集中型熱泵系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)怎樣確定

目錄HYPERLINK\l_Toc30694_WPSOffice_Level1一、引言 1HYPERLINK\l_Toc32537_WPSOffice_Level1二、設(shè)備選型分析 1HYPERLINK\l_Toc32281_WPSOffice_Level1三、設(shè)計能效分析 7HYPERLINK\l_Toc31677_WPSOffice_Level1四、集中型熱泵系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)優(yōu)化建議 13熱泵系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)與運行情況是否相符會對系統(tǒng)的投資與運行能耗、能效有很大影響，是衡量系統(tǒng)設(shè)計水平的一個重要依據(jù)。王靖華等人對空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)進行了探討，指出空氣源熱泵容量選型不當(dāng)將會影響機組實際運行的高效性和可靠性。馬珂妍等人分析了嚴寒地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)對系統(tǒng)運行特性的影響，并在系統(tǒng)運行特性分析的基礎(chǔ)上，考慮多種因素相互作用，對影響地源熱泵系統(tǒng)運行的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)進行逐項分析并給出了優(yōu)化方法。江凱等人強調(diào)了在設(shè)計和布置地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器時，需要考慮實際運行情況，不能盲目采用標(biāo)準或經(jīng)驗公式中給出的設(shè)計指標(biāo)。筆者在《集中式電驅(qū)動水-水熱泵機組制熱工況運行能效實測分析》《集中型熱泵供暖系統(tǒng)輸配能效實測分析》2篇文章中提出，熱泵機組選型過大、輸配系統(tǒng)設(shè)計或選型不當(dāng)將會在一定程度上增大熱泵系統(tǒng)的實際運行能耗。由此可見，熱泵系統(tǒng)能否發(fā)揮出其真實能效，與系統(tǒng)設(shè)計和實際運行情況有很大的關(guān)系。為此，筆者統(tǒng)計了我國北方寒冷地區(qū)某城市18個集中型熱泵供暖系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，并與其實際運行數(shù)據(jù)進行對比分析。調(diào)研的熱泵系統(tǒng)涉及地埋管地源熱泵系統(tǒng)與水源熱泵系統(tǒng)，建筑功能包括住宅、辦公樓、賓館等。探討了這些熱泵系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)的合理性，并總結(jié)了系統(tǒng)設(shè)計的幾個典型問題。表1為所調(diào)研的18個集中型熱泵供暖系統(tǒng)的基本信息。

表1調(diào)研項目基本信息所調(diào)研的18個項目，根據(jù)熱源形式可以分為地埋管熱泵系統(tǒng)(11個)、污水源熱泵系統(tǒng)(2個)、海水源熱泵系統(tǒng)(4個)以及空氣源熱泵系統(tǒng)(1個)。建筑功能主要包括住宅和公共建筑2類，其中住宅項目10個(含有住宅及其他功能的項目以住宅為主的均歸為住宅類)，公共建筑8個（包括學(xué)校、醫(yī)院、辦公樓、商業(yè)、酒店、工廠）。末端形式包含了常見的幾類形式：全空氣系統(tǒng)、風(fēng)機盤管+新風(fēng)系統(tǒng)、散熱器、輻射地板等。筆者將分別從設(shè)備選型、設(shè)計能效兩方面對以上18個項目進行分析。2.1

熱泵容量選型調(diào)研項目所在城市位于我國寒冷A區(qū)，供暖度日數(shù)HDD18為2401℃?d，計算供暖期室外平均溫度為2.1℃，最低氣溫約為—10℃。當(dāng)?shù)氐臒岜孟到y(tǒng)主要用于解決冬季供暖需求，兼顧夏季供冷功能，裝機容量一般由冬季熱負荷決定。對各調(diào)研項目的單位建筑面積裝機容量進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖1所示。

