解密长江流域大型地源热泵系统全年运行性能

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  • 2017-05-10 14:58:53
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地源热泵,彼之砒霜,吾之蜜糖。地源热泵能全年出色运行吗?真的节能吗?热堆积现象有多严重?本案例通过实测数据回答您。
  • 客户行业:科技信息
  • 客户类型:浙江省科技信息综合楼
  • 客户规模:建筑面积为22,091 m 2
  • 客户痛点:地源热泵的运行性能
  • 解决方案:长江流域大型地源热泵系统
  • 方案亮点:该地源热泵系统的地埋换热管采用双U型竖埋,管材采用HDPE100管,地埋管热交换孔布置在建筑周围空地处,从地表算起的有效深度为150 m,孔间距4 m,共201个热交换孔。

地源热泵,彼之砒霜,吾之蜜糖。

地源热泵能全年出色运行吗?

真的节能吗?

“热堆积”现象有多严重?

本案例通过实测数据回答您。

 

    本案例为浙江省科技信息综合楼(图1),位于杭州市滨江区。建筑面积为22,091 m 2 ,其中地上建筑为五层,建筑面积17,642 m 2 ,局部设一层地下室,建筑面积为4,449 m 2

 

                  

 图 1 浙江省科技信息综合楼

 

    该地源热泵系统的地埋换热管采用双U型竖埋,管材采用HDPE100管,地埋管热交换孔布置在建筑周围空地处,从地表算起的有效深度为150 m,孔间距4 m,共201个热交换孔,具体布置如图2所示。

    每个房间采用单独控制的风机盘管系统,主机采用两台相同型号的螺杆式地源热泵机组,最高制冷、制热功率分别可达930 kW和940 kW,系统运行原理如图3所示。

    冷热水机组采用水—水螺杆冷热水机组两台,水泵包括用户端空调冷热水循环泵和地埋管端冷却水泵各三台(二用一备),机组的标准设计工况性能如表1。监测网络监测的数据包括温度、压力、流量、用电量。

 

                    

图 2 地埋管热交换孔俯视图(圆圈为热交换孔截面)

 

 

                     

图 3 系统运行原理图

 

                   

                      

表 1 热泵机组设计工况参数

 

一、实验测试及数据采集系统

 

(一)测试仪器

    测试工作从 2015 年春季开始至 2016 年春季截止,测量参数主要包括用户端和地源端水温、流量,以及机组和水泵耗电量。水温采用 PT1000 铂电阻温度变送器采集,精度为±0.05 ℃;流量采用DWM2000 型电磁流量计,精度±1%;机组及水泵耗电量用精度为±1%钳形功率表计量。

 

(二)数据采集系统介绍

    数据采集系统首先由相关传感器、数据采集器完成数据采集工作,然后数据采集器将相关数据发送到电脑并通过西门子 WINCC 软件进行数据展示,而后将数据传输到监测总站。最后,在监测总站电脑端使用美国 Iconcions 公司GENESIS64 软件进行数据的最终处理、展示、储存。数据储存频率可自由设定,本次测试的系统设计为每 5 min 储存一次数据,数据保存年限为三年。

 

二、全年运行性能结果

 

(一)系统分析指标

系统的分析指标主要有三个:

1、系统的冷热负荷,夏季制冷时体现为制冷量,冬季供热时体现为供热量,冷热负荷直接体现了对系统制冷和供热能力的要求;

2、地埋换热器侧热流量,夏季制冷时表示系统向地排热量,冬季供热时表示系统从地吸热量,地埋换热器侧热流量对地下温度场的影响很大,直接或间接地影响了周围的生态环境,是该系统与环境热传递的主要部分;

3、机组或系统的能效比(COP),机组能效比为制冷量(供热量)与机组耗电量之比,系统能效比为制冷量(供热量)与系统总耗电量(包括机组和水泵耗电量)之比,能效比直接反映了机组或系统的能量转换效率,是评价一个热泵系统好坏最为直接的性能指标。三个分析指标的计算公式如下:

