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区域级建筑土壤源热泵系统实际运行案例分析

发布: 2019-04-30     文章来源: 中国建筑科学研究院 钱程 郑州航空工业管理学院 陈宁     查看: 813次

区域级建筑土壤源热泵系统实际运行案例分析

 

 [摘 要]本文对一建筑规模为24.9m2的区域级居住区建筑采用的土壤源热泵系统的实际运行状况进行了调研测试,通过分析整个供暖季和制冷季地源侧和空调负荷侧的温度工况,得出了地埋管循环水的温度变化特性,并针对本项目给出了运行建议。

[关键词]区域级;土壤源热泵;实际运行工况

 

1.项目概况

项目为郑州某高校教职工居住区,共有25栋住宅楼和1栋物业办公楼,部分临街住宅楼的1、2层为商业网点。居住区总建筑面积为24.9万m2,地上建筑面积为20.2万m2,其中住宅建筑面积为18万m2、商业建筑面积为1.8万m2、公共建筑面积为0.4万m2。居住区采用土壤源热泵系统为建筑进行供暖和制冷,设计热负荷为7560kW,设计冷负荷为8530kW,地源热泵机房共设置5台螺杆式热泵机组,为减少水泵并联运行的台数,地源侧和空调负荷侧循环水泵均设置3台大流量变频循环泵和1台小流量工频循环泵,主要设备参数见表1,热泵机组与水泵对应运行模式见表2。土壤源热泵系统地埋管换热器共设置1700个地埋管垂直钻孔,分为14个小区域,各小区域在运行中互为备用。机房内1台热泵冷凝器的进出水管上预留了冷却塔管路接口,夏季出现极端高温天气地埋管换热器无法满足高强度散热负荷需求时,转换阀门使机组运行在冷却塔工况,减少向地埋管系统的散热量。土壤源热泵系统原理图如图1所示。

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2.运行现状

1)建筑室内使用情况

通过问卷调查,该居住区的入住率为65%,供暖季和制冷季室内风机盘管的同时使用率为50%,室内温度满足用户的热舒适性要求。

2)热泵和水泵实际运行台数

根据热泵机房运行记录,不同季节热泵机组与循环水泵对应运行台数如表3所示。地源侧和负荷侧均只运行大流量泵,没有开启小流量泵。

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3)热泵机房运行温度工况

笔者在2015年制冷季和2015年~2016年供暖季对该项目热泵系统的地源侧和供暖空调负荷侧的供回水温度进行了测试,测试方法为在热泵机房地埋管分、集水器的主管和负荷侧分、集水器的主管上安置温度自记仪,自记仪的感温探头涂抹导热硅脂,紧贴管壁,以便更准确地反映分、集水器内流体的温度,自记仪读取记录数据间隔为1个小时。

2015年制冷季热泵机房地源侧和空调负荷侧的温度工况分别如图2和图3所示,针对地埋管温度工况,地埋管的出水温度在制冷季初期为20℃左右,中期最高达到25.5℃,运行至末期,地埋管出水温度恢复至20.5℃,地埋管的进出水温差在初末期较低,运行在1~2℃,中期最高值仅达到3.9℃。针对空调负荷侧温度工况,初期空调供水温度运行在9℃~20℃,中期运行在8℃~9℃,空调供水温度的温度自记仪从7月21日22:00开始出现温度飘移,记录数据失效,整个制冷季空调回水温度运行在10.3℃~20.7℃。

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2015年~2016年供暖季热泵机房地源侧和空调负荷侧的温度工况分别如图4和图5所示,由于供暖季初期没有及时安置温度监测设备,从12月10日开始监测,针对地埋管温度工况,地埋管的出水温度在12月10日为15.6℃,中期最低达到12.6℃,供暖季结束,地埋管出水温度恢复至16.4℃。地埋管的进出水温差在初期运行在2℃左右,中期最高仅达到3.3℃,末期仅为1~2℃。整个供暖季空调负荷侧温度工况相对较为平稳,大部分时间供水温度运行在45~50℃,回水温度运行在40~45℃。空调负荷侧的供回水温度在初期运行在3℃左右,中期最高达到6.5℃,末期运行在2℃左右。

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3.分析总结

根据对项目运行现状的调研测试可以做出如下几点分析:

1)地埋管出口温度即热泵机组进口温度在制冷季期间为19℃~25.5℃、供暖季期间为12.6℃~16.5℃,地埋管温度工况满足《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005 4.3.5A条对地埋管温度限值的要求,且优于设计温度工况,整个制冷季和供暖季热泵机组均可保持高效运行。

2)地埋管的进出口温度变化特性为:在制冷季先逐渐升高而后逐渐降低,在供暖季先逐渐降低而后逐渐升高,埋管区域土壤温度具有一定的自恢复能力。由于本项目入住率不高,并且室内风机盘管的同时使用率低,仅运行2台热泵机组,而设计的满负荷地埋管换热器全部投入运行,因此在供暖季、制冷季末期地埋管出口温度均恢复至初期温度工况。对于区域级居住建筑,由于同时使用率低,地埋管的吸热、散热负荷强度小,采用土壤源热泵系统易于实现地埋管区域土壤温度的恢复。

3)地源侧供回水温差在整个制冷季和供暖季均未超过4℃,热泵地源侧系统一直处于大流量小温差运行,初期和末期尤为严重。主要原因为运行2台热泵时,设计工况为循环泵开启1台大流量泵,而实际运行在供暖季开启了3台大流量泵,制冷季开启了2台大流量泵。大流量运行使得循环泵功耗增加,但同时使得地埋管换热器的温度在制冷季的升高幅度和供暖季的降低幅度都变小,有利于热泵机组的运行。 

4.建议

对于土壤源热泵系统地源侧大流量小温差运行状态,有利于提高热泵机组的运行能效,但地源侧循环泵的功耗增加,建议对地源侧循环泵增加连锁控制,当达到设定温度热泵主机短期待机时,埋管侧循环泵可以延时关闭,热泵主机开启前地源侧循环泵提前开启,可以有效降低地源侧循环水泵的能耗。

本项目后期运行建议对地源侧小流量运行和大流量运行系统总的功耗测试,对比分析两种不同的工况下主机能耗和地源侧循环泵能耗,指导项目的节能运行。

 

参考文献

[1]中国建筑科学研究院. GB 50366-2005( 2009 年版) 地源热泵系统工程技术规范[S].北京: 中国建筑工业出版社,2009