地下水源闭环热泵空调系统的能耗分析――..
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摘要： 北京嘉和丽园住宅公寓楼的利用地下水源闭环热泵空调系统是一个向系统引入外部低温热源的典型实例工程。为了对该空调系统的实际运行情况以及空调耗能情况进行定量的、综合评价分析，1）笔者对该系统运行情况进行了实测调查，调查时间为2002年9月-2004年1月；2）根据实测调查数据的分析，对现有系统的运行、管理情况进行了分析和综合评述；3）提出了一套关于共用空调动力设备和末端空调水源热泵机组消费电量的推算方法；4）根据所提出的推算方法，并结合实测调查数据对该公寓楼空调系统的能耗情况进行了定量的分析和评估。
关键词： 实测调查 地下水源热泵空调 推算方法 空调消费电量
以井水为低值热源的水――水热泵空调供暖（冷）系统，自20世纪90年代中期以后在我国发展十分迅速，北京地区也有了一些工程应用实例。笔者对北京嘉和丽园住宅公寓楼的利用地下水源闭环热泵空调系统的运行情况进行了跟踪实测调查，现将调查情况分述如下。
1 工程概况 北京嘉和丽园住宅公寓楼的利用地下水源闭环热泵空调系统为中美节约能源和保护环境合作示范项目，于2000年12月投入试运行，2001年7月正式运行。该住宅公寓楼由三座（A座、B座、C座）塔式建筑构成，地上最高32层，地下3层，占地14175 ┫，总建筑面积87948.7┫；公寓楼地面层以上为利用地下水源闭环热泵空调系统、地下室为热风采暖系统；设计空调冷/热负荷分别为64W/┫和51.8 W/┫，空调面积约为70000 ┫。
1.1 深井
空调系统利用的地下水源取自建在建筑物周围、深度约为170m的4眼井，井管径为Φ500mm，井与井之间的距离约为120m；4眼井可开采水层累计深度约为50~160m，地下水位埋深约为18~20m，每眼井的设计出水流量约为200m3/h，每眼井分别配置了1台额定电功率为45kW的深井水泵，作抽水泵用；井水设计出水温度为12～14℃。本次调查深井水的含砂量为1/10000，深井水源系统的运行模式为[1]：
深井抽水→分水缸→调节水池→一次泵→板式热交换器ㄉ←←再利用←←ㄌㄋ→蓄水池→集水缸→深井回灌
1.2 地下水抽回灌温度控制
4眼井中2抽2回灌，以保证地下水系统的均衡，抽、回灌水井不定期的交替使用；回灌方式为自然回灌。井水通过板式热交换器与水源热泵环路进行热交换，提供冷源或热源。板式热交换器的井水侧（简称一次侧）设置了3台电功率为45kW的定流量泵（其中1台为备用），水泵最大水流量为200m3/h，该泵同时负担井水的回灌。夏季经一次泵送入板式热交换器的井水设计温度为14℃，板式热交换器井水侧的设计温升为10℃,当蓄水池温度大于28℃时回灌；冬季经变频泵送入板式热交换器的井水设计温度为14℃，板式热交换器井水侧的设计温降为6℃，换热后井水温降至8℃再进行回灌；若井水温度低于设计温度，则投入备用锅炉对井水进行辅助加热，图1为利用地下水源闭环热泵空调系统原理图。
图1利用地下水源闭环热泵空调系统原理图 图2二次侧空调水系统原理图
地下水源闭环热泵空调系统的能耗分析――北京嘉和丽园公寓楼空调系统实测调查 : 3 系统运行基本情况
3.1深井水泵
深井水泵的开停运行是根据调节池的水位来进行控制的。根据设计，对调节水池设置了5个液位控制点，分别控制深井泵的开停顺序和运行方式以及声光报警液位[2]。该系统自2000年12月试运行以来，深井水系统的运行基本正常，深井泵报警系统几乎没有过运行报警记录。
3.2 井水温度及一次侧水温差
根据2003年2月25日~4月15日井水温度的记录，尽管室外日平均气温的波动较大（ㄓtw= -6 ~19℃），但井水温度t1进基本稳定在16℃左右，波动很小；而经过板式热交换器后的井水回灌温度则在12 ~16℃之间波动，井水的最大温降ㄓt1=4℃左右。另外，根据2003年6月1日~8月31日调节水池中井水温度的记录，井水温度t1进在21~22℃间波动（深井泵抽取时的井水温度大约为17~18℃）；而经过板式热交换器后的井水回灌温度基本稳定在27.5℃左右，井水的温降大致为ㄓt1=5℃左右。系统自运行以来，尽管入住率已达到90%以上，但深井水泵的运行时间都不是很频繁，2003年夏季深井水泵的运行时间频率比冬季还要低，深井水系统提供的热负荷一直都能满足大楼空调负荷的要求；而且迄今为止，为防止由于室外温度过低而导致二次水温过低，在一次水侧设置的辅助热源一次也没使用过。抽水井和回灌井在季节转换时切换1次，即冬季供暖期作为抽水井使用的井，夏季供冷期切换为回灌井；回灌井一般10~15天回扬1次，一次15分钟左右。