圖1熱泵機組裝機容量由圖1可以看出，不同系統(tǒng)裝機容量差異較大。對于供暖裝機容量，其均值和中位數(shù)分別為58.0W/m2和40.0W/m2。如圖2a所示，供暖裝機容量有18%的系統(tǒng)小于30W/m2，41%的系統(tǒng)在30~50W/m2之間，12%的系統(tǒng)在50~70W/m2之間，29%的系統(tǒng)高于70W/m2。最小值為項目M的14W/m2，最大值為項目Q的166W/m2，遠高于JGJ26—2010《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準》給出的當(dāng)?shù)?4層以上建筑物耗熱量指標(biāo)8.8W/m2。在這種情況下，如果熱泵機組單臺選型過大或群控策略不當(dāng)，將會導(dǎo)致機組長期運行在低負荷率下，嚴重降低機組的運行性能。對于供冷裝機容量，其均值和中位數(shù)分別為65.0W/m2和53.0W/m2。如圖2b所示，供冷裝機容量有14%的系統(tǒng)小于30W/m2，29%的系統(tǒng)在30~50W/m2之間，21%的系統(tǒng)在50~70W/m2之間，36%的系統(tǒng)高于70W/m2。圖2裝機容量統(tǒng)計在實際調(diào)研過程中，上述問題普遍存在于各個系統(tǒng)中。供暖裝機容量最大的項目Q為辦公建筑，通過運行記錄分析發(fā)現(xiàn)，其冬季尖峰熱負荷僅為11.1W/m2，遠小于供暖裝機容量。相比之下，也有供暖裝機容量較為合理的項目，其中，居住建筑項目K供暖裝機指標(biāo)為31W/m2，與實際負荷最為接近，最冷情況下設(shè)備全開恰好能滿足末端供暖需求。而與項目K供暖裝機容量相同的項目N，由于地處近郊，入住率僅為20%。當(dāng)前入住率下該項目實際運行中尖峰熱負荷為11.2W/m2，僅為裝機容量的35%。但當(dāng)該項目入住率達到100%之后，折算得到的單位面積尖峰熱負荷為55.4W/m2，當(dāng)前裝機容量無法滿足供暖需求。將所調(diào)研的項目根據(jù)居住建筑和公共建筑分類，分別統(tǒng)計其熱泵供暖和供冷裝機容量，結(jié)果如圖3所示。圖3居住建筑、公共建筑供暖供冷裝機容量對比在所調(diào)研的18個項目中，住宅項目供暖裝機容量的均值和中位數(shù)分別為49.0W/m2和38.0W/m2，上下四分位數(shù)分別為30.0W/m2和65.0W/m2。而公共建筑項目供暖裝機容量的均值和中位數(shù)分別為68.1W/m2和58.5W/m2，上下四分位數(shù)分別為35.5W/m2和84.0W/m2。住宅項目供冷裝機容量的均值和中位數(shù)分別為48.7W/m2和38.0W/m2，上下四分位數(shù)分別為34.0W/m2和58.5W/m2。公共建筑項目的均值和中位數(shù)分別為81.3W/m2和73.0W/m2，上下四分位數(shù)分別為43.0W/m2和81.0W/m2。對于供暖、供冷裝機容量，公共建筑項目普遍高于住宅項目。但對于住宅項目A，由于設(shè)計機械新風(fēng)系統(tǒng)，供暖和供冷裝機容量分別為95W/m2和104W/m2。項目R末端采用散熱器，供暖裝機容量為97W/m2，均遠高于其余住宅項目，甚至超過了公共建筑裝機容量的平均值。在設(shè)計時存在選型過大的問題。2.2

