地下水源闭环热泵空调系统的能耗分析

地下水源闭环热泵空调系统的能耗分析
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
北京工业大学建工学院 陈 超 欧阳军 孙凤岭
北京富阳物业发展有限责任公司 李小宁 北京中铁有限公司 倪 真
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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。/ ?$ N. `* |4 G+ R/ J/ f
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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, `) ^) M' k% Z

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。& I, g. n+ T& [

1.工程概况5 Z2 b( g! x( Z. l
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51.8 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]：7 I W4 G+ }5 p9 y) Y& ^
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 0 P# D$ i* R6 c' V3 Q8 O; ^
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。
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8 n$ I) g# w- m
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。 ~" {$ E8 t2 `7 `
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+ x+ I" b, S& `4 U( P! V3 O
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。8 l- v+ z: @/ b( s; m2 A
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。# m; f$ Z/ ?0 E& i4 b: 7 I
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。, G0 k1 _2 ^) H& S# K
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。
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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21~22℃间波动（深井泵抽取时的井水温度大约为17~18℃）；而经过板式热交换器后的井水回灌温度基本稳定在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10~15天回扬1次，一次15分钟左右。4 Z c* f" V- h3 U
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 大部分时段在9~10℃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。
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+ m# @4 M3 g7 m" L# T# [
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4．空调系统消费电量计算方法及其能耗分析% y; F* I2 @$ V- ( a- }. n7 F8 u
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：一部分是共用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，其中共用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 共用空调动力设备的能耗分析$ |' e9 D. X1 [7 u$ p
1）共用空调动力设备的消费电量推算方法 共用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；水泵的工作电压U按380伏计入；水泵工作电流I可随时检测到，基本稳定。有了这些参数，就可根据式（1）推算出每台水泵的小时消费电量、日消费电量、月消费电量、年消费电量。1 ]$ X% a0 b+ o6 b2 T
　　　 Q共电i,j =　I i x U i x 1.732 x cosθ／1000 xτj （1）
其中， Q共电i ,j ——　某共用空调动力设备某天的计算用电量　（kWh/day）
　　　 I i ——　某共用空调动力设备的工作电流 （Ａ）) ^2 _; j s: q1 g& Q0 z6 w, M
　　　 U　 ——　工作电压 （Ｖ）* g) C; [3 R W, f$ v$ p6 i: v
　 cosθ ——　功率因子
τi ,j —— 某共用空调动力设备某天的运行时间 （h/day）9 E5 P6 V$ 1 s, l, ^/ H
图4 各类空调用水泵供暖、冷期的月消费电量推算值% a. ]0 j8 Q4 r% ?+ J0 i
2）共用空调动力设备的能耗分析 整理2002年11月~2004年1月的调查数据，并根据式（1）可推算出各类空调用水泵的消费电量（见图4）。根据计算结果，无论是冬季供暖期还是夏季供冷期，空调用水泵消费电量中近80%的部分是被二次循环泵消费的，即使是最冷的12月和1月份，二次循环泵的消费电量都达到了其它两类泵的2倍；夏季也有同样的趋势。另外，冬季一次泵与深井泵的能耗非常接近，但夏季一次泵的能耗则要多于深井泵，其原因同前述。由于二次循环水泵是24小时不间断的、定流量连续运行，无论环路中有多少台热泵机组在运行，二次循环泵总在满负荷的运行，这就直接影响了整个空调系统的节能。 R7 K0 N) R2 M3 [
