地下水源閉環熱泵空調系統的能耗分析——北京嘉和麗園公寓樓空調系統實測調查

論文類別:工學論文 > 工業設計論文
論文作者: 陳超 歐陽軍 孫鳳嶺
上傳時間:2006/1/22 16:30:00

摘要: 北京嘉和麗園住宅公寓楼的利用地下水源閉環熱泵空調系統是一個向系統引入外部低溫熱源的典型實例工程。為了對該空調系統的實際运行情況以及空調耗能情況進行定量的、綜合評價分析,1)筆者对該系統運行情況進行了實測調查,調查時間為2002年9月-2004年1月;2)根據實測调查數據的分析,對現有系统的運行、管理情況進行了分析和综合評述;3)提出了一套關于共用空調動力設備和末端空調水源熱泵機組消費電量的推算方法;4)根據所提出的推算方法,并結合實測調查數據對該公寓樓空調系統的能耗情況進行了定量的分析和評估。

關鍵詞: 實測調查 地下水源热泵空調 推算方法 空調消費電量

以井水為低值熱源的水——水热泵空調供暖(冷)系統,自20世紀90年代中期以後在我國發展十分迅速,北京地區也有了一些工程应用實例。筆者對北京嘉和麗園住宅公寓樓的利用地下水源閉環熱泵空調系統的運行情況进行了跟蹤實測調查,現将調查情況分述如下。

1 工程概況

  北京嘉和麗园住宅公寓樓的利用地下水源閉環熱泵空調系統為中美節約能源和保護環境合作示範項目,於2000年12月投入試运行,2001年7月正式運行。該住宅公寓樓由三座(A座、B座、C座)塔式建築構成,地上最高32層,地下3層,占地14175 ㎡,總建築面積87948.7㎡;公寓樓地面層以上為利用地下水源閉环熱泵空調系統、地下室為熱风采暖系統;設計空調冷/热負荷分別為64W/㎡和51.8 W/㎡,空調面積約為70000 ㎡。

1.1 深井

  空調系統利用的地下水源取自建在建築物周圍、深度約為170m的4眼井,井管徑為Φ500mm,井与井之間的距離約為120m;4眼井可開采水層累計深度約為50~160m,地下水位埋深約為18~20m,每眼井的設计出水流量約為200m3/h,每眼井分別配置了1臺額定電功率為45kW的深井水泵,作抽水泵用;井水設計出水溫度為12~14℃。本次調查深井水的含砂量為1/10000,深井水源系統的運行模式為[1]:
  深井抽水→分水缸→調節水池→一次泵→板式熱交換器↖←←再利用←←↙↘→蓄水池→集水缸→深井回灌

1.2 地下水抽回灌溫度控制

  4眼井中2抽2回灌,以保證地下水系統的均衡,抽、回灌水井不定期的交替使用;回灌方式為自然回灌。井水通過板式熱交換器與水源热泵環路進行熱交換,提供冷源或熱源。板式熱交換器的井水側(簡稱一次側)設置了3臺電功率為45kW的定流量泵(其中1臺為備用),水泵最大水流量為200m3/h,该泵同時負擔井水的回灌。夏季經一次泵送入板式熱交換器的井水設计溫度為14℃,板式熱交換器井水侧的設計溫升為10℃,當蓄水池溫度大於28℃时回灌;冬季經變頻泵送入板式熱交換器的井水設計溫度為14℃,板式熱交換器井水側的设計溫降為6℃,換熱後井水溫降至8℃再進行回灌;若井水溫度低於設計溫度,則投入備用鍋爐對井水進行輔助加熱,圖1為利用地下水源閉環熱泵空調系統原理圖。

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圖1利用地下水源閉環熱泵空調系統原理圖    圖2二次側空調水系統原理图

1.3 空調水系統
  圖2為板式熱交換器的循環水側(簡稱二次側)空調水系統原理圖。水系統采用雙管异程系統,並以第16層為界竖向分為高、低區;高、低區设計水流量均為360m3/h(後實際運行改為400m3/h)。各個水源熱泵机組相互並聯,組成封閉的雙管回路系統,通過板式熱交換器與地下水進行熱交換。在二次側的高、低區分別設置了3臺定流量循環泵(其中1台為備用),其額定電功率為30kW/臺,循環泵24小时連續運行。系統定壓方式均采用變頻泵補水定壓。

