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1、基于地源热泵系统性能实测分析 的调控研究李翠,李峥嵘，傅强 日 期：2016.11.10主要内容 1. 背景介绍 2. 地源热泵系统检测概述 3. 地源热泵系统的运行特征 4. 地源热泵系统的调控策略 5. 地源热泵系统运行与管理建议1. 背景介绍 1.1 地源热泵的快速发展起步阶段：20 世纪80年代推广阶段：21 世纪初-2004年快速发展阶段 ：2005年至今数据来源：中国地源热泵发展研究报告1.2地源热泵技术的应用设计阶设计阶 段施工阶阶段运行与管理地源热泵技术应用之多相关学术论文数量之多相关专利的发表设计师的关注可再生能源建筑应用示范项目测评导则2008.9可再生能源建筑应用工程评价
2、标准GB/T50801-2013可再生能源建筑应用测试评价标准DG/TJ08-2162-2015设计与运行之间还存在较大的差 异地源热泵系统工程 技术规程GB50366- 2009 建筑工程绿色施工 规范GB/T 50905- 2014 1.3 地源热泵系统介绍序 号建筑类类型空调调系统统形式系统统运行策略热泵热泵 机组额组额 定 制冷/制热热系数A健身中办心地源热泵独立运行4.7/4.7B办公+商业地源热泵 +冷水机组冬季地源热泵 独立运 行5.6/5.0C办公楼地源热泵 +冷却塔独立运行7.3/5.2D博物馆地源热泵 +冷水机组夏季地源热泵为 辅助 系统、冬季独立运行5.9/4.5表1 建
3、筑类型、系统特征及使用时间说明2.地源热泵系统现场检测 地源热泵机组及系统性能检测-现场可再生能源建筑应用示范项目测评导则2008.9 可再生能源建筑应用工程评价标准GB/T50801-2013 可再生能源建筑应用测试评价标准DG/TJ08-2162-2015表1地源热泵机组制热/制冷性能系数 检测结果-机组性能建筑运行工况检测期间热泵系统总制冷（热）量（kWh）检测期间热泵机组耗电量（kWh）检测期间水泵耗电量（kWh）热泵系统典型季节系统能效比A制冷工况12544.42532.8777.663.8制热工况2500.0783.657.703.0B制冷工况9438.91995.61095.63
4、.1制热工况4796.61608.9376.72.4C制冷工况61760.010246.46017.63.8制热工况30646.46515.22515.53.4D制冷工况39936.49257.22451.53.4制热工况32558.39593.152814.642.6表3 地源热泵系统典型季节系统能效比 检测结果-系统性能地源热泵检测中关注的问题机组能效比的测试条件为机组负荷率宜达到 80%以上，系统能效比的测试条件为系统最大负荷率宜达到 60%以上。当测试条件不满足时，需要根据机组运行性能公式，校正为标准要求的合理测试条件下的能效比。修正后的在制冷工况下地源侧出水温度实测值偏离 28，或制
5、热工况下地源侧出水温度实测值偏离 12时，应对机组能效比 EER（制冷能效比）和 COP（制热性能系数）提出了修正，见DG/TJ 08-2162-2015）3. 地源热泵系统的运行特征-以C建筑为例C建筑为办公建筑，分为东楼和西楼，东楼地下一层、地上五层，西楼地 下一层、地上四层。总建筑面积为21959m(其中地上部分13152m )，建 筑总高度为23.95m。p C建筑的空调设计情况u 建筑设计冷负荷为2000kW；设计热负荷为1000kW。u 空调冷热源为两台地源热泵主机（名义制冷量1203.5kW，名义制热量1204.4kW）与三台辅助闭式冷却塔（处理水量83.3*3m/h）相结合的形
6、式。u 冬夏季工况由管路阀门切换控制，夏季地埋管与冷却塔并联。u 地埋管容量按冬季热负荷设计，共设置垂直单U管223个，有效深度100m，孔径150mm，埋管间距4.5m*4.5m，回填材料采用专用的土、砂混合物。u 末端设备采取空调箱与风机盘管加新风系统夏季冬季BA监测系统及测点布置：监测参数为两台热泵机组的蒸发器和冷凝器进出口水温、地埋管回水温度、冷却塔回水温度、用户侧流量、地埋管侧流量、冷却塔侧流量、热泵机组小时电耗、循环水泵小时电耗、冷却塔小时电耗。时间：2013.11-2014-9p 数据监测情况p 监测数据的检验冬季：用户侧小时负荷=地埋管侧小时取热 量+机组小时电耗夏季：地埋管-