水泵揚程選型對于水泵選型，需要確定其工作點的流量與揚程，確保水泵在實際工作中能夠高效運行。其中，水泵流量由熱泵主機需求的流量決定，而揚程與水系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)。在調(diào)研過程中，筆者對18個項目水泵揚程選型進行了統(tǒng)計，得到了17個系統(tǒng)的熱水泵揚程選型和15個系統(tǒng)的熱源泵揚程選型，統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示。圖4水泵額定揚程其中項目G、項目K負荷側(cè)為二級泵系統(tǒng)，且均位于供暖站，此處統(tǒng)計結(jié)果為一級泵和二級泵的總揚程。項目F為二級泵系統(tǒng)，其中二級泵位于末端，此處僅統(tǒng)計一級泵揚程。項目M為三級泵系統(tǒng)，三級泵位于末端，此處統(tǒng)計的為一、二級泵總揚程。其余項目均為一級泵系統(tǒng)。對于熱水泵揚程選型，其均值和中位數(shù)分別為33.9m和30.0m，最大值為項目K的61.0m，最小值為項目I的20.0m。其中熱水系統(tǒng)采用二級泵或三級泵的項目G，K，M，其熱水泵總揚程選型的均值和中位數(shù)分別為54.3m和57.0m。而采用一級泵系統(tǒng)以及只考慮一級泵揚程的14個項目，熱水泵揚程選型的均值和中位數(shù)分別為29.6m和28.0m。對于熱源水系統(tǒng)，其均值和中位數(shù)分別為32.5m和30.0m，最大值為項目L的42.0m，最小值為項目A的27.0m。根據(jù)熱源形式不同可以將所調(diào)研的項目分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)和水源熱泵系統(tǒng)。其中地埋管地源熱泵項目熱源泵揚程選型的均值和中位數(shù)分別為32.2m和30.0m。所調(diào)研的水源熱泵項目O和項目Q的熱源泵揚程選型分別為34.0m和35.0m?？梢钥闯?，在調(diào)研的15個系統(tǒng)的熱源泵揚程選型中，熱源側(cè)采用地埋管地源熱泵的系統(tǒng)和采用水源熱泵的系統(tǒng)熱源泵揚程并無較大差異。筆者將水泵實際運行揚程與額定值進行了對比統(tǒng)計，結(jié)果如圖5所示。圖5水泵運行揚程與額定揚程統(tǒng)計其中，熱水泵實際運行揚程的均值和中位數(shù)分別為24.7m和26.0m。而熱源泵實際運行揚程的均值和中位數(shù)分別為25.1m和27.0m。由此可見，水泵實際運行揚程整體要低于額定揚程。主要原因是在系統(tǒng)設(shè)計階段，水泵選型普遍附加了過高的安全余量。但是，也有很多系統(tǒng)運行過程中由于未能對系統(tǒng)進行及時維保，如過濾器、換熱器臟堵未及時清洗或更換等，使得管網(wǎng)阻力增大，高于其額定揚程。如項目D，其熱源泵與熱水泵揚程選型均為30m。但熱源泵實際運行揚程為34m，高于額定值，主要原因為地源側(cè)大部分地埋管支路未開啟，導(dǎo)致系統(tǒng)阻力偏大，僅地埋管管路就有20m的阻力，而項目D熱水泵實際運行揚程僅為22m，遠低于額定值。這2種情況都會導(dǎo)致水泵的工作點偏離額定工況點，偏離較大時水泵效率可能會大幅下降，輸配能耗上升；另一方面，還會影響系統(tǒng)流量，不利于換熱設(shè)備的運行效果。2.3

輸配系統(tǒng)供回水溫差設(shè)計輸配系統(tǒng)供回水溫差決定了系統(tǒng)的流量，直接影響了系統(tǒng)的輸配能耗，筆者在調(diào)研過程中，對熱源水系統(tǒng)以及熱水一次水系統(tǒng)的供回水溫差的實際值與設(shè)計值進行了統(tǒng)計，結(jié)果如圖6所示。圖6輸配系統(tǒng)供回水溫差統(tǒng)計統(tǒng)計結(jié)果顯示，熱源水系統(tǒng)設(shè)計溫差的中位數(shù)為5.0℃，上、下四分位數(shù)分別為4.3℃和5.0℃，而實際運行溫差的中位數(shù)為3.2℃，上、下四分位數(shù)分別為2.7℃和3.5℃。對于熱水一次側(cè)，其設(shè)計溫差的中位數(shù)為5.0℃，上、下四分位數(shù)均為5.0℃，而實際運行溫差的中位數(shù)為4.0℃，上、下四分位數(shù)分別為3.5℃和5.0℃。由此可見，在調(diào)研的項目中，熱源水和熱水輸配系統(tǒng)供回水溫差普遍低于設(shè)計值，導(dǎo)致系統(tǒng)流量偏大?！都行蜔岜霉┡到y(tǒng)輸配能效實測分析》中指出，造成系統(tǒng)大流量、小溫差的原因主要為管網(wǎng)末端水力不平衡，末端冷熱不勻，運行人員只能通過加大系統(tǒng)整體流量以保障不利末端的供暖需求。另一方面，由于熱泵機組群控策略不當(dāng)，為了確保熱泵機組蒸發(fā)器、冷凝器水流量接近額定值，當(dāng)熱泵機組開啟臺數(shù)過多時，也可能出現(xiàn)整體大流量、小溫差的情況。3.1

