1、地下水源水环热泵空调系统在北京住宅区的应用研究摘要：在本文中，我们汇报一个地下水源水环热泵空调系统在北京一幢高层公寓楼的应用情况。外部低温热源采用 14的水。通过对两年实测试数据进行了分析研究，笔者对该系统的操作和控制条件作了评估。基于共用设备和末端热泵所消耗的电能，笔者对系统的节能特性提出了综合性的评价。关键词：住宅建筑；实测数据；地下水源；水环热泵空调系统；能耗分析1. 引言 近几年地下水源水环热泵空调系统在中国快速发展。然而，这个系统的应用有许多因素限制的。首先，必须要有丰富和稳定的地下水源，这是最关键的先决条件。该系统的经济性是和地下含水层的深度是密切相关的。此外，如何保护地下水源也是
2、一个重要的问题。水环热泵空调系统可以结合许多平行的水源热泵用一个封闭的双管循环系统。循环水不仅是冷源冷却方式，而且是热源的加热方式。用于循环水的冷/热源是由地下水提供的，或由一个冷却塔结合锅炉提供的。在北京一栋公寓中采用的是水环热泵空调系统，采用井水作为低温热源。本研究是对水源热泵空调系统的操作和控制条件进行评估，并在对现场试验数据的分析中得到应用。进而，本研究对该系统节能能力做了综合评价。2. 项目在北京的公寓楼是由 A，B，C 三个塔式建筑组成的，地上最高 32 层，地下 3 层。它占地面积是 14175，总建筑面积 87948.7。公寓楼的地上部分采用地下水源水环热泵系统，地下部分的空调
3、系统是一种热风供暖系统。设计空调冷/热负荷为 64 / 51.8W/，空调面积约 70000。空调系统利用的地下水源来自建筑物周围的四眼井，井深 170m，井管径 500。每两眼井之间的距离是 120m。对四眼井可开采水层累计深度为50160m。地下水位埋深约 1820m，每眼井设计出水流量约为 200m3/h。地下水源水环热泵空调系统在北京住宅区的应用研究2每口井各配有一个深井泵（额定功率 45KW） 。井水的设计出水温度是1214 。本次调查深井水的含砂量为 1 / 10000。以下是深井水源系统的运行模式。为了保持地下水系统的平衡，4 眼井中 2 抽 2 回灌。抽水的井和回灌的井每半年交
4、替使用一次。井水是自然回灌的。在板式热交换器的井水侧（简称一次侧） ，那有三太速率恒定流泵（其中 1 台是备用泵） 。额定功率为 45KW，最大水流量为 200m3/h。这些泵也用于回灌的。在夏季，有主泵将井水放入板式热交换器。井水的温度是 14和设计的上升温度为 10。当储水池中的水的温度高于 28时，水被回灌。在冬季，井水流入到热交换板的温度是 14和出来时水温下降 6。通过的热交换后，井水的温度下降到 8。然后，水回灌到井中。如果井水的温度低于设计值，辅助的锅炉，作为热源的补充，用于添加加热水。图示 1（a）是井水侧的水源水环热泵空调系统的工作原理。图 1（b）是循环水侧（简称二次侧）系
5、统的板热交换器的工作原理图。循环水系统是采用双管异程系统，并以 16 层为界竖向分为两个区域，即，高的区域和低的区域。在高区和低区的二次侧，有三个恒定流速（1 台是备用泵）循环泵。其额定功率为 30KW，设计流速为 400m3/h。这些循环泵每天 24 小时连续运行。系统定压方式均采用变频泵补水定压。基于每个公寓的面积的大小，在每个住宅公寓安装一个或两个水源热泵机组。热泵机组是由美国特灵公司制造的。水环路将小型的水 - 空气热地下水源水环热泵空调系统在北京住宅区的应用研究3泵机组并联在一起。在夏季，循环水的温度是 1832；在冬季是 126。各个水源热泵机组相互并联，组成封闭的双管循环回路系统
6、和他们是通过板式热交换器与地下水进行热交换的。(a) 井水侧（b）二次侧图 1 地下水源水环热泵空调系统原理图3. 调查和数据收集本次测试的时间为 2002 年 9 月至 2004 年 2 月：测量包括在一次侧上地下水源水环热泵空调系统在北京住宅区的应用研究4outin/2outin1的入口/出口的水的温度（即，井水侧温 度） ，在二次侧上的进/出水的温度（即，空调 水系统侧） ，水泵的运行状态记录及其水流量（板式热交换器一次侧水泵、板热交换器二次侧循环泵）和每户的日耗电量。用电记录 物业管理部门有一个手动记录用电量的有每天的人工抄表记录。空调系统的电力消耗记录包括两个部分。一个是由设备所消耗
7、的电力，其中包括电梯、非空调用水泵及其他的电气设备、地下水源用于深井水泵、一次侧水泵和二次侧在空调用于循环水泵等设备的电力消耗。另一种是每户每一天的总用电量记录，由每间公寓的电表直接读取，它包括每户的照明、家电产品、个人计算机、通风换气设备和水源热泵机组等在内的消费总电量的记录，物业管理部门在这个消费记录的基础上向用户收取的电费。系统运行数据记录 系统中个点的运行数据的实时记录，采用了美国TRANE 公司开发的智能建筑自控软件 TRACER SUMMIT5.01 对系统的运行情况进行即时记录。通过软件检测的数据，包括板式热交换板一次侧上的入口/出口的水温度、二次侧上入口/出口的水温、室外空气的
