闭环热泵能耗分析——嘉和丽园实测调查

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51.8W/㎡，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Φ500mm，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50~160m，地下水位埋深约为18~20m，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12～14℃。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→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℃，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。

    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27~28℃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、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。

    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1～2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。

    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TRACERSUMMIT5.01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。