地下水源熱泵系統運行能效指標確定方法研究

　　摘要：基于陜西地區地下水源熱泵系統的基礎性調研數據，考慮了地下水源熱泵系統的地域性以及多樣性等特點，提出了地下水源熱泵系統運行能效指標的確定方法。在對系統合理分級的基礎上，利用TRNSYS17建立地下水源熱泵系統模型，探索性確定了陜南以及關中地區不同級別的地下水源熱泵系統運行能效的約束性指標和引領性指標，為陜西地區地下水源熱泵系統節能運行實施細則的制定提供參考和依據。

　　關鍵詞：地下水源熱泵能效約束值能效引領值

　　地下水源熱泵作為節能高效、環境友好型的供熱、供冷技術，近年來在我國得到了廣泛應用。截至2014年，我國水、地源熱泵系統的應用面積累積已達到3.6億m2[1]。然而，大量實際項目測試數據表明，地下水源熱泵系統實際運行的能效水平并不高[2­3]。由于地下水源熱泵系統實際運行能效與水文地質條件，氣候特征以及系統配置，運行策略等因素密切相關，呈現出強烈的地域性和多樣性，因此有必要對地區性的熱泵系統運行能效進行研究。目前我國雖然已制定了可再生能源系統運行的相關規范，但是對地方性指標實施細則的可操作性較差。為此，本文對地下水源熱泵系統運行能效指標確定方法進行了研究，探索性確定了陜西地區其指標的約束值與引領值。

　　1基本思路及方法

　　1.1基于實地調研數據確定計算條件

　　地下水源熱泵系統運行能效指標的確定主要取決于兩個方面：一是客觀條件，反映當地的自然因素，包括氣候特征和水文地質條件等。二是主觀條件，反映系統的先進水平，包括系統配置以及運行策略等。地下水源熱泵系統運行能效指標的確定應是主觀與客觀相協調的結果。對該地區的地下水源熱泵系統進行實地調研，統計各系統的水文地質條件，氣候特征，系統配置，運行策略以及供暖末端方式等關鍵信息，為系統的合理分級提供參考依據以及系統模擬提供計算條件。

　　1.2地下水源熱泵系統合理分級

　　熱泵機組能效是系統能效的主要影響因素，因此對系統分級的前提是對熱泵機組的能效進行等級劃分。采用最新標準《水(地)源熱泵機組能效限定值及能效等級》[4]作為熱泵機組能效等級的劃分依據，采用全年綜合性能系數ACOP作為計算熱泵機組性能等級的指標，計算方法如下：統計熱泵機組樣本中額定工況的制熱性能系數COPref和制冷能效比EERref，根據式(1)，計算全年綜合性能系數ACOP，判斷熱泵機組的能效等級。ACOP=aEERref+bCOPref(1)式中：a，b為典型城市的辦公建筑制冷、制熱時間分別占辦公建筑總的空調時間的比例，a=0.56，b=0.44。供暖末端方式選擇地板輻射供暖，結合熱泵機組能效的不同等級，以及水泵是否應用變頻技術進行組合，將熱泵系統劃分為3級。

　　1.3兼顧地下水源熱泵系統的地域性特點袁不同地區

　　設置不同的指標地下水源熱泵系統受水文地質條件以及氣候特征等客觀條件的影響，呈現出強烈的地域性。由于陜西地區自然地理條件特殊，造成水文地質特征差異較大，而水文地質特征是影響地下水源熱泵系統能效的主要因素。據調研資料顯示，關中地區地下水溫度一般為15益，井深150m，單井涌水量80m3/h。陜南地區平均地下水溫度一般為18益，井深120m，單井涌水量120m3/h[5]。

　　可見陜南地區的水文地質條件較關中地區要好，而陜北地區屬于貧水區，不適宜應用地下水源熱泵系統。同時，根據我國的氣候分區，秦嶺以北的陜北、關中地區大部分屬于寒冷地區，冬季較長且寒冷干燥，供暖季節較長。秦嶺以南的陜南地區屬于夏熱冬冷地區，冬季陰冷，供暖季節較短。因此陜西地區地下水源熱泵系統運行能效指標的確定應兼顧不同水文地質特征以及氣候區，根據其實際運行條件，對不同的地區提出不同的指標要求。

　　1.4能效指標確定思路

　　基于該地區實際調研數據，利用TRNSYS17建立地下水源熱泵系統的仿真模型。以實際調研數據為計算條件，在系統合理分級的基礎上，分別模擬傳統運行策略以及優化運行策略下系統的能效，將傳統運行策略的模擬值作為約束性指標，優化運行策略的模擬值作為引領性指標。