8、温度、深井泵、一次泵和二次循环泵关闭打开的状态及故障报警等。本次调查每 15 分钟记录一次数据。在处理数据的过程中，对一些明显错误的数据进行剔除。4. 系统运行的基本情况1. 深井水泵深井水泵的开停运行是根据调节池的水位控制的。根据设计，在调节池中设置 5 个水位控制点，用来控制泵开 - 关顺序，操作运行模式和声光报警水位。该系统自 2000 年 12 月运行以来，深井水泵系统一直正常运行。2. 井水的温度和在主侧的温度差根据 2003 年 2 月 25 日至 15 日井水的温度记录；2003 年 4 月，井水的温度约为 16，出现小幅波动，而每天平均的温度却有大幅波动（ tw=-地下水源水环
9、热泵空调系统在北京住宅区的应用研究5out2int2 int2619） 。回灌的井水温度在 1216之间波动，井水的最高温度下降约4（ t1= 4） 。2003 年 6 月 1 日至 2003 年 8 月 31 日，根据调节水池中井水的温度记录，井水温度在 2122之间波动。通过板热交换器使井水的回灌温度稳定在约 27.5。井水的温度下降为约 5（ t1= 5） 。由于该系统已经运行时，深井泵没有被频繁使用，然而沉降比超过 90。2003 年，深井水泵在夏天的工作频率低于冬季的。井水的系统所提供的热负荷，能够完全满足大楼的空调负荷的要求，所以一次侧设置的备用热源设使用使用频率很小。当室外空气的
10、温度是如此之低时一次侧的水加热，二次侧的在设计时水的温度也低。在一般情况下，在回灌井一般每 15 天回扬 1 次，每次 15 分钟。3. 二次侧水温差根据 2003 年 2 月 25 日至 4 月 15 日的数据记录，二次侧水流进板式热交换器的温度 在 910之间波动，二次侧的水流出的板式热交换器的温度约为 11。二次侧循环水的实际温度（119）是小于的设计参数温度（126 ） 。此外，根据从 2003 年 6 月 1 日至 8 月 31 日的数据记录，二次侧水流进板式热交换器的温度在 2728之间波动，二次侧的水流出的板式热交换器的温度（ ）约为 25。在表 1 中显示出一次（井水侧）侧进/
11、出水温度（ ）和二次（空调水系统侧）侧进/出水 温度 在夏季，在调节水池中的水温是从 2003 年 6 月 1 日至 8 月 31 日记录中的数据；在冬季，井水温度数据是从 2003 年 2 月 25 日至 4 月 15 日实测记录的。从表中我们可以看到，在实际运行工况和设计工况是完全不同。实际运行工况的入口/出口的温度差是小于设计工况。这会导致在系统的热交换效率降低。outin1outin2地下水源水环热泵空调系统在北京住宅区的应用研究6根据设计，在换热器二次侧上的 4 台循环水泵是定流量泵。其额定功率为 30KW。每个消费者的末端水源热泵机组水管道上，应该有一个电磁阀和平衡阀。然而，他们在
12、实际施工中被省略，因为水源热泵机组需要最小的流率来避免水结冰，以及在管道的热泵机组上没有联锁的流量开关。因此，四个次级泵运行与周围满负荷的时钟，无论有多少个末端水源热泵运行。这被认为是导致水温差（ t2）较小最重要的原因的之一。 根据在冬季记录，进/出水温有时超出控制温度范围。这可能是由于一次泵设置的负载不合逻辑。4. 水泵开启频率图 2 显示出了从 2002 年 11 月至 2004 年 1 月各类水泵的月启动频率的变化。空调系统在过渡季节，在春夏从 4 月 16 日至 5 月 29 日和秋冬从 9月 10 日至 10 月 28 日没有运行。从图 2 可以看出， ，最大运行时间 1深井泵和
13、1主泵，每月不超过 2000 次。每月 2泵的运行时间更短。在冷却阶段（夏季） ，2一次泵的运行时间比冬季短。尽管，大多数居民已搬进了楼房，但两个深井水泵同时运行频率是非常低的，一次泵也是同样的。另外，在冬季深井泵和一次泵的运行次数是基本上是一致的，但是，在夏天，深井泵的运行频率是小于的一次泵。作者认为，夏季和冬季之间的差异主要是由于 2003 年夏天凉爽。而且这种差异直接反映在了水泵能耗上（图 2） 。地下水源水环热泵空调系统在北京住宅区的应用研究7图 2 各类空调系统用水泵供暖、冷气的月开启次数5. 确定的空调系统中的电力设备耗电量的推算方法空调系统中分析能量消耗最困难的问题是专门针对空调