1.4 末端裝置

  公寓住宅均采用TRANE公司生产的戶式水源熱泵機組,每戶視空调面積的大小分設1~2臺熱泵機組,獨立控制。水環路將小型的水——空氣熱泵機組并聯在一起,環路水溫度為:夏季18-32℃,冬季12-6℃;全空氣系统,無組織進新風;為保證居住房間噪音的要求,風管内風速保持在4m/s以下,风口出風速在2.5m/s以下;在水源熱泵機組的回水管上分別設置了手動平衡閥和电磁閥,電磁閥與熱泵機組聯鎖,每臺熱泵機組均自带溫控器,當進回水溫差小于設定值時,電磁閥自動斷開。

2 調查內容及數据的采集

  本次調查時間為2002年9月—2004年1月,調查内容包括板式熱交換器一次侧(井水側)進/出水溫度t1進/ t1出;板式熱交換器二次側(空調水系統側)進/出水温度t2進/ t2出;深井水泵、板式熱交換器一次側水泵、板式熱交換器二次側循環水泵等水泵的運行狀況記錄及其水流量、每套公寓每天的消費電量。另外,為了解住宅建築室內熱濕环境狀況,重點對C座某復式結構房間的2臺熱泵機組水側的進/出水溫度、水流量、空氣側的送/回風溫度、送風量以及室內各房間的送/回風溫度等進行了調查。
  1)用電量記錄。物业管理部門有每天的人工抄電表記录,涉及到空調部分的用電量记錄有二部分:一部分是動力用電記錄,它包括電梯、非空調用水泵及其它動力用電設備、地下水源用深井水泵、一次側水泵和二次側空調用循環水泵等設備的消費電量记錄;另一部分是每個住戶每天的總用電量記錄(由每戶的電表直接讀取),它包括每個住戶照明、各種家電設备、個人電腦、通風換氣設備、水源熱泵機組等在內的消費總電量記錄,物業管理部門根據這一記錄收取住戶的電費。
  2)系統運行數據記錄。系統中各測点的運行數據的實時记錄,采用了TRANE公司開發的智能建築自控軟件TRACER SUMMIT 5.01對系統的运行情況進行即時記錄。該軟件可以根據物業管理部門設定的時间間隔,定時收集各檢測點的数據資料,並能顯示、記錄及管理,這些檢測的數據包括板式熱交換器一次側進 / 出水温度、二次側進 / 出水溫度、室外气溫、深井泵、一次泵、二次循環泵的開停情況、故障報警等;並以彩色圖象配合检測點的即時數據顯示,控制打印機打出定時報告及故障報告;同時還可對系統進行自動控制,將系統或和單機設備的运行模式編成時間自控,本次調查数據的采樣記錄是按每15分鐘更新一次數據設置的。
在數據處理过程中,對一些記錄明顯有誤的數據進行了剔除。

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3 系統運行基本情况

3.1深井水泵
  深井水泵的開停運行是根據調節池的水位來進行控制的。根據設計,對調節水池設置了5個液位控制點,分別控制深井泵的開停順序和運行方式以及聲光報警液位[2]。該系統自2000年12月試運行以來,深井水系統的運行基本正常,深井泵報警系統幾乎沒有過運行報警記錄。

3.2 井水溫度及一次側水溫差

  根据2003年2月25日~4月15日井水溫度的記錄,盡管室外日平均氣溫的波動較大(⊿tw= -6 ~19℃),但井水溫度t1進基本穩定在16℃左右,波動很小;而经過板式熱交換器後的井水回灌溫度則在12 ~16℃之間波動,井水的最大溫降⊿t1=4℃左右。另外,根據2003年6月1日~8月31日調節水池中井水溫度的记錄,井水溫度t1進在21~22℃間波動(深井泵抽取時的井水温度大約為17~18℃);而經過板式熱交換器後的井水回灌溫度基本穩定在27.5℃左右,井水的溫降大致為⊿t1=5℃左右。系統自運行以來,盡管入住率已達到90%以上,但深井水泵的運行時間都不是很頻繁,2003年夏季深井水泵的運行時間頻率比冬季還要低,深井水系統提供的熱负荷一直都能滿足大樓空調負荷的要求;而且迄今為止,為防止由於室外溫度過低而导致二次水溫過低,在一次水側設置的輔助熱源一次也沒使用過。抽水井和回灌井在季節轉換時切換1次,即冬季供暖期作为抽水井使用的井,夏季供冷期切换為回灌井;回灌井一般10~15天回揚1次,一次15分钟左右。

