地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能效指標(biāo)確定方法研究

　　摘要：基于陜西地區(qū)地下水源熱泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)性調(diào)研數(shù)據(jù)，考慮了地下水源熱泵系統(tǒng)的地域性以及多樣性等特點(diǎn)，提出了地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能效指標(biāo)的確定方法。在對(duì)系統(tǒng)合理分級(jí)的基礎(chǔ)上，利用TRNSYS17建立地下水源熱泵系統(tǒng)模型，探索性確定了陜南以及關(guān)中地區(qū)不同級(jí)別的地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能效的約束性指標(biāo)和引領(lǐng)性指標(biāo)，為陜西地區(qū)地下水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行實(shí)施細(xì)則的制定提供參考和依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：地下水源熱泵能效約束值能效引領(lǐng)值

　　地下水源熱泵作為節(jié)能高效、環(huán)境友好型的供熱、供冷技術(shù)，近年來(lái)在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。截至2014年，我國(guó)水、地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用面積累積已達(dá)到3.6億m2[1]。然而，大量實(shí)際項(xiàng)目測(cè)試數(shù)據(jù)表明，地下水源熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的能效水平并不高[2­3]。由于地下水源熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行能效與水文地質(zhì)條件，氣候特征以及系統(tǒng)配置，運(yùn)行策略等因素密切相關(guān)，呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的地域性和多樣性，因此有必要對(duì)地區(qū)性的熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能效進(jìn)行研究。目前我國(guó)雖然已制定了可再生能源系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)規(guī)范，但是對(duì)地方性指標(biāo)實(shí)施細(xì)則的可操作性較差。為此，本文對(duì)地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能效指標(biāo)確定方法進(jìn)行了研究，探索性確定了陜西地區(qū)其指標(biāo)的約束值與引領(lǐng)值。

　　1基本思路及方法

　　1.1基于實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)確定計(jì)算條件

　　地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能效指標(biāo)的確定主要取決于兩個(gè)方面：一是客觀條件，反映當(dāng)?shù)氐淖匀灰蛩�，包括氣候特征和水文地質(zhì)條件等。二是主觀條件，反映系統(tǒng)的先進(jìn)水平，包括系統(tǒng)配置以及運(yùn)行策略等。地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能效指標(biāo)的確定應(yīng)是主觀與客觀相協(xié)調(diào)的結(jié)果。對(duì)該地區(qū)的地下水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，統(tǒng)計(jì)各系統(tǒng)的水文地質(zhì)條件，氣候特征，系統(tǒng)配置，運(yùn)行策略以及供暖末端方式等關(guān)鍵信息，為系統(tǒng)的合理分級(jí)提供參考依據(jù)以及系統(tǒng)模擬提供計(jì)算條件。

　　1.2地下水源熱泵系統(tǒng)合理分級(jí)

　　熱泵機(jī)組能效是系統(tǒng)能效的主要影響因素，因此對(duì)系統(tǒng)分級(jí)的前提是對(duì)熱泵機(jī)組的能效進(jìn)行等級(jí)劃分。采用最新標(biāo)準(zhǔn)《水(地)源熱泵機(jī)組能效限定值及能效等級(jí)》[4]作為熱泵機(jī)組能效等級(jí)的劃分依據(jù)，采用全年綜合性能系數(shù)ACOP作為計(jì)算熱泵機(jī)組性能等級(jí)的指標(biāo)，計(jì)算方法如下：統(tǒng)計(jì)熱泵機(jī)組樣本中額定工況的制熱性能系數(shù)COPref和制冷能效比EERref，根據(jù)式(1)，計(jì)算全年綜合性能系數(shù)ACOP，判斷熱泵機(jī)組的能效等級(jí)。ACOP=aEERref+bCOPref(1)式中：a，b為典型城市的辦公建筑制冷、制熱時(shí)間分別占辦公建筑總的空調(diào)時(shí)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(jié)合熱泵機(jī)組能效的不同等級(jí)，以及水泵是否應(yīng)用變頻技術(shù)進(jìn)行組合，將熱泵系統(tǒng)劃分為3級(jí)。

