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

目錄HYPERLINK"二、設(shè)備選型分分析1HYPERLINK"四、集中型熱泵泵系統(tǒng)設(shè)計參參數(shù)優(yōu)化建議議13熱泵系統(tǒng)的設(shè)計計參數(shù)與運行行情況是否相相符會對系統(tǒng)統(tǒng)的投資與運運行能耗、能能效有很大影影響，是衡量量系統(tǒng)設(shè)計水水平的一個重重要依據(jù)。王王靖華等人對對空氣源熱泵泵熱水系統(tǒng)的的設(shè)計參數(shù)進進行了探討，指指出空氣源熱熱泵容量選型型不當(dāng)將會影影響機組實際際運行的高效效性和可靠性性。馬珂妍等等人分析了嚴(yán)嚴(yán)寒地區(qū)地源源熱泵系統(tǒng)關(guān)關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)數(shù)對系統(tǒng)運行行特性的影響響，并在系統(tǒng)統(tǒng)運行特性分分析的基礎(chǔ)上上，考慮多種種因素相互作作用，對影響響地源熱泵系系統(tǒng)運行的關(guān)關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)數(shù)進行逐項分分析并給出了了優(yōu)化方法。江江凱等人強調(diào)調(diào)了在設(shè)計和和布置地源熱熱泵系統(tǒng)地埋埋管換熱器時時，需要考慮慮實際運行情情況，不能盲盲目采用標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)或經(jīng)驗公式式中給出的設(shè)設(shè)計指標(biāo)。筆筆者在《集中中式電驅(qū)動水水-水熱泵機組組制熱工況運運行能效實測測分析》《集集中型熱泵供供暖系統(tǒng)輸配配能效實測分分析》2篇文章中提提出，熱泵機機組選型過大大、輸配系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計或選型型不當(dāng)將會在在一定程度上上增大熱泵系系統(tǒng)的實際運運行能耗。由由此可見，熱熱泵系統(tǒng)能否否發(fā)揮出其真真實能效，與與系統(tǒng)設(shè)計和和實際運行情情況有很大的的關(guān)系。為此，筆者統(tǒng)計計了我國北方方寒冷地區(qū)某某城市18個集中型熱熱泵供暖系統(tǒng)統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)數(shù)，并與其實實際運行數(shù)據(jù)據(jù)進行對比分分析。調(diào)研的的熱泵系統(tǒng)涉涉及地埋管地地源熱泵系統(tǒng)統(tǒng)與水源熱泵泵系統(tǒng)，建筑筑功能包括住住宅、辦公樓樓、賓館等。探探討了這些熱熱泵系統(tǒng)設(shè)計計參數(shù)的合理理性，并總結(jié)結(jié)了系統(tǒng)設(shè)計計的幾個典型型問題。表1為所調(diào)研的的18個集中型熱熱泵供暖系統(tǒng)統(tǒng)的基本信息息。

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