3.3 二次側水溫差

  根据2003年2月25日~4月15日調查數據的記錄,進入板式熱交換器前的水溫t2進大部分時段在9~10℃間波動,經板式熱交换器後的水溫t2出大部分時段在11℃左右波動,二次側環路水溫度的實際運行參数(11-9℃)比設計參數(12-6℃)要小。另外,根據2003年6月1日~8月31日的調查數據記錄,進入板式熱交換器前的水溫t2進大部分時段在27~28℃間波動,經板式熱交換器後的水溫t2出大部分時段在25℃左右波動,二次側環路水溫度的實際運行參數(28-25℃)比设計參數(32-18℃)要小。
  根據原有設計,二次側的4臺循環水泵為定流量泵,且24小時連續運行,每臺水泵額定功率為30kW,各用戶末端的水源熱泵機組的水側管路上設有電磁閥、平衡閥。但由於水源熱泵機組有最小結冰流量要求,另外在管路上也沒有設置與热泵機組連鎖的流量开關,故在實際施工安裝中將電磁閥取消了。因此,無論末端水源熱泵機組開啟臺數的多少,二次側循環水系統的4臺循環泵總是在全天候的滿負荷運行。可以認为這是導致二次側水溫差⊿t2過低的重要原因之一。
  另外,根据冬季運行紀錄,二次側進出水溫度有偏離控制溫度範圍的情況,這可能與一次泵加減載設定条件不合理有關。

3.4 水泵開启頻率

  圖3表示2002年11月~2004年1月各類水泵的月開啟頻率變动,空調系統在2003年春夏過渡季節4月16日~5月29日及夏秋过渡季節9月10日~10月28日停止運行。由圖可见,除了二次循環泵在整個空调運行期不間斷的連續運行外,1#深井泵和1#一次泵(一次泵運行方式的設置见文獻[2])的月運行次數最高不過2000次左右;而它們的2#泵的月運行次數則更少,2#一次泵冬季供暖峰值期1月份的運行次數只有500次左右,2#一次泵在夏季供冷期運行次數還要少;2#深井泵只在12月份和1月份有過250次左右運行記錄;再就是,盡管公寓樓的入住率已很高,但2臺深井水泵同时運行的頻率仍很低,一次泵也同樣。另外,冬季深井泵和一次泵的運行次數基本一致,而夏季深井泵的運行频率明顯低於一次泵。冬夏運行的差異,筆者以為主要是因為2003年的夏季是冷夏所致,而且這種運行差異也直接反映在了水泵的能耗上(圖4)。

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圖3各類空調系統用水泵供暖、冷期的月開啟次數變動

4 空调系統消費電量計算方法及其能耗分析

  空調系統能耗分析的最大難点是,目前正在運行的空調系统很少有專門針對空調設備運行耗電量數據的記錄,即使有也是與其它的非空調設備的耗电量混雜在一起記錄,像北京嘉和麗园住宅公寓樓的用電量情況記錄就屬於這種情況。
  為此,筆者提出了一種用于計算空調動力設備消費電量的推算方法,推算方法中所需的基本數據取自第2节中所述的人工抄電量記錄數據和TRACER SUMMIT 5.01記錄的空調系統实時運行記錄數據。這種推算方法的基本思路是將整個空調系統的動力設備消費電量分成兩大部分:一部分是共用空調動力設備的消費电量,即深井水抽/回水泵、一次泵、二次循環泵等;另一部分是空調系統末端設備的消費電量,即各戶的水源熱泵機組的消費電量。對這兩部分消費電量分別采用不同的方法進行計算,其中共用空调動力設備的消費電量推算方法將在4.1節中討論;末端空调水源熱泵機組消費電量推算方法將在4.2節中討論[3]。