 

(1)

式中:

Q 1 ——制冷(供热)量,kW·h;

P 1 ——用户端水密度,kg/m 3

V 1 ——用户端水流量,m 3 /s;

C p1 ——用户端水比热容,kJ/(kg·℃);

T 2 ——用户端回水温度,℃;

T 1 ——用户端供水温度,℃;

t——系统运行时间,h。

 

(2)

式中:

Q 2 ——放热(吸热)量,kW·h;

P 2 ——地源端水密度,kg/m 3

V 2 ——地源端水流量,m 3 /s;

C p2 ——地源端水比热容,kJ/(kg·℃);

T 2 ′——地源端供水温度,℃;

T 1 ′——地源端回水温度,℃;

t——系统运行时间,h。

 

(3)

式中:

COP——能效比,无量纲;

Q 1 ——制冷(供热)量,kW·h;

W——机组或系统耗电量,kW·h。

 

(二)供冷季、供热季典型日地源热泵系统运行性能

    为了更加具体地体现地源热泵系统在各季的运行特性,本文在供冷季和供热季分别选取了一个典型日进行计算分析。供冷季典型日为 2015 年 7月 20 日,室外温度(26 ~ 32) ℃,平均相对湿度 63 % ~ 92 %,系统当日运行 8.75 h。该典型日各时刻用户端与地源端的进出口水温如图 4 所示。用户端供、回水温度分别稳定在 12 ℃、14 ℃左右,温度差范围为(1.8 ~2.4) ℃,温度差平均值为 1.9 ℃。地源端供、回水温度分别稳定在 30 ℃、25 ℃左右,温度差范围为(5.0 ~ 5.8) ℃,温度差平均值为 5.1 ℃。与之相对应的用户端和地源端的日均水流量分别为296 m3/h、161 m 3 /h。

 

    由式(1)和式(2)可得制冷量Q1的值为 5,777 kW·h,地埋管换热器放热量Q2的值为 8,422 kW·h。通过电表数据得当日系统运行时间内机组耗电量 1,004 kW·h,根据机组耗电量和制冷量,由式(3)可得当日机组的能效比COP值为5.76。

 

    供热季典型日为 2016 年 1 月 5 日,室外温度(7 ~ 9) ℃,平均相对湿度 89 % ~ 98 %,系统当日运行8.42 h。该典型日各时刻用户端与地源端的进出口水温如图 5 所示。用户端供、回水温度差平均值2.7 ℃,地源端供、回水温度差平均值为 2.4 ℃。用户端和地源端的日均水流量分别为 245 m 3 /h、176 m 3 /h,可得供热量Q1的值为 6,515 kW·h, 地埋管换热器吸热量Q2的值为 4,131 kW·h。通过电表数据得当日系统运行期间内机组耗电量 1,389 kW· h,可得当日机组的能效比 COP 值为 4.69。当日水泵耗电量为751 kW·h,可得当日系统能效比COP值为3.0。

 

(三)供冷季运行实验结果

    本文中的地源热泵系统供冷季为 2015 年 6 月15 日至 2015 年 9 月 24 日,这段时间杭州气候为炎热的夏季,系统于每个工作日内运行并向室内供冷。由于该系统用于企事业单位大楼,周末及法定节假系统不运行,加上个别天数据传输故障,整个供冷季有效计算天数为 47 天,平均每天供冷量4,297 kW·h,向地下排热量 6,102 kW·h,机组耗电量 865 kW·h。在该周期内,机组 COP 在 2.4 ~ 6.7 之间波动,基本维持在 4 ~ 6 之间,平均值为 5.0。供冷季部分天机组 COP、日平均气温、机组耗电量、制冷量和排热量变化情况如图 6 所示。

 