熱泵泵容量選型調(diào)研項目所在城城市位于我國國寒冷A區(qū)，供暖度度日數(shù)HDD18為24011℃?d，計算供暖暖期室外平均均溫度為2.1℃，最低氣溫溫約為—10℃。當(dāng)?shù)氐臒釤岜孟到y(tǒng)主要要用于解決冬冬季供暖需求求，兼顧夏季季供冷功能，裝裝機容量一般般由冬季熱負(fù)負(fù)荷決定。對對各調(diào)研項目目的單位建筑筑面積裝機容容量進行統(tǒng)計計，結(jié)果如圖圖1所示。

圖1熱泵機機組裝機容量量由圖1可以看出出，不同系統(tǒng)統(tǒng)裝機容量差差異較大。對對于供暖裝機機容量，其均均值和中位數(shù)數(shù)分別為58.0W/m2和40.0W/m2。如圖2a所示，供暖暖裝機容量有有18%的系統(tǒng)小于30W//m2，41%的系統(tǒng)在30~500W/m22之間，12%的系統(tǒng)在50~700W/m22之間，29%的系統(tǒng)高于70W//m2。最小值為為項目M的14W//m2，最大值為為項目Q的166WW/m2，遠(yuǎn)高于JGJ226—2010《嚴(yán)寒和寒寒冷地區(qū)居住住建筑節(jié)能設(shè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》給給出的當(dāng)?shù)?4層以上建筑筑物耗熱量指指標(biāo)8.8WW/m2。在這種情情況下，如果果熱泵機組單單臺選型過大大或群控策略略不當(dāng)，將會會導(dǎo)致機組長長期運行在低低負(fù)荷率下，嚴(yán)嚴(yán)重降低機組組的運行性能能。對于供冷冷裝機容量，其其均值和中位位數(shù)分別為65.0W/m2和53.0W/m2。如圖2b所示，供冷冷裝機容量有有14%的系統(tǒng)小于30W//m2，29%的系統(tǒng)在30~500W/m22之間，21%的系統(tǒng)在50~700W/m22之間，36%的系統(tǒng)高于70W//m2。圖2裝機容量量統(tǒng)計在實際調(diào)研過程程中，上述問問題普遍存在在于各個系統(tǒng)統(tǒng)中。供暖裝裝機容量最大大的項目Q為辦公建筑筑，通過運行行記錄分析發(fā)發(fā)現(xiàn)，其冬季季尖峰熱負(fù)荷荷僅為11.1W/m2，遠(yuǎn)小于供供暖裝機容量量。相比之下下，也有供暖暖裝機容量較較為合理的項項目，其中，居居住建筑項目目K供暖裝機指指標(biāo)為31W//m2，與實際負(fù)負(fù)荷最為接近近，最冷情況況下設(shè)備全開開恰好能滿足足末端供暖需需求。而與項項目K供暖裝機容容量相同的項項目N，由于地處處近郊，入住住率僅為20%。當(dāng)前入住住率下該項目目實際運行中中尖峰熱負(fù)荷荷為11.2W/m2，僅為裝機機容量的35%。但當(dāng)該項項目入住率達(dá)達(dá)到100%之后，折算算得到的單位位面積尖峰熱熱負(fù)荷為55.4W/m2，當(dāng)前裝機機容量無法滿滿足供暖需求求。將所調(diào)研的項目目根據(jù)居住建建筑和公共建建筑分類，分分別統(tǒng)計其熱熱泵供暖和供供冷裝機容量量，結(jié)果如圖圖3所示。圖3居住建筑筑、公共建筑筑供暖供冷裝裝機容量對比比在所調(diào)研的188個項目中，住住宅項目供暖暖裝機容量的的均值和中位位數(shù)分別為49.0W/m2和38.0W/m2，上下四分分位數(shù)分別為為30.0W/m2和65.0W/m2。而公共建建筑項目供暖暖裝機容量的的均值和中位位數(shù)分別為68.1W/m2和58.5W/m2，上下四分分位數(shù)分別為為35.5W/m2和84.0W/m2。住宅項目供冷裝裝機容量的均均值和中位數(shù)數(shù)分別為48.7W/m2和38.0W/m2，上下四分分位數(shù)分別為為34.0W/m2和58.5W/m2。