　　2模型建立

　　2.1建筑概況

　　以陜西省西安市典型住宅建筑為模擬對象，層高都是3m，總建筑面積約2.576萬m2。該建筑采用地下水源熱泵系統集中供暖，系統末端采用地板輻射供暖。室外氣象參數采用典型氣象年數據，室內設計溫度為18益，模擬供暖熱負荷為1030kW。模擬過程忽略人員，燈光以及其他設備對負荷的影響。

　　2.2系統設計參數

　　整個熱泵系統冷熱源采用3臺水源熱泵機組，負荷側、水源側均為一次泵系統，運行臺數與機組臺數一致。潛水泵為一抽三灌，間歇運行。系統的設計參數為：冬季額定工況下，機組水源側進/出口水溫為15/10益，流量為120m3/h。負荷側供/回口水溫為45/40益，流量為180m3/h。

　　2.3熱泵機組選型

　　根據建筑物的供暖設計熱負荷分別選取能效等級為1級、2級的熱泵機組。

　　2.4水泵選型

　　根據設計參數對負荷側、水源側水泵進行選型。如上所述，負荷側設計總流量為180m3/h，每臺水泵設計流量為60m3/h，揚程26m。水源側設計總流量為120m3/h，每臺水泵設計流量為40m3/h，揚程45m。潛水泵為一抽三灌，間歇運行，每臺水泵流量為120m3h，揚程120m。

　　3結果分析

　　傳統運行策略根據管理人員運行經驗，不同時間對應的熱泵機組與水泵開啟臺數。優化運行策略則根據E.Granryd的方法[6]，得到不同的日室外最低溫度所對應的最佳熱泵機組，水泵的運行臺數以及負荷側，水源側的最佳運行流量。在滿足熱負荷需求的前提下，在傳統運行策略以及優化運行策略下分別對不同級別的熱泵系統進行模擬。將傳統運行策略下的能效作為約束性指標，優化運行策略時的能效作為引領性指標。系統評價指標采用單位建筑供暖面積能耗以及系統性能系數COPsys綜合指標評價系統能效。采用水源側耗電輸熱比EHR­h(S)[7]、熱泵機組季節性能系數SCOP[8]、負荷側耗電輸熱比EHR­h(L)，分別評價水源側輸配系統，熱泵機組以及負荷側輸配系統的能效。

　　4結論

　　本文將實地調研數據與模擬仿真相結合，提出了地下水源熱泵系統運行能效指標的確定方法�；�于實際調的研數據建立了地下水源熱泵系統的仿真模擬，統計了不同地區的水文地質條件，氣候特征，系統配置以及運行策略等信息，為地下水源熱泵系統的合理分級提供了依據以及模擬計算分析提供了可靠的計算基礎。1)根據本文所提出的地下水源熱泵運行能效指標的確定方法，分別給出了關中地區以及陜南地區地下水源熱泵系統運行能效的約束性指標以及引領值指標，為陜西地區地下水源熱泵系統節能運行實施細則的制定提供參考和依據。由于水文地質條件的優勢以及氣候特征，對陜南地區的地下水源熱泵系統的運行能效提出了更高的要求。

　　2)對于關中地區以及陜南地區的地下水源熱泵系統提出不同能效要求是合理的，在水文地質條件優越以及供暖系統運行時間較長的地區，應更注重地下水源熱泵系統的節能，投資節能效能更優。

　　參考文獻

　　[1]許偉,劉志堅.中國地源熱泵技術發展與展望[J].建筑科學,2013,29(10):26­33

　　[2]王占偉,王智偉,閆增峰.某地下水源熱泵系統制熱工況測試分析與運行優化[J].西安建筑科技大學學報(自然科學版),2017,49(1):125­130.

　　[3]LeiF,HuP.Energyandexergyanalysisofagroundwaterheatpumpsystem[J].FluidMachinery,2012,24(2):169­175.

　　[4]GB/T19409­2013水(地)源熱泵機組能效限定值及能效等級[S].北京:中國建筑工業出版社,2014.

　　地下水源論文投稿刊物：《地下水》雜志面向的是從事水資源管理、地下水開發利用專業的廣管理干部、技術人員、勘察設計人員、技術工人及大專院校師生�？�登的主要內容：水資源管理，地下水資源評價理論與方法，地下水動態觀測及預報，地下水資源開發與保護;機井濾水結構設計，鉆井技術工藝，鉆井提水機具革新設計與試驗，舊井修復;井灌豎排工程規劃設計，科學用水與井管理，井灌經濟效益分析;行業動態與專業信息;專業科普及專題講座等。

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