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1、工业设计论文-地下水源闭环热泵空调系统的能耗分析北京嘉和丽园公寓楼空调系统实测调查摘要： 北京嘉和丽园住宅公寓楼的利用地下水源闭环热泵空调系统是一个向系统引入外部低温热源的典型实例工程。为了对该空调系统的实际运行情况以及空调耗能情况进行定量的、综合评价分析，1）笔者对该系统运行情况进行了实测调查，调查时间为 2002 年 9 月-2004 年 1 月；2）根据实测调查数据的分析，对现有系统的运行、管理情况进行了分析和综合评述；3）提出了一套关于共享空调动力设备和末端空调水源热泵机组消费电量的推算方法；4）根据所提出的推算方法，并结合实测调查数据对该公寓楼空调系统的能耗情况进行了定量的分析和评估
2、。 关键词： 实测调查 地下水源热泵空调 推算方法 空调消费电量以井水为低值热源的水水热泵空调供暖（冷）系统，自 20 世纪 90 年代中期以后在我国发展十分迅速，北京地区也有了一些工程应用实例。笔者对北京嘉和丽园住宅公寓楼的利用地下水源闭环热泵空调系统的运行情况进行了跟踪实测调查，现将调查情况分述如下。 1 工程概况 北京嘉和丽园住宅公寓楼的利用地下水源闭环热泵空调系统为中美节约能源和保护环境合作示范项目，于 2000 年 12 月投入试运行，2001 年 7 月正式运行。该住宅公寓楼由三座（A 座、B 座、C 座）塔式建筑构成，地上最高 32 层，地下 3 层，占地 14175 ，总建筑面
3、积 87948.7；公寓楼地面层以上为利用地下水源闭环热泵空调系统、地下室为热风采暖系统；设计空调冷/热负荷分别为 64W/和 51.8 W/，空调面积约为 70000 。 1.1 深井 空调系统利用的地下水源取自建在建筑物周围、深度约为 170m 的 4 眼井，井管径为 500mm，井与井之间的距离约为 120m；4 眼井可开采水层累计深度约为 50160m，地下水位埋深约为 1820m，每眼井的设计出水流量约为200m3/h，每眼井分别配置了 1 台额定电功率为 45kW 的深井水泵，作抽水泵用；井水设计出水温度为 1214。本次调查深井水的含砂量为 1/10000，深井水源系统的运行模式
4、为1： 深井抽水分水缸调节水池一次泵板式热交换器再利用蓄水池集水缸深井回灌 1.2 地下水抽回灌温度控制 4 眼井中 2 抽 2 回灌，以保证地下水系统的均衡，抽、回灌水井不定期的交替使用；回灌方式为自然回灌。井水通过板式热交换器与水源热泵环路进行热交换，提供冷源或热源。板式热交换器的井水侧（简称一次侧）设置了 3 台电功率为 45kW 的定流量泵（其中 1 台为备用），水泵最大水流量为 200m3/h，该泵同时负担井水的回灌。夏季经一次泵送入板式热交换器的井水设计温度为14，板式热交换器井水侧的设计温升为 10,当蓄水池温度大于 28时回灌；冬季经变频泵送入板式热交换器的井水设计温度为 14
5、，板式热交换器井水侧的设计温降为 6，换热后井水温降至 8再进行回灌；若井水温度低于设计温度，则投入备用锅炉对井水进行辅助加热，图 1 为利用地下水源闭环热泵空调系统原理图。 图 1 利用地下水源闭环热泵空调系统原理图图 2 二次侧空调水系统原理图1.3 空调水系统 图 2 为板式热交换器的循环水侧（简称二次侧）空调水系统原理图。水系统采用双管异程系统，并以第 16 层为界竖向分为高、低区；高、低区设计水流量均为 360m3/h（后实际运行改为 400m3/h）。各个水源热泵机组相互并联，组成封闭的双管回路系统，通过板式热交换器与地下水进行热交换。在二次侧的高、低区分别设置了 3 台定流量循环