3.3 二次侧水温差
根据2003年2月25日~4月15日调查数据的记录，进入板式热交换器前的水温t2进大部分时段在9~10℃间波动，经板式热交换器后的水温t2出大部分时段在11℃左右波动，二次侧环路水温度的实际运行参数（11-9℃）比设计参数（12-6℃）要小。另外，根据2003年6月1日~8月31日的调查数据记录，进入板式热交换器前的水温t2进大部分时段在27~28℃间波动，经板式热交换器后的水温t2出大部分时段在25℃左右波动，二次侧环路水温度的实际运行参数（28-25℃）比设计参数（32-18℃）要小。
根据原有设计，二次侧的4台循环水泵为定流量泵，且24小时连续运行，每台水泵额定功率为30kW，各用户末端的水源热泵机组的水侧管路上设有电磁阀、平衡阀。但由于水源热泵机组有最小结冰流量要求，另外在管路上也没有设置与热泵机组连锁的流量开关，故在实际施工安装中将电磁阀取消了。因此，无论末端水源热泵机组开启台数的多少，二次侧循环水系统的4台循环泵总是在全天候的满负荷运行。可以认为这是导致二次侧水温差ㄓt2过低的重要原因之一。
另外，根据冬季运行纪录，二次侧进出水温度有偏离控制温度范围的情况，这可能与一次泵加减载设定条件不合理有关。
3.4 水泵开启频率
图3表示2002年11月~2004年1月各类水泵的月开启频率变动,空调系统在2003年春夏过渡季节4月16日~5月29日及夏秋过渡季节9月10日~10月28日停止运行。由图可见，除了二次循环泵在整个空调运行期不间断的连续运行外，1#深井泵和1#一次泵（一次泵运行方式的设置见文献[2]）的月运行次数最高不过2000次左右；而它们的2#泵的月运行次数则更少，2#一次泵冬季供暖峰值期1月份的运行次数只有500次左右，2#一次泵在夏季供冷期运行次数还要少；2#深井泵只在12月份和1月份有过250次左右运行记录；再就是，尽管公寓楼的入住率已很高，但2台深井水泵同时运行的频率仍很低，一次泵也同样。另外，冬季深井泵和一次泵的运行次数基本一致，而夏季深井泵的运行频率明显低于一次泵。冬夏运行的差异，笔者以为主要是因为2003年的夏季是冷夏所致，而且这种运行差异也直接反映在了水泵的能耗上（图4）。
图3各类空调系统用水泵供暖、冷期的月开启次数变动
地下水源闭环热泵空调系统的能耗分析――北京嘉和丽园公寓楼空调系统实测调查 : 4.2 末端空调水源热泵机组的消费电量推算方法
在实测数据记录中，有每个住户每天消费电量的记录数据，但这些电量都是每户的总用电量，也即包括照明、各种家电设备、个人电脑、通风换气设备、水源热泵机组等在内的每户每天日常用电量的总和。对于不同的家庭，家用电器设备的构成是有所不同的；同时由于生活习惯的不同，电器设备使用时的间、消费的电量也是有所不同的。一般家庭常用的用电器具或设备大致有照明、电视机、个人电脑、洗衣机、电冰箱、厨房通风排气扇、卫生间通风换气扇、空调热泵机组等。根据这些器具和家用电器设备的使用特点和使用规律，像冰箱是常开的，24小时连续运行；照明、电视机、厨房通风换气扇等设备每天的使用时间都基本上是有规律的，也是比较稳定的；个人电脑、洗衣机、卫生间通风换气扇的使用时间虽然随机性比较大，但其消费电量也是比较稳定的。这类用电设备，由于使用期间用电负荷稳定，用电时间也有规律可循，而且用电量也相对比较稳定，随时间变动的影响因素较小，我们可把这部分消费电量视为不变动部分的消费电量。所谓不变动部分的消费电量是指消费电量中，基本不受室外气象等条件影响、每天的消费电量基本上稳定不变的部分。与之相反，每户空调热泵机组的消费电量则应视为变动的、不稳定的消费电量。这是因为空调热泵机组在运行期间，受室外气象条件变化的影响非常大；另外，室内人员、灯光照明等负荷条件的影响也是导致空调运行时间不确定原因之一；加之，每个人对舒适性空调温度的感受不同，设定的室内空调温度差别甚大，而且空调机组开启的时间也不一样，致使空调热泵机组消费电量随时间的变化很大，因此我们把这部分消费电量称为变动部分的消费电量。
图5某住户日消费总电量的月变动实测值
地下水源闭环热泵空调系统的能耗分析――北京嘉和丽园公寓楼空调系统实测调查 :