4.1 共用空調動力設備的能耗分析

  1)共用空調動力設備的消費電量推算方法
共用空調動力設備在本研究中主要是指深井水抽/回水泵、一次泵、二次循环泵,這些水泵均為定流量泵。對於定流量泵,當其工作電壓比較穩定、工作電流波動比較小時,只要知道了水泵的運行時間,根據式(1)可推算出這些設備的消費電量。即,根據TRACER SUMMIT 5.01的空調系統实時運行記錄數據,可以获得每臺水泵的實際運行時間;水泵的工作電壓U按380伏計入;水泵工作電流I可隨時檢測到,基本穩定。有了這些參數,就可根據式(1)推算出每臺水泵的小時消費電量、日消費電量、月消費電量、年消費電量。
  Q共電i,j =Ii x Ui x 1.732 x cosθ/1000 xτj(1)
  其中,Q共電i ,j——某共用空調動力設備某天的計算用電量 (kWh/day)
     Ii——某共用空調動力設備的工作電流(A)
     U——工作電壓(V)
     cosθ——功率因子
     τi ,j——某共用空調動力設備某天的运行時間(h/day)

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圖4各類空調用水泵供暖、冷期的月消費電量推算值

  2)共用空調動力設備的能耗分析
  整理2002年11月~2004年1月的調查數據,並根據式(1)可推算出各類空調用水泵的消費電量(見圖4)。根据計算結果,無論是冬季供暖期还是夏季供冷期,空调用水泵消費電量中近80%的部分是被二次循環泵消費的,即使是最冷的12月和1月份,二次循環泵的消费電量都達到了其它兩類泵的2倍;夏季也有同樣的趨勢。另外,冬季一次泵與深井泵的能耗非常接近,但夏季一次泵的能耗則要多於深井泵,其原因同前述。由於二次循環水泵是24小時不間斷的、定流量連续運行,無論環路中有多少臺熱泵機组在運行,二次循環泵總在滿負荷的運行,這就直接影響了整個空調系統的節能。

免費論文下載中心 http://www.hi138.com 4.2 末端空調水源熱泵機組的消費電量推算方法
  在實測數據記录中,有每個住戶每天消費電量的記錄數據,但這些電量都是每戶的總用電量,也即包括照明、各種家電設备、個人電腦、通風換氣設備、水源熱泵機組等在內的每戶每天日常用電量的總和。對於不同的家庭,家用電器设備的構成是有所不同的;同時由於生活習慣的不同,電器設備使用時的間、消費的電量也是有所不同的。一般家庭常用的用電器具或設備大致有照明、电視機、個人電腦、洗衣機、電冰箱、廚房通風排氣扇、衛生間通風換氣扇、空调熱泵機組等。根據這些器具和家用電器設備的使用特點和使用規律,像冰箱是常開的,24小時連續運行;照明、電視機、廚房通風換氣扇等設备每天的使用時間都基本上是有規律的,也是比較穩定的;個人電腦、洗衣機、衛生間通风換氣扇的使用時間雖然隨機性比較大,但其消費電量也是比較穩定的。這類用電设備,由於使用期間用电負荷穩定,用電時間也有規律可循,而且用電量也相對比較穩定,隨時間變動的影響因素较小,我們可把這部分消费電量視為不變動部分的消費電量。所謂不變動部分的消費电量是指消費電量中,基本不受室外氣象等條件影響、每天的消費電量基本上穩定不變的部分。與之相反,每戶空調热泵機組的消費電量則應視为變動的、不穩定的消費電量。這是因為空調熱泵機組在運行期間,受室外氣象條件變化的影響非常大;另外,室內人員、燈光照明等負荷條件的影響也是導致空调運行時間不確定原因之一;加之,每個人對舒適性空调溫度的感受不同,設定的室內空調溫度差別甚大,而且空調機組開啟的時間也不一樣,致使空調热泵機組消費電量隨時間的變化很大,因此我們把這部分消费電量稱為變動部分的消費电量。
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圖5某住戶日消費總电量的月變動實測值