4.2 末端空调水源热泵机组的消费电量推算方法 6 N( ` E* g+ Q2 e+ {; C
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基本上是有规律的，也是比较稳定的；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较大，但其消费电量也是比较稳定的。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，而且用电量也相对比较稳定，随时间变动的影响因素较小，我们可把这部分消费电量视为不变动部分的消费电量。所谓不变动部分的消费电量是指消费电量中，基本不受室外气象等条件影响、每天的消费电量基本上稳定不变的部分。与之相反，每户空调热泵机组的消费电量则应视为变动的、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，室内人员、灯光照明等负荷条件的影响也是导致空调运行时间不确定原因之一；加之，每个人对舒适性空调温度的感受不同，设定的室内空调温度差别甚大，而且空调机组开启的时间也不一样，致使空调热泵机组消费电量随时间的变化很大，因此我们把这部分消费电量称为变动部分的消费电量。2 J" L' v+ x }: j/ o
图5 某住户日消费总电量的月变动实测值: z' ^3 Q# }; }9 c
图5 为某住户2002年9月~2004年1月日消费总电量的月变动实测值。由图可见，一年中，非空调期间的消费电量几乎都比较稳定（黑线以下的部分），不随时间的变化，即为上述的不变动部分的消费电量，而空调期间的消费电量却变化很大，日消费电量的峰值几乎都出现在冬季的最冷月份或是夏季的最热月份（红线与黑线之间的部分），即为上述的变动部分的消费电量。据此，我们可以按下法来推算末端空调水源热泵机组的消费电量。
1） 变动部分日消费电量的推算 如果把每户照明、电冰箱、电视机、个人电脑、洗衣机等一般家用电器设备的消费电量视为不变动部分的消费电量；每户空调热泵机组的消费电量视为变动的、不稳定的消费电量；那么，我们可以构成下式：# `8 q4 {" Q7 o
每户每天的日消费总电量 = 不变动部分的日消费电量 + 变动部分的日消费电量
= 一般家用电器设备（包括照明）部分的日消费电量
+ 空调热泵机组部分的日消费电量 （2）% F% d8 v# d$ p# K# u
据上式，对于空调热泵机组这部分变动的消费电量，本文考虑采用减去法推算。即，从每
户每天的总用电量中，减去包含照明部分在内的一般家用电器等的不变动部分的消费电量。# Z, P! @ [9 ]0 K
2）不变动部分日消费电量的推算 嘉和丽园公寓楼空调系统每年的过渡季节停止运行，该期间一般为：春夏过渡季 4月16日~5月29日，秋冬过渡季 9月25日~10月17日。在空调系统停运期间，所有的空调水泵和每户的空调热泵机组均停止运行，每户的日消费总电量记录中只剩下一般家用电器设备部分（包括照明）的日消费电量。通过对所有住户在这段非空调运行期间消费电量数据的分析，这部分的消费电量波动较小，基本稳定，我们可以把这段时间的日消费量视为不变动部分日消费电量，并将相关的影响因素考虑后取其平均值作为一般家用电器设备（包括照明）部分的日消费电量带入式（2）。
这样，每户每天的空调热泵机组消费电量就可根据式（3）计算。0 _, m6 s* I. D M. H+ o! ]
q空调 j =　Q j -Σ(N i xτi ) （3）
其中， q空调j —— 某户空调热泵机组某天的计算空调用电量 （kWh/day）
Q j —— 某户某天的总用电量 （kWh/day）$ ^( P8 G/ `' [0 c0 V: }
q电 i ——　某家电设备平均每天的计算电量　（kWh/day） m6 h) A- C6 K4 ?7 y
　　　 N i ——　某家电设备的输入功率 （kW）. X5 ^9 H9 o5 + b2 r
　　　 τi —— 某家电设备平均每天的用电时间 （h/day）
图6 空调共用部分和末端部分供暖、冷期的月消费电量推算值
4.3 空调系统消费电量分析
图6为根据第4.1节、4.2节介绍的推算方法和2002年10月~2004年1月各住户的日消费总电量记录以及空调用水泵运行工况的实时记录数据，推算的空调共用部分和末端部分的月消费电量。由图可见，空调共用部分的月消费电量，冬夏差别不大。这是因为占有很大一部分能耗比例的空调用二次循环泵24小时连续运行，它的运行方式不受室外气象条件变化的影响；而空调末端部分的月消费电量则随季节的不同，差异很大。另外，2003年和2004年的冬季都有同样的趋势，冬季空调末端部分的消费电量远高于同月份空调共用部分的消费电量；而2003年夏季（冷夏），空调末端部分的消费电量则与同月份空调共用部分的消费电量很接近。这个结果从另一方面也反映了空调系统能效比的高低。再就是，空调系统能耗的高峰期都是发生在冬季的1、2月份或夏季的7、8月份。
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5．结语
本文通过对住宅公寓楼利用地下水源闭环热泵空调系统的典型实例工程进行的1年多追踪调查，获取了大量的实测数据；提出了将空调系统中的动力设备划分为共用空调动力设备和末端空调动力设备两大类，分别计算各相应部分空调动力设备消费电量的推算方法；据此推算方法并结合实测数据，对共用空调动力设备和末端空调热泵机组的消费电量进行了定量的计算和分析。# n- Q1 S3 P. n1 `( r
本文所提出的空调设备用消费电量的推算方法，对定量把握正在运行空调系统的能耗情况，进而对空调系统设计及其运行管理方式的合理性、节能性的定量评判提供了可能，同时为空调系统的节能改造提供了参考依据。& F1 H& h8 h. r; L9 g `

参考文献) E! f/ j& ?4 s& c4 A
1陈矣人、周春风、叶瑞芳.建筑热能通风空调，2002,21（3）:64~65
2陈超、倪真、李小宁等. 暖通空调，2004（已录用）
3陳超、渡邊俊行、龍有二、等.日本建築学会計画系論文集，1997，50(11):61~68