區(qū)域級建筑土壤源熱泵系統(tǒng)實際運行案例分析
[摘 要]本文對一建筑規(guī)模為24.9萬m2的區(qū)域級居住區(qū)建筑采用的土壤源熱泵系統(tǒng)的實際運行狀況進行了調研測試，通過分析整個供暖季和制冷季地源側和空調負荷側的溫度工況，得出了地埋管循環(huán)水的溫度變化特性，并針對本項目給出了運行建議。
[關鍵詞]區(qū)域級；土壤源熱泵；實際運行工況
1.項目概況
項目為鄭州某高校教職工居住區(qū)，共有25棟住宅樓和1棟物業(yè)辦公樓，部分臨街住宅樓的1、2層為商業(yè)網(wǎng)點。居住區(qū)總建筑面積為24.9萬m2，地上建筑面積為20.2萬m2，其中住宅建筑面積為18萬m2、商業(yè)建筑面積為1.8萬m2、公共建筑面積為0.4萬m2。居住區(qū)采用土壤源熱泵系統(tǒng)為建筑進行供暖和制冷，設計熱負荷為7560kW，設計冷負荷為8530kW，地源熱泵機房共設置5臺螺桿式熱泵機組，為減少水泵并聯(lián)運行的臺數(shù)，地源側和空調負荷側循環(huán)水泵均設置3臺大流量變頻循環(huán)泵和1臺小流量工頻循環(huán)泵，主要設備參數(shù)見表1，熱泵機組與水泵對應運行模式見表2。土壤源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器共設置1700個地埋管垂直鉆孔，分為14個小區(qū)域，各小區(qū)域在運行中互為備用。機房內1臺熱泵冷凝器的進出水管上預留了冷卻塔管路接口，夏季出現(xiàn)極端高溫天氣地埋管換熱器無法滿足高強度散熱負荷需求時，轉換閥門使機組運行在冷卻塔工況，減少向地埋管系統(tǒng)的散熱量。土壤源熱泵系統(tǒng)原理圖如圖1所示。
2.運行現(xiàn)狀
1）建筑室內使用情況
通過問卷調查，該居住區(qū)的入住率為65%，供暖季和制冷季室內風機盤管的同時使用率為50%，室內溫度滿足用戶的熱舒適性要求。
2）熱泵和水泵實際運行臺數(shù)
根據(jù)熱泵機房運行記錄，不同季節(jié)熱泵機組與循環(huán)水泵對應運行臺數(shù)如表3所示。地源側和負荷側均只運行大流量泵，沒有開啟小流量泵。
3）熱泵機房運行溫度工況
筆者在2015年制冷季和2015年~2016年供暖季對該項目熱泵系統(tǒng)的地源側和供暖空調負荷側的供回水溫度進行了測試，測試方法為在熱泵機房地埋管分、集水器的主管和負荷側分、集水器的主管上安置溫度自記儀，自記儀的感溫探頭涂抹導熱硅脂，緊貼管壁，以便更準確地反映分、集水器內流體的溫度，自記儀讀取記錄數(shù)據(jù)間隔為1個小時。
2015年制冷季熱泵機房地源側和空調負荷側的溫度工況分別如圖2和圖3所示，針對地埋管溫度工況，地埋管的出水溫度在制冷季初期為20℃左右，中期最高達到25.5℃，運行至末期，地埋管出水溫度恢復至20.5℃，地埋管的進出水溫差在初末期較低，運行在1~2℃，中期最高值僅達到3.9℃。針對空調負荷側溫度工況，初期空調供水溫度運行在9℃~20℃，中期運行在8℃~9℃，空調供水溫度的溫度自記儀從7月21日22:00開始出現(xiàn)溫度飄移，記錄數(shù)據(jù)失效，整個制冷季空調回水溫度運行在10.3℃~20.7℃。
2015年~2016年供暖季熱泵機房地源側和空調負荷側的溫度工況分別如圖4和圖5所示，由于供暖季初期沒有及時安置溫度監(jiān)測設備，從12月10日開始監(jiān)測，針對地埋管溫度工況，地埋管的出水溫度在12月10日為15.6℃，中期最低達到12.6℃，供暖季結束，地埋管出水溫度恢復至16.4℃。地埋管的進出水溫差在初期運行在2℃左右，中期最高僅達到3.3℃，末期僅為1~2℃。整個供暖季空調負荷側溫度工況相對較為平穩(wěn)，大部分時間供水溫度運行在45~50℃，回水溫度運行在40~45℃。空調負荷側的供回水溫度在初期運行在3℃左右，中期最高達到6.5℃，末期運行在2℃左右。
3.分析總結
根據(jù)對項目運行現(xiàn)狀的調研測試可以做出如下幾點分析：
1）地埋管出口溫度即熱泵機組進口溫度在制冷季期間為19℃~25.5℃、供暖季期間為12.6℃~16.5℃，地埋管溫度工況滿足《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》GB50366-2005
4.3.5A條對地埋管溫度限值的要求，且優(yōu)于設計溫度工況，整個制冷季和供暖季熱泵機組均可保持高效運行。
2）地埋管的進出口溫度變化特性為：在制冷季先逐漸升高而后逐漸降低，在供暖季先逐漸降低而后逐漸升高，埋管區(qū)域土壤溫度具有一定的自恢復能力。由于本項目入住率不高，并且室內風機盤管的同時使用率低，僅運行2臺熱泵機組，而設計的滿負荷地埋管換熱器全部投入運行，因此在供暖季、制冷季末期地埋管出口溫度均恢復至初期溫度工況。對于區(qū)域級居住建筑，由于同時使用率低，地埋管的吸熱、散熱負荷強度小，采用土壤源熱泵系統(tǒng)易于實現(xiàn)地埋管區(qū)域土壤溫度的恢復。
3）地源側供回水溫差在整個制冷季和供暖季均未超過4℃，熱泵地源側系統(tǒng)一直處于大流量小溫差運行，初期和末期尤為嚴重。主要原因為運行2臺熱泵時，設計工況為循環(huán)泵開啟1臺大流量泵，而實際運行在供暖季開啟了3臺大流量泵，制冷季開啟了2臺大流量泵。大流量運行使得循環(huán)泵功耗增加，但同時使得地埋管換熱器的溫度在制冷季的升高幅度和供暖季的降低幅度都變小，有利于熱泵機組的運行。
4.建議
對于土壤源熱泵系統(tǒng)地源側大流量小溫差運行狀態(tài)，有利于提高熱泵機組的運行能效，但地源側循環(huán)泵的功耗增加，建議對地源側循環(huán)泵增加連鎖控制，當達到設定溫度熱泵主機短期待機時，埋管側循環(huán)泵可以延時關閉，熱泵主機開啟前地源側循環(huán)泵提前開啟，可以有效降低地源側循環(huán)水泵的能耗。
本項目后期運行建議對地源側小流量運行和大流量運行系統(tǒng)總的功耗測試，對比分析兩種不同的工況下主機能耗和地源側循環(huán)泵能耗，指導項目的節(jié)能運行。
參考文獻
[1]中國建筑科學研究院． GB 50366-2005( 2009 年版) 地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范［S］．北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2009