公共建筑筑項目的均值值和中位數(shù)分分別為81.3W/m2和73.0W/m2，上下四分分位數(shù)分別為為43.0W/m2和81.0W/m2。對于供暖、供冷冷裝機容量，公公共建筑項目目普遍高于住住宅項目。但但對于住宅項項目A，由于設(shè)計計機械新風(fēng)系系統(tǒng)，供暖和和供冷裝機容容量分別為95W//m2和104WW/m2。項目R末端采用散散熱器，供暖暖裝機容量為為97W//m2，均遠(yuǎn)高于于其余住宅項項目，甚至超超過了公共建建筑裝機容量量的平均值。在在設(shè)計時存在在選型過大的的問題。2.2

水泵泵揚程選型對于水泵選型，需需要確定其工工作點的流量量與揚程，確確保水泵在實實際工作中能能夠高效運行行。其中，水水泵流量由熱熱泵主機需求求的流量決定定，而揚程與與水系統(tǒng)設(shè)計計相關(guān)。在調(diào)調(diào)研過程中，筆筆者對18個項目水泵泵揚程選型進進行了統(tǒng)計，得得到了17個系統(tǒng)的熱熱水泵揚程選選型和15個系統(tǒng)的熱熱源泵揚程選選型，統(tǒng)計結(jié)結(jié)果如圖4所示。圖4水泵額定定揚程其中項目G、項項目K負(fù)荷側(cè)為二二級泵系統(tǒng)，且且均位于供暖暖站，此處統(tǒng)統(tǒng)計結(jié)果為一一級泵和二級級泵的總揚程程。項目F為二級泵系系統(tǒng)，其中二二級泵位于末末端，此處僅僅統(tǒng)計一級泵泵揚程。項目目M為三級泵系系統(tǒng)，三級泵泵位于末端，此此處統(tǒng)計的為為一、二級泵泵總揚程。其其余項目均為為一級泵系統(tǒng)統(tǒng)。對于熱水泵揚程程選型，其均均值和中位數(shù)數(shù)分別為33.9m和30.0m，最大值為為項目K的61.0m，最小值為為項目I的20.0m。其中熱水水系統(tǒng)采用二二級泵或三級級泵的項目G，K，M，其熱水泵泵總揚程選型型的均值和中中位數(shù)分別為為54.3m和57.0m。而采用一一級泵系統(tǒng)以以及只考慮一一級泵揚程的的14個項目，熱熱水泵揚程選選型的均值和和中位數(shù)分別別為29.6m和28.0m。對于熱源水系統(tǒng)統(tǒng)，其均值和和中位數(shù)分別別為32.5m和30.0m，最大值為為項目L的42.0m，最小值為為項目A的27.0m。根據(jù)熱源源形式不同可可以將所調(diào)研研的項目分為為地埋管地源源熱泵系統(tǒng)和和水源熱泵系系統(tǒng)。其中地地埋管地源熱熱泵項目熱源源泵揚程選型型的均值和中中位數(shù)分別為為32.2m和30.0m。所調(diào)研的的水源熱泵項項目O和項目Q的熱源泵揚揚程選型分別別為34.0m和35.0m?？梢钥闯龀?，在調(diào)研的的15個系統(tǒng)的熱熱源泵揚程選選型中，熱源源側(cè)采用地埋埋管地源熱泵泵的系統(tǒng)和采采用水源熱泵泵的系統(tǒng)熱源源泵揚程并無無較大差異。筆者將水泵實際際運行揚程與與額定值進行行了對比統(tǒng)計計，結(jié)果如圖圖5所示。圖5水泵運行行揚程與額定定揚程統(tǒng)計其中，熱水泵實實際運行揚程程的均值和中中位數(shù)分別為為24.7m和26.0m。而熱源泵泵實際運行揚揚程的均值和和中位數(shù)分別別為25.1m和27.0m。由此可見見，水泵實際際運行揚程整整體要低于額額定揚程。主主要原因是在在系統(tǒng)設(shè)計階階段，水泵選選型普遍附加加了過高的安安全余量。