量648.76kW，冷凝器侧平均制热量879.23kW，机组平均瞬时功率213.00kW，实际制冷效率为3.05，与机组制冷能效设计值4.30相差较大，电能浪费情况较为严重。同时，因该机组设计、运行年限较早，其机组制冷设计能效已经不能满足《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015的要求。测试数据具体见表2、表3、表4，测试结果见表5，机组运行参数变化曲线见图1。

表2 1#热泵机组冷冻水测试数据

表3 1#热泵机组冷却水测试数据

表4 1#热泵机组电耗测试数据

表5 1#热泵机组测试结果

图 1 1#机组制冷工况运行曲线

3.2 3#热泵机组实际工况运行测试及分析

该机组在测试（1h）时间段内每隔10min钟取一组数据作为制冷工况检测数据。经过测试，3#机组在实际制冷工况下（实际供冷面积约1.1万m2），运行稳定后制冷量加耗电量与制热量基本达到平衡状态，蒸发器侧平均制冷量771.29kW，冷凝器侧平均制热量1071.79kW，机组平均瞬时功率265.0kW，实际制冷效率为2.91，与机组制冷效率设计值4.30相差较大，电能浪费情况较为严重。同时，因该机组设计、运行年限较早，其机组制冷设计能效已经不能满足《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015的要求。测试数据见表6、表7、表8，测试结果见表9，机组运行参数变化曲线见图2。

图 2 3#机组制冷工况运行曲张

表6 冷冻水测试数据

冷凝器热水平均流量 m3/h 228.98冷凝器制热量 kW 1071.79蒸发器出水温度平均值 ℃ 7.15蒸发器进水温度平均值 ℃ 12.23蒸发器进、出水温差 ℃ 5.08蒸发器冷水平均流量 m3/h 130.67蒸发器制冷量 kW 771.29机组平均输入功率 kW 265.0机组实际性能系数（COP） W/W 2.91

表7 冷却水测试数据

表8 热泵机组电耗测试数据

表9 3#热泵机组测试结果

4 结语

通过测试，1#热泵机组制冷工况实际性能系数3.05，3#热泵机组制冷工况实际性能系数2.91，均低于设计要求，效率较低，经济性差。

该项目供冷面积约3.8万m2，测试期间实际供冷面积1.1万m2，机组测试期间运行稳定后出水温度高于设定值，无法满足后期3.8万m2商超的制冷需求。且三台无动力冷却塔全开，冷却塔入口温度35.5℃，出口温度30.5℃，湿球温度23.4℃，冷却塔效率较低，已经无法满足冷水机组冷却需求。

综上，热泵机组使用年限较长，夏季制冷工况运行效率低、机组老化频繁维修现象严重，建议更换高效热泵机组及配套冷却塔，以满足商超开业后的制冷需求。以新更换机组的COP满足《公共建筑节能设计标准》的要求，名义工况性能系数COP达到5.5的要求为基准，与现行机组相比，可节约30%左右用电量。