地下水源热泵系统运行能效指标确定方法研究

　　摘要：基于陕西地区地下水源热泵系统的基础性调研数据，考虑了地下水源热泵系统的地域性以及多样性等特点，提出了地下水源热泵系统运行能效指标的确定方法。在对系统合理分级的基础上，利用TRNSYS17建立地下水源热泵系统模型，探索性确定了陕南以及关中地区不同级别的地下水源热泵系统运行能效的约束性指标和引领性指标，为陕西地区地下水源热泵系统节能运行实施细则的制定提供参考和依据。

　　关键词：地下水源热泵能效约束值能效引领值

　　地下水源热泵作为节能高效、环境友好型的供热、供冷技术，近年来在我国得到了广泛应用。截至2014年，我国水、地源热泵系统的应用面积累积已达到3.6亿m2[1]。然而，大量实际项目测试数据表明，地下水源热泵系统实际运行的能效水平并不高[2­3]。由于地下水源热泵系统实际运行能效与水文地质条件，气候特征以及系统配置，运行策略等因素密切相关，呈现出强烈的地域性和多样性，因此有必要对地区性的热泵系统运行能效进行研究。目前我国虽然已制定了可再生能源系统运行的相关规范，但是对地方性指标实施细则的可操作性较差。为此，本文对地下水源热泵系统运行能效指标确定方法进行了研究，探索性确定了陕西地区其指标的约束值与引领值。

　　1基本思路及方法

　　1.1基于实地调研数据确定计算条件

　　地下水源热泵系统运行能效指标的确定主要取决于两个方面：一是客观条件，反映当地的自然因素，包括气候特征和水文地质条件等。二是主观条件，反映系统的先进水平，包括系统配置以及运行策略等。地下水源热泵系统运行能效指标的确定应是主观与客观相协调的结果。对该地区的地下水源热泵系统进行实地调研，统计各系统的水文地质条件，气候特征，系统配置，运行策略以及供暖末端方式等关键信息，为系统的合理分级提供参考依据以及系统模拟提供计算条件。

　　1.2地下水源热泵系统合理分级

　　热泵机组能效是系统能效的主要影响因素，因此对系统分级的前提是对热泵机组的能效进行等级划分。采用最新标准《水(地)源热泵机组能效限定值及能效等级》[4]作为热泵机组能效等级的划分依据，采用全年综合性能系数ACOP作为计算热泵机组性能等级的指标，计算方法如下：统计热泵机组样本中额定工况的制热性能系数COPref和制冷能效比EERref，根据式(1)，计算全年综合性能系数ACOP，判断热泵机组的能效等级。ACOP=aEERref+bCOPref(1)式中：a，b为典型城市的办公建筑制冷、制热时间分别占办公建筑总的空调时间的比例，a=0.56，b=0.44。供暖末端方式选择地板辐射供暖，结合热泵机组能效的不同等级，以及水泵是否应用变频技术进行组合，将热泵系统划分为3级。

　　1.3兼顾地下水源热泵系统的地域性特点袁不同地区

　　设置不同的指标地下水源热泵系统受水文地质条件以及气候特征等客观条件的影响，呈现出强烈的地域性。由于陕西地区自然地理条件特殊，造成水文地质特征差异较大，而水文地质特征是影响地下水源热泵系统能效的主要因素。据调研资料显示，关中地区地下水温度一般为15益，井深150m，单井涌水量80m3/h。陕南地区平均地下水温度一般为18益，井深120m，单井涌水量120m3/h[5]。

　　可见陕南地区的水文地质条件较关中地区要好，而陕北地区属于贫水区，不适宜应用地下水源热泵系统。同时，根据我国的气候分区，秦岭以北的陕北、关中地区大部分属于寒冷地区，冬季较长且寒冷干燥，供暖季节较长。秦岭以南的陕南地区属于夏热冬冷地区，冬季阴冷，供暖季节较短。因此陕西地区地下水源热泵系统运行能效指标的确定应兼顾不同水文地质特征以及气候区，根据其实际运行条件，对不同的地区提出不同的指标要求。