  图5 為某住戶2002年9月~2004年1月日消費總電量的月變動实測值。由圖可見,一年中,非空調期間的消費電量幾乎都比较穩定(黑線以下的部分),不隨時間的變化,即為上述的不變動部分的消費電量,而空調期間的消費電量卻變化很大,日消費電量的峰值几乎都出現在冬季的最冷月份或是夏季的最熱月份(红線與黑線之間的部分),即為上述的變動部分的消費電量。據此,我們可以按下法來推算末端空調水源熱泵机組的消費電量。
變動部分日消費電量的推算如果把每戶照明、電冰箱、电視機、個人電腦、洗衣機等一般家用電器設備的消費電量視為不變動部分的消費電量;每戶空調熱泵機組的消費電量视為變動的、不穩定的消費電量;那么,我們可以構成下式:
  每戶每天的日消費總電量 = 不变動部分的日消費電量 + 變動部分的日消費電量
  = 一般家用電器設備(包括照明)部分的日消費電量
  + 空調熱泵機組部分的日消費電量(2)
  據上式,對於空調熱泵機組這部分变動的消費電量,本文考慮采用減去法推算。即,從每戶每天的總用電量中,減去包含照明部分在內的一般家用電器等的不變動部分的消費電量。
  不變動部分日消費電量的推算嘉和麗園公寓樓空調系統每年的過渡季節停止運行,該期間一般為:春夏過渡季 4月16日~5月29日,秋冬過渡季 9月25日~10月17日。在空調系統停運期間,所有的空调水泵和每戶的空調热泵機組均停止運行,每戶的日消費總電量記錄中只剩下一般家用電器設備部分(包括照明)的日消費電量。通過對所有住戶在這段非空調運行期間消費電量數據的分析,這部分的消费電量波動較小,基本穩定,我们可以把這段時間的日消費量視為不變動部分日消費電量,並將相關的影響因素考慮後取其平均值作為一般家用電器設備(包括照明)部分的日消費電量帶入式(2)。
這樣,每戶每天的空調熱泵機組消费電量就可根據式(3)計算。
  q空調 j =Q j -Σ(Ni i )(3)
  其中,q空調j——某戶空調熱泵機組某天的計算空調用電量(kWh/day)
     Qj——某戶某天的總用電量(kWh/day)
     q電 i——某家电設備平均每天的計算電量 (kWh/day)
     Ni—— 某家电設備的輸入功率(kW)
     τi——某家電設備平均每天的用電時間(h/day)

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圖6空調共用部分和末端部分供暖、冷期的月消費電量推算值

4.3 空調系統消費電量分析
  圖6為根據第4.1節、4.2節介紹的推算方法和2002年10月~2004年1月各住戶的日消費總電量記錄以及空调用水泵運行工況的實时記錄數據,推算的空調共用部分和末端部分的月消費電量。由圖可見,空調共用部分的月消費电量,冬夏差別不大。這是因為占有很大一部分能耗比例的空調用二次循環泵24小时連續運行,它的運行方式不受室外气象條件變化的影響;而空調末端部分的月消費電量則隨季節的不同,差異很大。另外,2003年和2004年的冬季都有同樣的趨勢,冬季空調末端部分的消費電量遠高于同月份空調共用部分的消費電量;而2003年夏季(冷夏),空調末端部分的消費電量則與同月份空調共用部分的消費电量很接近。這個結果從另一方面也反映了空調系統能效比的高低。再就是,空調系统能耗的高峰期都是发生在冬季的1、2月份或夏季的7、8月份。

結語

  本文通過对住宅公寓樓利用地下水源閉環熱泵空調系統的典型實例工程進行的1年多追蹤调查,獲取了大量的實測数據;提出了將空調系統中的動力設備劃分為共用空調動力設備和末端空調动力設備兩大類,分别計算各相應部分空調動力設備消費電量的推算方法;據此推算方法并結合實測數據,對共用空调動力設備和末端空調熱泵機組的消费電量進行了定量的計算和分析。
  本文所提出的空調設備用消費電量的推算方法,對定量把握正在運行空調系統的能耗情況,進而對空調系統設計及其運行管理方式的合理性、節能性的定量評判提供了可能,同時為空調系統的节能改造提供了參考依據。

參考文獻

  陳矣人、周春風、葉瑞芳.建築熱能通風空調,2002,21(3):64~65
  陳超、倪真、李小寧等. 暖通空調,2004(已錄用)
  陳超、渡邊俊行、龍有二、等.日本建築学會計畫系論文集,1997,501(11):61~68

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