系統(tǒng)供暖能效除了設(shè)備的出力情況之外，系統(tǒng)能效也是衡量一個系統(tǒng)運行性能的重要指標(biāo)，通過此次調(diào)研，筆者對系統(tǒng)各設(shè)備能效水平的設(shè)計值和實際運行情況進行了統(tǒng)計，調(diào)研系統(tǒng)的設(shè)計供暖能效如表2及圖7所示。表2設(shè)計工況圖7系統(tǒng)設(shè)計供暖能效系統(tǒng)的單位熱量總能耗設(shè)計值在0.21~0.56kW?h/(kW?h)之間，均值和中位數(shù)分別為0.31，0.30kW?h/(kW?h)，其中主機單位熱量的能耗在0.18~0.31kW?h/(kW?h)之間，均值和中位數(shù)均為0.24kW?h/(kW?h)；熱水泵單位熱量的能耗在0.01~0.06kW?h/(kW?h)之間，均值和中位數(shù)均為0.03kW?h/(kW?h)；熱源泵單位熱量的電耗在0.01~0.24kW?h/(kW?h)之間。項目Q熱源泵單位熱量的能耗為0.24kW?h/(kW?h)，遠高于其他項目，排除特殊的項目Q后，統(tǒng)計得到熱源泵單位熱量的能耗均值為0.03kW?h/(kW?h)。其中單位熱量系統(tǒng)能耗最高的為項目Q，其能耗偏高的主要原因為，熱源側(cè)為海水源，出于防凍考慮采用了間接連接系統(tǒng)。海水與熱泵機組之間增加了乙二醇溶液作為中間介質(zhì)，熱源側(cè)配置了海水泵與乙二醇泵2組水泵，且水泵的設(shè)計揚程及功率均較大，乙二醇泵的揚程選型高達45m。而同樣以海水為熱源的項目N設(shè)計為海水直連式系統(tǒng)，海水直接進入熱泵機組，其熱源泵功耗遠低于項目Q。實際投入運行后，項目N一直運行正常，沒有出現(xiàn)熱源側(cè)溫度過低導(dǎo)致凍裂的現(xiàn)象。隨后，筆者對調(diào)研項目的14個系統(tǒng)典型工況下供暖能效的實測瞬時結(jié)果進行了統(tǒng)計，結(jié)果如表3和圖8所示。系統(tǒng)運行的典型工況下單位熱量系統(tǒng)總能耗在0.2~0.52kW?h/(kW?h)之間，均值和中位數(shù)分別為0.33，0.34kW?h/(kW?h)。主機能耗在0.14~0.43kW?h/(kW?h)之間，均值和中位數(shù)分別為0.26，0.25kW?h/(kW?h)；熱水泵能耗在0.01~0.06kW?h/(kW?h)之間，均值和中位數(shù)均為0.03kW?h/(kW?h)；熱源泵能耗在0.01~0.11kW?h/(kW?h)之間，均值和中位數(shù)均為0.03kW?h/(kW?h)。表3典型工況實測值

