基于监测数据的地源热泵系统运行性能分析

Operation Performance Analysis of Ground Source Heat Pump System based on Actual Measurement Data
LI Xiao-ping, CHEN Chen, XU Ying-chun China Academy of Building Research Tianjin Institute
集中在 1 益左右。从 6 月中旬开始至 8 月中旬，由于系 统 连续 运 行，地 源 水 温 呈 现 上 升 趋 势 ，温 度 上 升 了 4 益左右，进入 8 月下旬，地源水出入口温度随着制冷 负荷下降而逐渐降低，相比 8 月下降约 2 益左右。冬季 工况地源测出入口温度随着系统运行的持续逐渐降 低，供暖初期地源侧出入口温度分别为 14/13 益，供暖 末期为 11/10 益，下降约 3 益，地源侧出入口温差约为 1 益。因此，针对以上情况，合理控制控制地源侧水泵 频率，降低水泵能耗。
Abstract: This paper analyzes a ground source heat pump to a green building based on actual operational data. general operation of Ground source heat pump in summer and winter season was introduced, including supply and return water temperature of ground source side and user side, temperature differences, COP, as well as load factor value. Summarize the problems in the operation of the heat pump system, and propose performance improvements and operation management recommendations, which can provide a certain data basis for the subsequent improvement of the building's actual operation performance. Keywords: green buildings, ground source heat pump system, operation performance
22.0
3.0
20.0
温 度
18.0
（
℃ ） 16.0
14.0
2.0 温 度 （ ℃
1.0 ）
12.0
2016-6-16
2016-6-30
2016-7-14
地源侧出口温度（℃）
2016-7-28
2016-8-11
2016-8-25
地源侧入口温度（℃）
0.0
2016-9-8
2016-9-22
出入口温差（℃）
第 40 卷第 6 期 2021 年 6 月
文章编号：1003-0344（2021）6-060-4
建筑热能通风空调 Building Energy & Environment
基于监测数据的地源热泵系统运行性能分析
Vol.40 No.6 Jun. 2021.60~63
李晓萍 陈晨 徐迎春
中国建筑科学研究院天津分院
·62·
建筑热能通风空调
2021 年
16.0
15.0
14.0
温 度 13.0 （ ℃ 12.0 ）
11.0
10.0
9.0 2016-6-16
2016-6-30
2016-7-14
用户侧供水温度（℃）
2016-7-28
2016-8-11
2016-8-25
用户侧回水温度（℃）
（a）夏季工况
3.0
2.0 温 度 （ ℃
（a）夏季工况
16.0
3.0
14.0
温 度 （ 12.0 ℃ ）
10.0
2.0 温 度 （ ℃
1.0 ）
8.0
0.0
2016-11-14 2016-11-28 2016-12-12 2016-12-26 2017-1-9 2017-1-23 2017-2-6 2017-2-20 2017-3-6 2017-3-20
图 1 为地源热泵系统 2016 年 6 月 17 日至 9 月18 日夏季工况、2016 年 11 月 15 日至 2017 年 3 月 15日 冬季运行工况下，地埋管总管地源水出入口水温、温 差情况。如图 2 所示，夏季工况系统运行期间，地源出 口温度介于 15～ 20 益之间，水入口温度在 16耀22 益之 间波动，出入口平均温度约为 18 益，出入口温差主要
图 5 为项目夏季制冷工况和冬季制热工况下，热 泵机组逐时制冷（热）量及制冷（热）负载率分布情况， 如图 5 所示项目，地源热泵系统全年运行中的负荷率 都在比较低的状态下运行，在大部分时间内，建筑的实 际冷（热）负荷小于设计工况，多数时间是在较低的负 载率下运行，进而造成系统能效偏低。夏季工况下大 部分时间内机组负载率低于 10%，冬季工况下大部分 时间内机组负载率低于 30%，热泵系统实际运行情况 与设计偏离度较大。
李晓萍等：基于监测数据的地源热泵系统运行性能分析
·61·
1 项目介绍
该绿色三星级办公建筑位于中新天津生态城内， 该 项 目 是 集 展 示 、销 售 、办 公 和 档 案 储 存 等 功 能 于 一 体的综合性办公楼。该项目为地上 2 层，建筑面积为 3467 m2，地上 2 层为 3013 m2，地下 1 层为 454 m2，该 项目采用各被动节能技术、可再生能源系统以降低建 筑的能量需求，其中空调冷热源采用地源热泵系统， 设置 1 台双机头高温冷水地源热泵机组，名义制冷量/ 制热量为 350 kW/33 kW，名义制冷 COP/ 制热 COP为 5.93/4.48，夏季为建筑提供 16/21 益的冷水作为建筑冷 源，冬季为建筑提供 42/37 益的热水作为建筑热源。
图 3 热泵机组水泵能耗比