6、泵（其中 1 台为备用），其额定电功率为30kW/台，循环泵 24 小时连续运行。系统定压方式均采用变频泵补水定压。 1.4 末端装置 公寓住宅均采用 TRANE 公司生产的户式水源热泵机组，每户视空调面积的大小分设 12 台热泵机组，独立控制。水环路将小型的水空气热泵机组并联在一起，环路水温度为：夏季 18-32，冬季 12-6；全空气系统，无组织进新风；为保证居住房间噪音的要求，风管内风速保持在 4m/s 以下，风口出风速在 2.5m/s 以下；在水源热泵机组的回水管上分别设置了手动平衡阀和电磁阀，电磁阀与热泵机组联锁，每台热泵机组均自带温控器，当进回水温差小于设定值时，电磁阀自动断开。
7、2 调查内容及数据的采集 本次调查时间为 2002 年 9 月2004 年 1 月，调查内容包括板式热交换器一次侧（井水侧）进/出水温度 t1 进/ t1 出；板式热交换器二次侧（空调水系统侧）进/出水温度 t2 进/ t2 出；深井水泵、板式热交换器一次侧水泵、板式热交换器二次侧循环水泵等水泵的运行状况记录及其水流量、每套公寓每天的消费电量。另外，为了解住宅建筑室内热湿环境状况，重点对 C 座某复式结构房间的 2 台热泵机组水侧的进/出水温度、水流量、空气侧的送/回风温度、送风量以及室内各房间的送/回风温度等进行了调查。 1）用电量记录。物业管理部门有每天的人工抄电表记录，涉及到空调部分的用
8、电量记录有二部分：一部分是动力用电记录，它包括电梯、非空调用水泵及其它动力用电设备、地下水源用深井水泵、一次侧水泵和二次侧空调用循环水泵等设备的消费电量记录；另一部分是每个住户每天的总用电量记录（由每户的电表直接读取），它包括每个住户照明、各种家电设备、个人电脑、通风换气设备、水源热泵机组等在内的消费总电量记录，物业管理部门根据这一记录收取住户的电费。 2）系统运行数据记录。系统中各测点的运行数据的实时记录，采用了TRANE 公司开发的智能建筑自控软件 TRACER SUMMIT 5.01 对系统的运行情况进行即时记录。该软件可以根据物业管理部门设定的时间间隔，定时收集各检测点的数据资料，并能
9、显示、记录及管理，这些检测的数据包括板式热交换器一次侧进 / 出水温度、二次侧进 / 出水温度、室外气温、深井泵、一次泵、二次循环泵的开停情况、故障报警等；并以彩色图象配合检测点的即时数据显示，控制打印机打出定时报告及故障报告；同时还可对系统进行自动控制，将系统或和单机设备的运行模式编成时间自控，本次调查数据的采样记录是按每 15 分钟更新一次数据设置的。 在数据处理过程中，对一些记录明显有误的数据进行了剔除。 3 系统运行基本情况 3.1 深井水泵 深井水泵的开停运行是根据调节池的水位来进行控制的。根据设计，对调节水池设置了 5 个液位控制点，分别控制深井泵的开停顺序和运行方式以及声光报警液
10、位2。该系统自 2000 年 12 月试运行以来，深井水系统的运行基本正常，深井泵报警系统几乎没有过运行报警记录。 3.2 井水温度及一次侧水温差 根据 2003 年 2 月 25 日4 月 15 日井水温度的记录，尽管室外日平均气温的波动较大（tw= -6 19），但井水温度 t1 进基本稳定在 16左右，波动很小；而经过板式热交换器后的井水回灌温度则在 12 16之间波动，井水的最大温降t1=4左右。另外，根据 2003 年 6 月 1 日8 月 31 日调节水池中井水温度的记录，井水温度 t1 进在 2122间波动（深井泵抽取时的井水温度大约为 1718）；而经过板式热交换器后的井水回灌
11、温度基本稳定在 27.5左右，井水的温降大致为t1=5左右。系统自运行以来，尽管入住率已达到90%以上，但深井水泵的运行时间都不是很频繁，2003 年夏季深井水泵的运行时间频率比冬季还要低，深井水系统提供的热负荷一直都能满足大楼空调负荷的要求；而且迄今为止，为防止由于室外温度过低而导致二次水温过低，在一次水侧设置的辅助热源一次也没使用过。抽水井和回灌井在季节转换时切换 1次，即冬季供暖期作为抽水井使用的井，夏季供冷期切换为回灌井；回灌井一般 1015 天回扬 1 次，一次 15 分钟左右。 3.3 二次侧水温差 根据 2003 年 2 月 25 日4 月 15 日调查数据的记录，进入板式热交换