但但是，也有很很多系統(tǒng)運行行過程中由于于未能對系統(tǒng)統(tǒng)進行及時維維保，如過濾濾器、換熱器器臟堵未及時時清洗或更換換等，使得管管網(wǎng)阻力增大大，高于其額額定揚程。如如項目D，其熱源泵泵與熱水泵揚揚程選型均為為30m。但熱源泵泵實際運行揚揚程為34m，高于額定定值，主要原原因為地源側(cè)側(cè)大部分地埋埋管支路未開開啟，導(dǎo)致系系統(tǒng)阻力偏大大，僅地埋管管管路就有20m的阻力，而而項目D熱水泵實際際運行揚程僅僅為22m，遠(yuǎn)低于額額定值。這2種情況都會會導(dǎo)致水泵的的工作點偏離離額定工況點點，偏離較大大時水泵效率率可能會大幅幅下降，輸配配能耗上升；；另一方面，還還會影響系統(tǒng)統(tǒng)流量，不利利于換熱設(shè)備備的運行效果果。2.3

輸配配系統(tǒng)供回水水溫差設(shè)計輸配系統(tǒng)供回水水溫差決定了了系統(tǒng)的流量量，直接影響響了系統(tǒng)的輸輸配能耗，筆筆者在調(diào)研過過程中，對熱熱源水系統(tǒng)以以及熱水一次次水系統(tǒng)的供供回水溫差的的實際值與設(shè)設(shè)計值進行了了統(tǒng)計，結(jié)果果如圖6所示。圖6輸配系統(tǒng)統(tǒng)供回水溫差差統(tǒng)計統(tǒng)計結(jié)果顯示，熱熱源水系統(tǒng)設(shè)設(shè)計溫差的中中位數(shù)為5.0℃，上、下四四分位數(shù)分別別為4.3℃和5.0℃，而實際運運行溫差的中中位數(shù)為3.2℃，上、下四四分位數(shù)分別別為2.7℃和3.5℃。對于熱水水一次側(cè)，其其設(shè)計溫差的的中位數(shù)為5.0℃，上、下四四分位數(shù)均為為5.0℃，而實際運運行溫差的中中位數(shù)為4.0℃，上、下四四分位數(shù)分別別為3.5℃和5.0℃。由此可見，在調(diào)調(diào)研的項目中中，熱源水和和熱水輸配系系統(tǒng)供回水溫溫差普遍低于于設(shè)計值，導(dǎo)導(dǎo)致系統(tǒng)流量量偏大?！都行蜔岜霉┕┡到y(tǒng)輸配配能效實測分分析》中指出出，造成系統(tǒng)統(tǒng)大流量、小小溫差的原因因主要為管網(wǎng)網(wǎng)末端水力不不平衡，末端端冷熱不勻，運運行人員只能能通過加大系系統(tǒng)整體流量量以保障不利利末端的供暖暖需求。另一一方面，由于于熱泵機組群群控策略不當(dāng)當(dāng)，為了確保保熱泵機組蒸蒸發(fā)器、冷凝凝器水流量接接近額定值，當(dāng)當(dāng)熱泵機組開開啟臺數(shù)過多多時，也可能能出現(xiàn)整體大大流量、小溫溫差的情況。3.1

系統(tǒng)統(tǒng)供暖能效除了設(shè)備的出力力情況之外，系系統(tǒng)能效也是是衡量一個系系統(tǒng)運行性能能的重要指標(biāo)標(biāo)，通過此次次調(diào)研，筆者者對系統(tǒng)各設(shè)設(shè)備能效水平平的設(shè)計值和和實際運行情情況進行了統(tǒng)統(tǒng)計，調(diào)研系系統(tǒng)的設(shè)計供供暖能效如表表2及圖7所示。表2設(shè)計工況況圖7系統(tǒng)設(shè)計計供暖能效系統(tǒng)的單位熱量量總能耗設(shè)計計值在0.21~~0.56kW?h/(kW?h)之間，均值值和中位數(shù)分分別為0.31，0.30kW?h/(kW?h)，其中主機機單位熱量的的能耗在0.18~~0.31kW?h/(kW?h)之間，均值值和中位數(shù)均均為0.24kW?h/(kW?h)；熱水泵單單位熱量的能能耗在0.01~~0.06kW?h/(kW?h)之間，均值值和中位數(shù)均均為0.03kW?h/(kW?h)；熱源泵單單位熱量的電電耗在0.01~~0.24kW?h/(kW?h)之間。