图 4 为地源热泵系统夏季制冷工况和冬季制热工 况运行期间机组 COP 和系统 EERsys。从图 4 可以看 到，夏季制冷工况下地源热泵系统运行期间机组 COP 值为 1.5～ 5.5，机组 COP 值主要分布在 2.5 左右，平均 COP 约 为 2.2， 系 统 EERsys 值 为 1.0 ～ 3.5， 系 统 EERsys 值 主 要分 布在 1.5 左 右 ，平均 EERsys 约 为 1.1；冬季制热工况，地源热泵系统运行期间机组 COP 值为 2.5～ 4.8，平均 COP 约为 3.1，系统 EERsys 值为 1.5～ 3.6，系统 EERsys 平均值约为 1.9，从计算结果来 看，COP 与 EERsys 明显低于系统的额定值，系统运行 能效偏低，冬季制热工况运行效果要优于制冷工况。
0 引言
随着我国经济的快速发展，绿色建筑近年来在建 筑行业中也受到大力推广，对促进节能减排，缓解我 国的能源压力有积极的促进作用。地源热泵作为一种 高效、可靠的可再生能源利用技术，具有良好的经济 与环境效益，因此，被广泛应用于绿色建筑中，作为能 源系统为建筑供冷、供热、生活热水[1]。地源热泵系统 的实际运行效果与设计预期之间往往存在较大差异 的问题也越来越受到人们重视，其系统运行稳定，性 能发挥良好，对绿色建筑的能耗水平和室内舒适度影 响显著。通过对绿色建筑运营阶段地源热泵系统实时 监测与数据采集，利用信息化、智能化技术进行能耗
1.0 ）
2016-9-8
0.0 2016-9-22
供回水温差（℃）
50.0
3.0
40.0
温 30.0 度
（
℃ ）20.010.0源自2.0 温 度（ ℃
1.0 ）
0.0 2016-11-14 2016-11-28 2016-12-12 2016-12-26
用户侧供水温度（℃）
2017-1-9
2017-1-23
监测与控制，深入分析能源利用率和节能潜力，及时发 现问题并优化控制，从而达到节能降耗的目的[2-3]。通过 长期实时监测地源热泵系统关键指标参数，可掌握地 源热泵系统建筑应用项目的实际运行效果，是了解地 源热泵系统能耗状况的重要手段[4]。
本文以天津某绿色三星级办公建筑地源热泵系 统地源热泵系统 6 月 17 日至 9 月 18 日夏季运行、11 月 15 日至次年 3 月 15 日冬季运行真实数据为基础， 主要包括地源热泵系统地源侧、室内侧出入口水温， 机组 COP 等，并在此基础上，对该绿色建筑地源热泵 系统运行情况和运行效果进行了详细分析，为地源热 泵空调系统的优化设计和节能运行提供数据支持和 实践经验。
地源热泵系统承担建筑冷负荷为 175 kW（单位冷 指 标 为 55 W/m2），热 负 荷 168 kW（单 位 冷 指 标 为 49.6 W/m2），该项目室内侧大厅采用单区变风量全空 气空调系统，末端为毛细管网辐射系统，在吊顶内敷 设毛细管，通过饰面板向下散热和吸热。小开敞房间 采用干式风机盘管加新风系统，风机盘管为直流无刷 型，暗装于吊顶内。地源侧水系统为闭式系统，介质为 清水，采用双 U 型垂直式换热系统，室外场地共钻孔 44 口、钻孔直径 囟200 mm、单孔深 120 m，成矩形布 置、两孔间距 5 m，室外换热系统水平集管采用单管区 域集中＋ 检查井式系统。
2017-2-6
2017-2-20
用户侧回水温度（℃）
2017-3-6
0.0 2017-3-20
供回水温差（℃）
（b）冬季工况
图 2 用户侧供回水温度分布
热泵机组水泵能耗比
100% 80% 60% 40% 20% 0%
49% 51% 夏季工况
39% 61% 冬季工况
机组电量能耗占比 水泵电量能耗占比
摘 要：本文以某绿色建筑中地源热泵系统实际运行数据为基础，分析了该地源热泵系统夏季和冬季的运行情 况，包括系统地源侧、用户侧供回水温度、温差、COP、机组负载率等参数，总结出该系统在运行中存在的问题，并 提出性能提升和运行管理建议，可为以后该建筑后续改善实际运行性能提供一定的数据基础。 关键词：绿色建筑 地源热泵系统 运行性能
2 地源热泵系统运行分析
本项目地源热泵系统在夏季制冷、冬季供热运行 中每天 24 h 连续运行，除节假日外，热泵系统周六、日 正常运行，通过分析地源侧、用户侧运行参数及系统 运行能效分析，评价热泵系统的运行效果。
2.1 地源侧分析 根据中新生态城的工程地质和水文地质条件特
点，生态城浅层地热资源开发比较适合利用地埋管地 源热泵系统，该地区可循环利用的浅层地热能可达 1.69伊105 kW[5]。根据区域地质检测报告，项目土壤换热 器夏季平均放热能力为 68 W/m，冬季平均取热能力为 37 W/m。
地源侧出口温度（℃）
地源侧入口温度（℃）
出入口温差（℃）
（b）冬季工况
图 1 地源侧出入水温度分布
2.2 热泵系统运行分析 通过分析该项目夏季制冷工况、冬季制热工况运
行情况下的用户侧供回水温差、系统能耗分析项目地 源热泵运行状况和末端运行情况，如图 2 所示，夏季运 行工况下地源热泵机组供水温度约为 11~14 益左右， 回水温度约为 12~15 益，夏季工况下用户侧负荷小，用 户侧供回水温差主要集中在 0~1 益区间内，远低于设 计 5 益温差值；冬季制热运行工况下，室内侧供水温度 主要介于 40～ 45 益之间，回水温度主要介于 38耀43 益 之间，供回水温差约为 2 益，同样也低于设计 5 益温差 值，热泵系统长期处于“小温差大流量”运行条件下，使 得系统水泵能耗占比偏大，如图 3 所示，在夏季制冷工 况下，水泵能耗占系统能耗的 49%，造成系统总体能 效偏低，冬季制热工况下，水泵能耗占系统能耗的 39%，系统整体运行效果优于夏季工况。
收稿日期：2020-4-7 作者简介：李晓萍（1979~），女，博士，高工；天津市南开区华苑产业园区海泰信息广场 D 座 712（300384）；022-23759986；
E-mail: lixpcabr@ 基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFC0700104）
第 40 卷第 6 期