　　1.3兼顧地下水源熱泵系統(tǒng)的地域性特點(diǎn)袁不同地區(qū)

　　設(shè)置不同的指標(biāo)地下水源熱泵系統(tǒng)受水文地質(zhì)條件以及氣候特征等客觀條件的影響，呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的地域性。由于陜西地區(qū)自然地理?xiàng)l件特殊，造成水文地質(zhì)特征差異較大，而水文地質(zhì)特征是影響地下水源熱泵系統(tǒng)能效的主要因素。據(jù)調(diào)研資料顯示，關(guān)中地區(qū)地下水溫度一般為15益，井深150m，單井涌水量80m3/h。陜南地區(qū)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(qū)的水文地質(zhì)條件較關(guān)中地區(qū)要好，而陜北地區(qū)屬于貧水區(qū)，不適宜應(yīng)用地下水源熱泵系統(tǒng)。同時(shí)，根據(jù)我國(guó)的氣候分區(qū)，秦嶺以北的陜北、關(guān)中地區(qū)大部分屬于寒冷地區(qū)，冬季較長(zhǎng)且寒冷干燥，供暖季節(jié)較長(zhǎng)。秦嶺以南的陜南地區(qū)屬于夏熱冬冷地區(qū)，冬季陰冷，供暖季節(jié)較短。因此陜西地區(qū)地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能效指標(biāo)的確定應(yīng)兼顧不同水文地質(zhì)特征以及氣候區(qū)，根據(jù)其實(shí)際運(yùn)行條件，對(duì)不同的地區(qū)提出不同的指標(biāo)要求。

　　1.4能效指標(biāo)確定思路

　　基于該地區(qū)實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)，利用TRNSYS17建立地下水源熱泵系統(tǒng)的仿真模型。以實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)為計(jì)算條件，在系統(tǒng)合理分級(jí)的基礎(chǔ)上，分別模擬傳統(tǒng)運(yùn)行策略以及優(yōu)化運(yùn)行策略下系統(tǒng)的能效，將傳統(tǒng)運(yùn)行策略的模擬值作為約束性指標(biāo)，優(yōu)化運(yùn)行策略的模擬值作為引領(lǐng)性指標(biāo)。

　　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(duì)象，層高都是3m，總建筑面積約2.576萬(wàn)m2。該建筑采用地下水源熱泵系統(tǒng)集中供暖，系統(tǒng)末端采用地板輻射供暖。室外氣象參數(shù)采用典型氣象年數(shù)據(jù)，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18益，模擬供暖熱負(fù)荷為1030kW。模擬過(guò)程忽略人員，燈光以及其他設(shè)備對(duì)負(fù)荷的影響。

　　2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

　　整個(gè)熱泵系統(tǒng)冷熱源采用3臺(tái)水源熱泵機(jī)組，負(fù)荷側(cè)、水源側(cè)均為一次泵系統(tǒng)，運(yùn)行臺(tái)數(shù)與機(jī)組臺(tái)數(shù)一致。潛水泵為一抽三灌，間歇運(yùn)行。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)為：冬季額定工況下，機(jī)組水源側(cè)進(jìn)/出口水溫為15/10益，流量為120m3/h。負(fù)荷側(cè)供/回口水溫為45/40益，流量為180m3/h。

　　2.3熱泵機(jī)組選型

　　根據(jù)建筑物的供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷分別選取能效等級(jí)為1級(jí)、2級(jí)的熱泵機(jī)組。

　　2.4水泵選型

　　根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)負(fù)荷側(cè)、水源側(cè)水泵進(jìn)行選型。如上所述，負(fù)荷側(cè)設(shè)計(jì)總流量為180m3/h，每臺(tái)水泵設(shè)計(jì)流量為60m3/h，揚(yáng)程26m。水源側(cè)設(shè)計(jì)總流量為120m3/h，每臺(tái)水泵設(shè)計(jì)流量為40m3/h，揚(yáng)程45m。潛水泵為一抽三灌，間歇運(yùn)行，每臺(tái)水泵流量為120m3h，揚(yáng)程120m。