    由图 6 看出,系统制冷量和机组耗电量随着室外平均温度增减而呈同步增减趋势。同样,用户供回水温差也随室外环境温度升高有明显的增大趋势(图 7)。原因是在供冷季,室外温度越高,室内外温差越大,冷负荷则越大,而在水泵为恒功率运行的情况下导致用户侧供回水温差、机组耗电量随之增大以保证室内达到设定的最舒适温度。由此可以看出,室内人员、设备对热负荷的影响不大,热负荷主要受室外温度的影响。机组最高 COP 出现在 8 月 11 日,最低 COP 出现在 8 月 13 日,正好分别出现在运行时间最长和运行时间最短的天。这是因为系统启动时需要预热,该阶段耗电量较大,且系统尚未开始正常制冷,导致运行时间较短的那天单位时间耗能更多,从而使得机组 COP 降低。

 

                      

图 4 供冷季典型日(7 月 20 日)进出口水温及室外温度变化

 

 

                        

 图 5 供热季典型日(1 月 5 日)进出口水温及室外温度变化

 

 

                              

图 6 供冷季运行情况

 

 

                      

图 7 供冷季用户供回水温差随室外平均温度变化关系

 

(四)供热季运行实验结果

    供热季时段为 2015 年 11 月 11 日至 2016 年 4月 5 日,系统于每个工作日内运行并向室内供热。除去假期系统不运行及个别天数据传输故障,整个供热季有效计算天数为 50 天,平均每天供热量5,237 kW·h,从地下吸热量 3,263 kW·h,机组耗电量 1,161 kW·h。供热季内还对各水泵的耗电量进行了测量,平均每天水泵耗电量为 759 kW·h。在该周期内,机组 COP 在 2.0 ~ 5.8 波动,基本维持在 4 ~ 5,平均值为 4.5;系统 COP 在 2.2 ~ 3.5 波动,基本维持在 2.4 ~ 3.2,平均值为 2.7。供热季部分天机组、系统 COP,日平均气温,机组、水泵耗电量,供热量和吸热量变化情况如图 8 所示。与供冷季相反,供热季室外温度越低负荷越大,系统供热量、机组耗电量、水泵耗电量随着室外平均温度增减而反向增减。机组最高 COP 出现在 1月 22 日,最低 COP 出现在 12 月 22 日。最低 COP依旧出现在系统运行时间较短的天,这与供冷季运行时一致。该季内机组、系统 COP 随室外温度的降低而增大,并且趋势较为明显(图 9)。

 

                     

图 8 供热季运行情况

 

 

                 

图 9 供热季 COP 随室外温度变化关系

 

三、全年运行性能分析

 

(一)系统全年运行的稳定性

    供冷季机组平均 COP 为 5.0,略低于机组设计COP(5.36);供热季机组平均 COP 为 4.5,略高于机组设计 COP(4.03),但供热季系统平均 COP 略低,为 2.7;全年周期内机组平均 COP 为 4.8,用户端和地源端供回水温差基本稳定在(2 ~3) ℃,系统运行稳定(表 2)。

 

                 

表 2 供冷、供热季全年运行情况

 

(二)室外温度对系统性能的影响

    由图 6 和图 9 可以看出,在一定范围内,系统热负荷越大,机组 COP 越高。这是由于室外温度对冷端基本无影响,对热负荷影响很大。在热泵机组设计热负荷范围内,机组内压缩机等耗能部件在热负荷变化时能耗(W)变化不大,而在低热负荷时供冷热量(Q1)更低,导致低热负荷时机组COP 较低(公式 3)。由表 3 也可以看出,在供冷季时,实际热负荷占设计热负荷的比要比供热季时低很多,因此导致了供冷季运行机组 COP 未达到设计值,而供热季机组COP 达到并超过设计值。综上可知,实际热负荷占设计热负荷的比越大,机组 COP 越高。因此,热泵机组的选型对机组 COP 的影响很大。

 

                     

表 3 供冷、供热季热负荷情况

 