7、冷却塔侧小时散热量=用户 管侧小时负荷+机组小时电耗冬季夏季机组部分负荷率=建筑小时累计负荷/热泵机组小时名义制热量p 数据分析冬季机组运行负荷率冬季机组部分负荷率分布冬季机组部分负荷率分布小时运行能效比p 数据分析-冬季小时能效比冬季机组小时能效比特征冬季系统小时能效比特征冬季机组小时能效比分布冬季系统小时能效比分布日运行能效比p 数据分析-日运行能效比冬季工况日运行能效比季运行能效比整个冬季供暖工况下，机组季运行能效比约为4.7，系统季运行能效比约为3.4；整个夏季供冷工况下，机组季运行能效比约为6.1，系统季运行能效比约为3.8。p 数据分析-季节运行能效比可再生能源建筑应用工程评价标准
8、GB/T50801-2013中规定：地源热泵系统制热能 效比最低限值为 2.6，地源热泵系统制冷能效比最低限值为3.0，运行状况达标。 可再生能源建筑应用测试评价标准DG/TJ08-2162-2015中规定：地源热泵系统制 热能效比最低限值为 2.7，地源热泵系统制冷能效比最低限值为3.1，运行状况达标。4. 地源热泵系统优化控制策略 4.1 机组群控策略-台数控制 4.2 用户侧出水温度控制 4.3 冷却塔的控制策略 4.4 系统整体联动控制策略4.1 机组群控策略-存在问题一般两台机组同时开启，机组运行负荷率不高，运行能效比降低。如 果开启一台机组，部分负荷率为70%， 此时若开启两台机组
9、， 部分 负荷率降为 35%， 那么冬季工况下机组能效比将会降低约 15.8%， 夏季工况下机组能效比会降低约 7.7%。夏季部分负荷率逐时曲线冬季部分负荷率逐时曲线冬季工况夏季工况冬季工况下，当建筑部分负荷率低于45%，仅开启一台机组，当建筑部分负荷 率大于45%（即一台机组部分负荷率大于90%）时，需要开启两台机组。 夏季工况下，当建筑部分负荷率在40%以下时，仅开启一台机组，当建筑部分 负荷率大于40%（即一台机组部分负荷率大于80%）时，需要开启两台机组。4.1 机组群控策略-优化4.2用户侧出水温度控制-存在问题常用的用户侧水温设置策略有两种： 设定用户侧供水温度、回水温度限值，采取
10、有级调节。运行模式分为加载 模式与卸载模式两种。 设定用户侧供水温度，采取无极调节。运行模式分为加载模式和卸载模式 两种。冬季4.2用户侧出水温度控制-优化基于全年末端设备负荷率及用户侧出水温度对末端换热器换热量影响的研 究，可以计算出全年用户侧出水温度理论值（Theory Tg-user）冬季工况用户侧出水温度理论值夏季工况用户侧出水温度理论值4.2用户侧出水温度控制-优化由于上图是逐时的理论计算值， 为了保证系统能够完全满足建筑冷 热量需求，并能够方便控制，需要对理论值进行简化处理，优化结果 见下表：用户侧出水温度优化值4.3冷却塔控制策略-存在问题冷却塔控制策略主要有以下 3 种:设定阈
11、值控制、温差控制、设定开 启时间控制 该系统共配置三台相同型号的闭式冷却塔系统实际控制时，采取的是设定阈值控制，通过设定热泵机组冷凝器 进口温度阈值，来控制冷却塔的启停，即当冷凝器进口水温超过某一 设定值时，开启冷却塔进行辅助供冷（31、33 、35 ）；当 冷凝器进口水温回落到设定温度值时，关闭冷却塔。不同的冷却塔控制策略会导致夏季向土壤排热量的不同，影响土壤吸 放热的不平衡率。现有冷却塔运行控制策略，缺乏相应的模拟或计算 的理论依据，需进一步分析。4.3冷却塔控制策略-优化针对阈值控制法和温差控制法提出几种阶梯控制策略，阶梯阈值控制法，通过设定不同的冷凝器进口水温阈值参数及阶梯梯度，提出控
12、制策略：28、30 、32 ；34 、36 、38 ；31 、32 、33 ；31 、34 、37 。阶梯温差控制法，通过设定不同的冷凝器进口水温与外界空气湿球温度的差值及阶梯梯度，提出控制策：4 、6 、8 ；6 、8 、10 ；4 、5 、6 ；4 、7 、10 。4.4 整体联动控制策略综合考虑系统全年运行耗电量及土壤吸放热不平衡率，选择运行最优方案，即应用群控策略、用户侧出水温度控制策略及冷却塔控制策略：当冷凝器进口水温与外界空气湿球温度的差值为 4时，开启第一台冷却塔；当冷凝器进口水温与外界空气湿球温度的差值为 5时，开启第二台冷却塔；当冷凝器进口水温与外界空气湿球温度的差值为 6时
13、，开启第三台冷却塔。5. 地源热泵系统运行与管理建议u 优化系统运行的控制策略：根据机组部分负荷特征判断机组的开启（40%-45%），冬季机组性能将提高约18.8%，夏季约8.3%；冷却塔的群控应根据冷凝器进口水温与外界空气湿球温度的差值（ 4 、5 、6 ）u 综合机组群控策略、用户侧出水温度和冷却塔的联动优化控制，可以使年运行耗电量节省 7.53%（23256.1kWh）。u 加强对地源侧温度的监测工作，时时关注地源侧温度的变化，做出相应控制策略，以提高地源热泵机组实际运行效率。u 加强地源热泵系统实际运行管理，对系统进行定期维护。提高物业管理人员的专业素质，制定培训计划，进行有效管理，减少运行与设计之间的差异。谢谢！