　　3結(jié)果分析

　　傳統(tǒng)運(yùn)行策略根據(jù)管理人員運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，不同時(shí)間對(duì)應(yīng)的熱泵機(jī)組與水泵開啟臺(tái)數(shù)。優(yōu)化運(yùn)行策略則根據(jù)E.Granryd的方法[6]，得到不同的日室外最低溫度所對(duì)應(yīng)的最佳熱泵機(jī)組，水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)以及負(fù)荷側(cè)，水源側(cè)的最佳運(yùn)行流量。在滿足熱負(fù)荷需求的前提下，在傳統(tǒng)運(yùn)行策略以及優(yōu)化運(yùn)行策略下分別對(duì)不同級(jí)別的熱泵系統(tǒng)進(jìn)行模擬。將傳統(tǒng)運(yùn)行策略下的能效作為約束性指標(biāo)，優(yōu)化運(yùn)行策略時(shí)的能效作為引領(lǐng)性指標(biāo)。系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)采用單位建筑供暖面積能耗以及系統(tǒng)性能系數(shù)COPsys綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)系統(tǒng)能效。采用水源側(cè)耗電輸熱比EHR­h(S)[7]、熱泵機(jī)組季節(jié)性能系數(shù)SCOP[8]、負(fù)荷側(cè)耗電輸熱比EHR­h(L)，分別評(píng)價(jià)水源側(cè)輸配系統(tǒng)，熱泵機(jī)組以及負(fù)荷側(cè)輸配系統(tǒng)的能效。

　　4結(jié)論

　　本文將實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)與模擬仿真相結(jié)合，提出了地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能效指標(biāo)的確定方法�；�于實(shí)際調(diào)的研數(shù)據(jù)建立了地下水源熱泵系統(tǒng)的仿真模擬，統(tǒng)計(jì)了不同地區(qū)的水文地質(zhì)條件，氣候特征，系統(tǒng)配置以及運(yùn)行策略等信息，為地下水源熱泵系統(tǒng)的合理分級(jí)提供了依據(jù)以及模擬計(jì)算分析提供了可靠的計(jì)算基礎(chǔ)。1)根據(jù)本文所提出的地下水源熱泵運(yùn)行能效指標(biāo)的確定方法，分別給出了關(guān)中地區(qū)以及陜南地區(qū)地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能效的約束性指標(biāo)以及引領(lǐng)值指標(biāo)，為陜西地區(qū)地下水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行實(shí)施細(xì)則的制定提供參考和依據(jù)。由于水文地質(zhì)條件的優(yōu)勢(shì)以及氣候特征，對(duì)陜南地區(qū)的地下水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行能效提出了更高的要求。

　　2)對(duì)于關(guān)中地區(qū)以及陜南地區(qū)的地下水源熱泵系統(tǒng)提出不同能效要求是合理的，在水文地質(zhì)條件優(yōu)越以及供暖系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的地區(qū)，應(yīng)更注重地下水源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能，投資節(jié)能效能更優(yōu)。

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　　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(fā)利用專業(yè)的廣管理干部、技術(shù)人員、勘察設(shè)計(jì)人員、技術(shù)工人及大專院校師生�？�登的主要內(nèi)容：水資源管理，地下水資源評(píng)價(jià)理論與方法，地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)及預(yù)報(bào)，地下水資源開發(fā)與保護(hù);機(jī)井濾水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鉆井技術(shù)工藝，鉆井提水機(jī)具革新設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，舊井修復(fù);井灌豎排工程規(guī)劃設(shè)計(jì)，科學(xué)用水與井管理，井灌經(jīng)濟(jì)效益分析;行業(yè)動(dòng)態(tài)與專業(yè)信息;專業(yè)科普及專題講座等。

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