(三)水泵能耗对系统 COP  的影响

    供热季水泵耗电量的监测结果显示,在整个供热季内,水泵耗电量占系统总耗电量之比的平均值为40 %,并且随着水泵耗电量占总耗电量比例越高,系统的COP越低(图10)。由运行情况也可以看出,虽然供热季内机组的 COP 达到 4.5,但由于水泵的高能耗导致系统的 COP 只有 2.7。因此,水泵能耗是影响系统 COP 的重要因素,如何降低水泵耗电比对提升整个系统的综合性能显得尤其重要。

 

                      

图 10 系统 COP 随水泵耗电量占总耗电量比变化关系

 

(四)地源热泵与土壤之间的换热不平衡现象

    很多文献中都已经指出,在寒冷地区,地源热泵供热季从土壤吸收的热量远高于供冷季向土壤排出的热量。而在如杭州气候条件下的夏热冬冷地区,地源热泵供冷季向土壤排出的热量远高于供热季从土壤吸收的热量。特别是在大型公共建筑中,地源热泵与土壤间的热平衡是影响热泵系统持久稳定运行的至关重要的因素。但是很多的热不平衡现象是在模拟实际项目的基础上估算得出的,缺乏对大型系统实际监测并定量计算。本案例在未采用热恢复技术的前提下,定量地分析了在一个供冷、供热全周期内地源热泵与土壤间的换热情况(表 4,正为向土壤排热,负为从土壤吸热)。

 

    由于监测过程中数据传输偶尔出现异常情况,得到供冷季有效数据 47 天,供热季 50 天,由此可以求得日均换热量。而实际供冷季为 72 天,供热季为87 天,由日均换热量即可推算出各季总换热量。从表中可以看出,供冷季地源热泵向土壤日均排热量为21.97 GJ,供热季从土壤日均吸热量为11.75 GJ,日均热不平衡率为 46.5%;供冷季地源热泵向土壤总排热量为 1,582 GJ,供热季从土壤总吸热量为1,022 GJ,全年地源热泵向土壤净排热量为 560 GJ,热不平衡率为 35.4 %。热量每年不断地向土壤堆积,产生“热堆积”现象,这与其它文献中得出的值和结论一致 。值得注意的是,由于该系统实际运行时供热季时间要比供冷季时间长,因此实际全年的热不平衡率比文献中预测的略低。即便如此,该地源热泵系统全年向土壤净排热量还是相当可观,如此大的热不平衡对地下温度场、周围环境会产生何种影响,如何缓解这种影响将是影响我们今后推广利用该技术的关键。

 

                 

表 4 地源热泵与土壤热交换情况

 

六、结论

 

    本案例在长江三角洲地区具有夏热冬冷气候的代表性城市杭州进行了为期一年的大型地源热泵系统运行监测,运行结果表明:

1、该系统全年运行时供回水温差稳定,能够向用户提供稳定的热能或冷能;

 

2、室外温度对冷端基本无影响,对热负荷影响很大;夏季室外温度越高,系统热负荷越大,机组 COP 越高;冬季室外温度越低,系统热负荷越大,机组 COP 越高;实际冷热负荷占设计冷热负荷的比越大,机组 COP 越高;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,减少机组能耗;

 

3、该系统水泵能耗占本系统能耗比重很大;选择变频水泵、降低水泵耗电比,可以有效地提高系统 COP,减少系统能耗;

 

4、在夏热冬冷的长江三角洲地区,地源热泵系统与土壤间产生的热交换不平衡现象显著,易导致“热堆积”现象。该地源热泵系统全年与土壤换热的热不平衡率为 35.4 %。因此,为了研究这种现象对周围环境产生的影响,对周围环境的热流分析显得尤其重要。

 

作者:席加 ,秦祥熙,李少华,李勇,王如竹

原载:制冷技术 有删减

评论

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veggie

2018-02-02  319天前

很专业

  • 0支持

1402518768

2017-10-13  431天前

图文并茂,很专业

  • 0支持

DK权

2017-09-01  474天前

学到了

  • 0支持
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