　　1.4能效指标确定思路

　　基于该地区实际调研数据，利用TRNSYS17建立地下水源热泵系统的仿真模型。以实际调研数据为计算条件，在系统合理分级的基础上，分别模拟传统运行策略以及优化运行策略下系统的能效，将传统运行策略的模拟值作为约束性指标，优化运行策略的模拟值作为引领性指标。

　　2模型建立

　　2.1建筑概况

　　以陕西省西安市典型住宅建筑为模拟对象，层高都是3m，总建筑面积约2.576万m2。该建筑采用地下水源热泵系统集中供暖，系统末端采用地板辐射供暖。室外气象参数采用典型气象年数据，室内设计温度为18益，模拟供暖热负荷为1030kW。模拟过程忽略人员，灯光以及其他设备对负荷的影响。

　　2.2系统设计参数

　　整个热泵系统冷热源采用3台水源热泵机组，负荷侧、水源侧均为一次泵系统，运行台数与机组台数一致。潜水泵为一抽三灌，间歇运行。系统的设计参数为：冬季额定工况下，机组水源侧进/出口水温为15/10益，流量为120m3/h。负荷侧供/回口水温为45/40益，流量为180m3/h。

　　2.3热泵机组选型

　　根据建筑物的供暖设计热负荷分别选取能效等级为1级、2级的热泵机组。

　　2.4水泵选型

　　根据设计参数对负荷侧、水源侧水泵进行选型。如上所述，负荷侧设计总流量为180m3/h，每台水泵设计流量为60m3/h，扬程26m。水源侧设计总流量为120m3/h，每台水泵设计流量为40m3/h，扬程45m。潜水泵为一抽三灌，间歇运行，每台水泵流量为120m3h，扬程120m。

　　3结果分析

　　传统运行策略根据管理人员运行经验，不同时间对应的热泵机组与水泵开启台数。优化运行策略则根据E.Granryd的方法[6]，得到不同的日室外最低温度所对应的最佳热泵机组，水泵的运行台数以及负荷侧，水源侧的最佳运行流量。在满足热负荷需求的前提下，在传统运行策略以及优化运行策略下分别对不同级别的热泵系统进行模拟。将传统运行策略下的能效作为约束性指标，优化运行策略时的能效作为引领性指标。系统评价指标采用单位建筑供暖面积能耗以及系统性能系数COPsys综合指标评价系统能效。采用水源侧耗电输热比EHR­h(S)[7]、热泵机组季节性能系数SCOP[8]、负荷侧耗电输热比EHR­h(L)，分别评价水源侧输配系统，热泵机组以及负荷侧输配系统的能效。

　　4结论

　　本文将实地调研数据与模拟仿真相结合，提出了地下水源热泵系统运行能效指标的确定方法。基于实际调的研数据建立了地下水源热泵系统的仿真模拟，统计了不同地区的水文地质条件，气候特征，系统配置以及运行策略等信息，为地下水源热泵系统的合理分级提供了依据以及模拟计算分析提供了可靠的计算基础。1)根据本文所提出的地下水源热泵运行能效指标的确定方法，分别给出了关中地区以及陕南地区地下水源热泵系统运行能效的约束性指标以及引领值指标，为陕西地区地下水源热泵系统节能运行实施细则的制定提供参考和依据。由于水文地质条件的优势以及气候特征，对陕南地区的地下水源热泵系统的运行能效提出了更高的要求。

　　2)对于关中地区以及陕南地区的地下水源热泵系统提出不同能效要求是合理的，在水文地质条件优越以及供暖系统运行时间较长的地区，应更注重地下水源热泵系统的节能，投资节能效能更优。

　　参考文献

　　[1]许伟,刘志坚.中国地源热泵技术发展与展望[J].建筑科学,2013,29(10):26­33

　　[2]王占伟,王智伟,闫增峰.某地下水源热泵系统制热工况测试分析与运行优化[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2017,49(1):125­130.

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

　　[4]GB/T19409­2013水(地)源热泵机组能效限定值及能效等级[S].北京:中国建筑工业出版社,2014.

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