地下水源闭环热泵空调系统的能耗分析——..

1、地下水源闭环热泵空调系统的能耗分析摘要：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提出了一套关于共用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。关键词：实测调查地下水源热泵空调推算方法空调

2、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开展十分迅速，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工程，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川，总建筑面积87948.7 川；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

3、为 热风采暖系统；设计空调冷/热负荷分别为64W/川和51.8W/川，空调面积约为70000讥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1214C。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为 1： 深井抽水t分水缸t调节水池t一次泵t板式热交换器再利用 蓄水池T集水缸T深

4、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14C，板式热交换器井水侧的设计温升为10C，当蓄水池温度大于28C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14C，板式热交换器井水侧的设计温降 为6C,换热后井水温降至8C再进行回灌；假设

5、井水温度低于设计温度， 那么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 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 :3 系统运行根本情况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位 2。该系统自 2000 年 12 月试运行以来，深 井水系统的运行根本正常， 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

6、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=-619C),但井水温度t1进根本稳定在16C左 右，波动很小；而经过板式热交换器后的井水回灌温度那么在 1216C之 间波动，井水的最大温降/ t1=4 C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2122C间 波动(深井泵抽取时的井水温度大约为1718C);而经过板式热交换器后的井水回灌温度根本稳定在 27.5 C左右，井水的温降大致为/ t仁5 C 左右。系统自运行以来，尽管入住率已到达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

7、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，进入板式热交换器 前的水温t2进大局部时段在910C间波动，经板式热交换器后的水温 t2出大局部时段在11C左右波动，二次侧环路水温度的实际运行参数119C比设计参

8、数12-6C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 进大局部 时段在2728C间波动，经板式热交换器后的水温 t2出大局部时段在 25 C左右波动，二次侧环路水温度的实际运行参数28-25 C比设计 参数32-18C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、 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

9、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

10、最高不过 2000 次左右；而它们的 2# 泵的月运行次数那么更少， 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根本一致，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 2003 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 地

11、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 :4.2 末端空调水源热泵机组的消费电量推算方法 在实测数据记录中，有每个住户每天消费电量的记录数据，但这些电 量都是每户的总用电量，也即包括照明、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每户每天日常用电量的总和。 对于不同的家庭，家用电器设备的构成是有所不同的；同时由于生活 习惯的不同，电器设备使用时的间、消费的电量也是有所不同的。一 般家庭常用的用电器具或设备大致有照明、电视机、个人电脑、洗衣机、电冰箱、厨房通风排气扇、 卫生间通风换气扇、 空调热泵机组等。 根据这些器具和家用电器设备的使用特点和使

12、用规律，像冰箱是常开 的， 24 小时连续运行；照明、电视机、厨房通风换气扇等设备每天的 使用时间都根本上是有规律的， 也是比拟稳定的； 个人电脑、 洗衣机、 卫生间通风换气扇的使用时间虽然随机性比拟大，但其消费电量也是 比拟稳定的。这类用电设备，由于使用期间用电负荷稳定，用电时间 也有规律可循，而且用电量也相比照拟稳定，随时间变动的影响因素 较小，我们可把这局部消费电量视为不变动局部的消费电量。所谓不 变动局部的消费电量是指消费电量中， 根本不受室外气象等条件影响、 每天的消费电量根本上稳定不变的局部。与之相反，每户空调热泵机 组的消费电量那么应视为变动的、不稳定的消费电量。这是因为空调热 泵机组在运行期间，受室外气象条件变化的影响非常大；另外，室内