14、设备运行耗电量的记录很少。对于水源水环热泵空调系统，作者提出了一种方法来推算的空调系统的耗电量。这种方法的基本思想是将整个空调系统电力消耗分为两部分：一部分是由空调系统中公共使用的部分所消耗的电能，即，深井泵、一次泵和二次循环泵等的耗电量；另一部分是每户使用水源热泵机组所消耗的电力。 公共使用空调系统中电力设备所消耗的电力电力设备包括深井水泵，一次泵和二次循环泵。对于定流量泵，其工作电压为 380 V 和工作电流波动比较小时，只要知道水泵的运行时间，即根据 TRACER SUMMIT5.02 的空调系统实时运行记录的数据，根据这些参数用方程式（1） ，可以计算出耗电量每台泵的小时耗电量、日耗电
15、量、月耗电量、年耗电量。 103721/cosIUt.W（1）其中：W 是公众使用的某一天空调系统计算出的电力消耗，KW/d ；I 是在公共场合使用的空调系统的工作电流，A；U 为工作电压，V；COS 是功率因数；地下水源水环热泵空调系统在北京住宅区的应用研究8t 是在公共场合使用空调系统的操作时间， h； 1000 转换常数。 末端水源热泵机组消耗的电力虽然，在现场测试数据调中记录了用户每天的电力消耗，其中包括照明，家电，个人计算机，通风换气装置和水源热泵机组等在内的每户每天日常用电量的总和。通过分析用电量的组成，它可以被分成的不变动的电力消耗和变化部分的电力消耗。在图 3，显示某户 200
16、2 年 9 月至 2004 年 2月总用电量的余额变动实测值。从这个图中，我们可以看到，当空调停止运行时，电力消费量是比较稳定的（实线以下部分） 。而这种用电量被称为不变动部分的耗电量。然而，在空调运行时间段有一个明显的变化过程。日常用电高峰发生在冬季最冷或夏季最热的月份。这种用电量被称为变化部分的耗电量。因此，我们可以推算出末端水源热泵机组消耗的电力通过公式：W21 （2）其中 W，某户的日常总耗电量，KW/d；1，日常不变动的电力消耗，KW/d；2，日常变化的电力消耗，KW/d。图 3 某住户日消费总电量的月变动实测值在公寓的空调系统停止运行过渡季节，即每年的春季和夏季 4 月 16 日至
17、 5 月 19 日，秋季和冬季是 9 月 25 日至 10 月 17 日。在这些过渡期间，地下水源水环热泵空调系统在北京住宅区的应用研究9所有的空调水泵和每户的热泵机组均停止运行。因此，只记录了普通家电所消耗的电力。这是作为在这期间每天不变的电力消费。通过方程式（3）可以计算出每户热泵机组某天的电力消耗。ij WW112（3）其中：j是某户的热泵机组某天的电力消费，KW/d；W是某户的热泵机组某天的总电力消耗，KW/d；W1 是相关影响因素考虑在内之后不可改变的部分的电力消耗，KW/d。 空调系统的能源消耗分析对该空调系统 2002 年 9 月 2004 年 2 月的运行数据进行了分析。结果如
18、下所示。 公共使用的电力设备的能源消耗分析数据取自从 2002 年 11 月至 2004 年 2 月的（见表 2） 。深井泵的耗电量，在冬季是在夏季的两倍左右。这可能与 2003 年的冷夏有一定的关系。一次泵的耗电量在冬季比夏季多一点。然而，二次泵耗电量在冬天和夏季是相同的。这是因为空调系统运行时该泵要全天维持恒定的流速。这部分的消耗是各类泵整体消耗三分之二。无论是在加热和冷却期间，每类泵的每月的电力消耗示于图 4 中。地下水源水环热泵空调系统在北京住宅区的应用研究10图 4 各类空调系统用水泵供暖、供冷期的月消费量 末端水源热泵机组的能耗分析该住宅公寓的 A，B，C 三座有塔式建筑内共有住户
19、 368 户。根据面积大小分为大，中，小三类户型。小户型（6090）的有 72 套，248 套中户型（120160 ）和 48 套大户型（245） 。更重要的是，小户型和中等户型每户设置 1 台热泵机组，但有两个热泵机组安装在大户型公寓。在 2003 年 4 月 16 日至 5 月 29 日和 9 月 25 日至 10 月 17 日作者调查每天每个消费者的电力消耗。在这两个过渡季节，空调系统停运。我们的数据处理的方法（第 5.2 节中所示） ，用于计算由末端水源热泵机组消耗的电力。然后，在空调系统停止运行时，我们分析出了各类户型单位建筑面积不变部分的日耗电量，如表 3 所示。可以得出结论，一个大户型用户所消费的不变的耗电量只有小户型或中户型的约三分之二。同理，各类户型单位面积变动部分所消耗的日平均耗电量用公式（3）计算，即空调的电力消耗，如表 4 中所示。结果和表 3 相似，即，中小户型的空调耗电量相近，而大户型的单位面积耗电量低于前两种的（在夏季是前者的 7080 ，在冬季大约是前者的 50） 。在表 3 和表 4 中表明，