項目Q熱源泵單位位熱量的能耗耗為0.24kW?h/(kW?h)，遠(yuǎn)高于其其他項目，排排除特殊的項項目Q后，統(tǒng)計得得到熱源泵單單位熱量的能能耗均值為0.03kW?h/(kW?h)。其中單位熱量系系統(tǒng)能耗最高高的為項目Q，其能耗偏偏高的主要原原因為，熱源源側(cè)為海水源源，出于防凍凍考慮采用了了間接連接系系統(tǒng)。海水與與熱泵機組之之間增加了乙乙二醇溶液作作為中間介質(zhì)質(zhì)，熱源側(cè)配配置了海水泵泵與乙二醇泵泵2組水泵，且且水泵的設(shè)計計揚程及功率率均較大，乙乙二醇泵的揚揚程選型高達(dá)達(dá)45m。而同樣以以海水為熱源源的項目N設(shè)計為海水水直連式系統(tǒng)統(tǒng)，海水直接接進入熱泵機機組，其熱源源泵功耗遠(yuǎn)低低于項目Q。實際投入入運行后，項項目N一直運行正正常，沒有出出現(xiàn)熱源側(cè)溫溫度過低導(dǎo)致致凍裂的現(xiàn)象象。隨后，筆者對調(diào)調(diào)研項目的14個系統(tǒng)典型型工況下供暖暖能效的實測測瞬時結(jié)果進進行了統(tǒng)計，結(jié)結(jié)果如表3和圖8所示。系統(tǒng)統(tǒng)運行的典型型工況下單位位熱量系統(tǒng)總總能耗在0.2~00.52kkW?h/(kW?h)之間，均值值和中位數(shù)分分別為0.33，0.34kW?h/(kW?h)。主機能耗耗在0.14~~0.43kW?h/(kW?h)之間，均值值和中位數(shù)分分別為0.26，0.25kW?h/(kW?h)；熱水泵能能耗在0.01~~0.06kW?h/(kW?h)之間，均值值和中位數(shù)均均為0.03kW?h/(kW?h)；熱源泵能能耗在0.01~~0.11kW?h/(kW?h)之間，均值值和中位數(shù)均均為0.03kW?h/(kW?h)。表3典型工況況實測值

圖8系統(tǒng)典型型工況運行供供暖能效其中，實際運行行性能最佳的的為項目O，其設(shè)計單單位制熱量電電耗為0.23kW?h/(kW?h)，相當(dāng)于系系統(tǒng)COP為4.3；其中主機機電耗為0.2kkW?h/(kW?h)，相當(dāng)于COOP為5。而實際運運行能效高于于設(shè)計值，單單位制熱量電電耗僅為0.2kkW?h/(kW?h)，相當(dāng)于系系統(tǒng)COP達(dá)到5；主機電耗耗為0.18kW?h/(kW?h)，相當(dāng)于COOP為5.5。而實際運運行性能最低低的為項目E，其單位熱熱量能耗高達(dá)達(dá)0.52kW?h/(kW?h)，供應(yīng)相同同熱量時能耗耗為項目O的2.6倍。圖9顯示了以上上14個系統(tǒng)單位位熱量系統(tǒng)總總能耗設(shè)計值值和實測值的的對比情況。調(diào)調(diào)研結(jié)果顯示示，14個系統(tǒng)實際際運行的單位位熱量能耗普普遍高于相應(yīng)應(yīng)的設(shè)計值，這這與系統(tǒng)管理理維護有很大大關(guān)系。《集集中式電驅(qū)動動水-水熱泵機組組制熱工況運運行能效實測測分析》《集集中型熱泵供供暖系統(tǒng)輸配配能效實測分分析》2篇文章對這這一問題作了了充分的描述述，指出需要要對熱泵供暖暖系統(tǒng)的設(shè)計計選型、設(shè)備備調(diào)試、運行行策略以及維維護保養(yǎng)等環(huán)環(huán)節(jié)進行嚴(yán)格格把控，充分分發(fā)揮熱泵系系統(tǒng)的制熱能能效。圖9系統(tǒng)供暖暖能效設(shè)計值值與實測值對對比