12、器前的水温 t2 进大部分时段在 910间波动，经板式热交换器后的水温 t2 出大部分时段在 11左右波动，二次侧环路水温度的实际运行参数（11-9）比设计参数（12-6）要小。另外，根据 2003 年 6 月 1 日8 月 31 日的调查数据记录，进入板式热交换器前的水温 t2 进大部分时段在 2728间波动，经板式热交换器后的水温 t2 出大部分时段在 25左右波动，二次侧环路水温度的实际运行参数（28-25）比设计参数（32-18）要小。 根据原有设计，二次侧的 4 台循环水泵为定流量泵，且 24 小时连续运行，每台水泵额定功率为 30kW，各用户末端的水源热泵机组的水侧管路上设有电磁阀
13、、平衡阀。但由于水源热泵机组有最小结冰流量要求，另外在管路上也没有设置与热泵机组连锁的流量开关，故在实际施工安装中将电磁阀取消了。因此，无论末端水源热泵机组开启台数的多少，二次侧循环水系统的 4 台循环泵总是在全天候的满负荷运行。可以认为这是导致二次侧水温差t2 过低的重要原因之一。 另外，根据冬季运行纪录，二次侧进出水温度有偏离控制温度范围的情况，这可能与一次泵加减载设定条件不合理有关。 3.4 水泵开启频率 图 3 表示 2002 年 11 月2004 年 1 月各类水泵的月开启频率变动,空调系统在 2003 年春夏过渡季节 4 月 16 日5 月 29 日及夏秋过渡季节 9 月 10 日
14、10 月28 日停止运行。由图可见，除了二次循环泵在整个空调运行期不间断的连续运行外，1#深井泵和 1#一次泵（一次泵运行方式的设置见文献2）的月运行次数最高不过 2000 次左右；而它们的 2#泵的月运行次数则更少，2#一次泵冬季供暖峰值期 1 月份的运行次数只有 500 次左右，2#一次泵在夏季供冷期运行次数还要少；2#深井泵只在 12 月份和 1 月份有过 250 次左右运行记录；再就是，尽管公寓楼的入住率已很高，但 2 台深井水泵同时运行的频率仍很低，一次泵也同样。另外，冬季深井泵和一次泵的运行次数基本一致，而夏季深井泵的运行频率明显低于一次泵。冬夏运行的差异，笔者以为主要是因为 20
15、03 年的夏季是冷夏所致，而且这种运行差异也直接反映在了水泵的能耗上（图 4）。 图 3 各类空调系统用水泵供暖、冷期的月开启次数变动4 空调系统消费电量计算方法及其能耗分析 空调系统能耗分析的最大难点是，目前正在运行的空调系统很少有专门针对空调设备运行耗电量数据的记录，即使有也是与其它的非空调设备的耗电量混杂在一起记录，像北京嘉和丽园住宅公寓楼的用电量情况记录就属于这种情况。 为此，笔者提出了一种用于计算空调动力设备消费电量的推算方法，推算方法中所需的基本数据取自第 2 节中所述的人工抄电量记录数据和 TRACER SUMMIT 5.01 记录的空调系统实时运行记录数据。这种推算方法的基本思
16、路是将整个空调系统的动力设备消费电量分成两大部分：一部分是共享空调动力设备的消费电量，即深井水抽/回水泵、一次泵、二次循环泵等；另一部分是空调系统末端设备的消费电量，即各户的水源热泵机组的消费电量。对这两部分消费电量分别采用不同的方法进行计算，其中共享空调动力设备的消费电量推算方法将在 4.1 节中讨论；末端空调水源热泵机组消费电量推算方法将在 4.2 节中讨论3。 4.1 共享空调动力设备的能耗分析 1）共享空调动力设备的消费电量推算方法 共享空调动力设备在本研究中主要是指深井水抽/回水泵、一次泵、二次循环泵，这些水泵均为定流量泵。对于定流量泵，当其工作电压比较稳定、工作电流波动比较小时，只要知道了水泵的运行时间，根据式（1）可推算出这些设备的消费电量。即，根据 TRACER SUMMIT 5.01 的空调系统实时运行记录数据，可以获得每台水泵的实际运行时间；水泵的