圖8系統(tǒng)典型工況運行供暖能效其中，實際運行性能最佳的為項目O，其設(shè)計單位制熱量電耗為0.23kW?h/(kW?h)，相當(dāng)于系統(tǒng)COP為4.3；其中主機電耗為0.2kW?h/(kW?h)，相當(dāng)于COP為5。而實際運行能效高于設(shè)計值，單位制熱量電耗僅為0.2kW?h/(kW?h)，相當(dāng)于系統(tǒng)COP達到5；主機電耗為0.18kW?h/(kW?h)，相當(dāng)于COP為5.5。而實際運行性能最低的為項目E，其單位熱量能耗高達0.52kW?h/(kW?h)，供應(yīng)相同熱量時能耗為項目O的2.6倍。圖9顯示了以上14個系統(tǒng)單位熱量系統(tǒng)總能耗設(shè)計值和實測值的對比情況。調(diào)研結(jié)果顯示，14個系統(tǒng)實際運行的單位熱量能耗普遍高于相應(yīng)的設(shè)計值，這與系統(tǒng)管理維護有很大關(guān)系?！都惺诫婒?qū)動水-水熱泵機組制熱工況運行能效實測分析》《集中型熱泵供暖系統(tǒng)輸配能效實測分析》2篇文章對這一問題作了充分的描述，指出需要對熱泵供暖系統(tǒng)的設(shè)計選型、設(shè)備調(diào)試、運行策略以及維護保養(yǎng)等環(huán)節(jié)進行嚴格把控，充分發(fā)揮熱泵系統(tǒng)的制熱能效。圖9系統(tǒng)供暖能效設(shè)計值與實測值對比

3.2系統(tǒng)供冷能效在所調(diào)研的熱泵系統(tǒng)中，有部分系統(tǒng)同時兼具供冷功能，筆者對其設(shè)計供冷能效進行了統(tǒng)計，結(jié)果如圖10所示。圖10系統(tǒng)設(shè)計供冷能效系統(tǒng)的單位冷量總能耗設(shè)計值在0.16~0.37kW?h/(kW?h)之間，均值和中位數(shù)均為0.25kW?h/(kW?h)，主機能耗在0.14~0.23kW?h/(kW?h)之間，均值和中位數(shù)分別為0.18，0.19kW?h/(kW?h)；冷水泵能耗在0.01~0.05kW?h/(kW?h)之間，均值和中位數(shù)分別為0.04，0.03kW?h/(kW?h)；冷卻水泵能耗在0.01~0.18kW?h/(kW?h)之間，同樣，排除特殊的項目Q后，均值和中位數(shù)均為0.03kW?h/(kW?h)。對上述同時兼具供冷功能的熱泵系統(tǒng)中的4個項目夏季實際運行能效進行測試統(tǒng)計，結(jié)果如圖11所示。4個系統(tǒng)的典型運行工況下平均單位冷量總能耗、主機能耗、冷水泵能耗和冷卻水泵能耗分別為0.32，0.23，0.04，0.05kW?h/(kW?h)。除了項目M實際運行能效高于其設(shè)計指標(biāo)外，其他3個項目的運行能效均低于設(shè)計指標(biāo)。圖11部分系統(tǒng)典型工況運行供冷能效熱泵系統(tǒng)作為可再生能源一度受到大力推廣。然而在應(yīng)用過程中，有大量項目暴露出舒適性差、能效水平低、運行成本高等問題。通過實測調(diào)研發(fā)現(xiàn)，熱泵系統(tǒng)實際運行能效普遍低于其設(shè)計值。筆者在《集中式電驅(qū)動水-水熱泵機組制熱工況運行能效實測分析》《集中型熱泵供暖系統(tǒng)輸配能效實測分析》2篇文章對集中型熱泵供暖系統(tǒng)在實際運行過程中存在的典型問題進行了分析。如圖12，13所示，可以總結(jié)為供熱量高以及運行能效低2類問題，共同導(dǎo)致了集中型熱泵供暖系統(tǒng)在實際運行過程中能耗偏高。在實際運行過程中，無論是熱泵機組、輸配系統(tǒng)還是末端設(shè)備，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會導(dǎo)致系統(tǒng)整體運行性能的降低。圖12集中型熱泵供暖系統(tǒng)供熱量高的典型問題圖13集中型熱泵供暖系統(tǒng)能效低的典型問題這一方面是由于系統(tǒng)在實際運行過程中的管理與維護不當(dāng)導(dǎo)致的。另一方面，也與系統(tǒng)的設(shè)計、選型有很大關(guān)系。系統(tǒng)設(shè)計、選型不佳將無法為實際運行提供保障和操作空間，也是導(dǎo)致運行效果不佳的關(guān)鍵問題。從本文調(diào)研的熱