3.2系統(tǒng)供冷冷能效在所調(diào)研的熱泵泵系統(tǒng)中，有有部分系統(tǒng)同同時兼具供冷冷功能，筆者者對其設(shè)計供供冷能效進行行了統(tǒng)計，結(jié)結(jié)果如圖10所示。圖10系統(tǒng)設(shè)設(shè)計供冷能效效系統(tǒng)的單位冷量量總能耗設(shè)計計值在0.16~~0.37kW?h/(kW?h)之間，均值值和中位數(shù)均均為0.25kW?h/(kW?h)，主機能耗耗在0.14~~0.23kW?h/(kW?h)之間，均值值和中位數(shù)分分別為0.18，0.19kW?h/(kW?h)；冷水泵能能耗在0.01~~0.05kW?h/(kW?h)之間，均值值和中位數(shù)分分別為0.04，0.03kW?h/(kW?h)；冷卻水泵泵能耗在0.01~~0.18kW?h/(kW?h)之間，同樣樣，排除特殊殊的項目Q后，均值和和中位數(shù)均為為0.03kW?h/(kW?h)。對上述同時兼具具供冷功能的的熱泵系統(tǒng)中中的4個項目夏季季實際運行能能效進行測試試統(tǒng)計，結(jié)果果如圖11所示。4個系統(tǒng)的典典型運行工況況下平均單位位冷量總能耗耗、主機能耗耗、冷水泵能能耗和冷卻水水泵能耗分別別為0.32，0.23，0.04，0.05kW?h/(kW?h)。除了項目M實際運行能能效高于其設(shè)設(shè)計指標(biāo)外，其其他3個項目的運運行能效均低低于設(shè)計指標(biāo)標(biāo)。圖11部分系系統(tǒng)典型工況況運行供冷能能效熱泵系統(tǒng)作為可可再生能源一一度受到大力力推廣。然而而在應(yīng)用過程程中，有大量量項目暴露出出舒適性差、能能效水平低、運運行成本高等等問題。通過過實測調(diào)研發(fā)發(fā)現(xiàn)，熱泵系系統(tǒng)實際運行行能效普遍低低于其設(shè)計值值。筆者在《集中式式電驅(qū)動水-水熱泵機組組制熱工況運運行能效實測測分析》《集集中型熱泵供供暖系統(tǒng)輸配配能效實測分分析》2篇文章對集集中型熱泵供供暖系統(tǒng)在實實際運行過程程中存在的典典型問題進行行了分析。如如圖12，13所示，可以以總結(jié)為供熱熱量高以及運運行能效低2類問題，共共同導(dǎo)致了集集中型熱泵供供暖系統(tǒng)在實實際運行過程程中能耗偏高高。在實際運運行過程中，無無論是熱泵機機組、輸配系系統(tǒng)還是末端端設(shè)備，任何何一個環(huán)節(jié)出出現(xiàn)問題，都都會導(dǎo)致系統(tǒng)統(tǒng)整體運行性性能的降低。圖12集中型型熱泵供暖系系統(tǒng)供熱量高高的典型問題題圖13集中型型熱泵供暖系系統(tǒng)能效低的的典型問題這一方面是由于于系統(tǒng)在實際際運行過程中中的管理與維維護不當(dāng)導(dǎo)致致的。另一方方面，也與系系統(tǒng)的設(shè)計、選選型有很大關(guān)關(guān)系。系統(tǒng)設(shè)設(shè)計、選型不不佳將無法為為實際運行提提供保障和操操作空間，也也是導(dǎo)致運行行效果不佳的的關(guān)鍵問題。從本文調(diào)研的熱熱泵系統(tǒng)來看看，各項目在在設(shè)計階段都都只針對設(shè)計計工況的負(fù)荷荷進行了計算算，