河北建设服务中心工程地源热泵系统运行情况与分析

下面是小编为大家整理的河北建设服务中心工程地源热泵系统运行情况与分析,供大家参考。

　 摘要:介绍了河北建设服务中心工程地源热泵系统的概况，对冬季、夏季运行实测数据进 行了整理和分析，提出要从工程使用特点、全年冷热负荷、地埋管换热系统设计、土壤温度监 测、合理设置辅助冷热源等技术措施方面解决土壤冬夏热平衡问题。

　关键词:地源热泵系统冬夏热平衡地埋管换热系统

　地源热泵系统在保护环境、节约能源、解决资 源等方面具有突出优势，正日益受到社会的广泛重 视。２００５年建设部将地源热泵技术列为建筑业十 项推广新技术之一。许多地方政府都出台政策推 动和支持地源热泵技术在工程中的应用。地源热 泵技术在河北省已得到广泛使用，如石家庄安苑小 区（约５０万ｍ２）、碧水清远小区、晋县滨河东苑小 区、唐山迁安马兰庄镇新农村示范小区（约５０万 ｍ２）等都把水源、地源热泵系统作为冷热源。河北 建设服务中心作为节能示范工程，采用了地源热泵 机组为空调系统的冷热源。该工程于２００８年夏季 投入使用，经过一个夏冬运行，效果良好。现将工 程和运行测试情况介绍如下。

　１工程概况及冬夏热平衡

　１．１工程概况

　河北建设服务中心建筑面积２２ １９２ ｍ２，地下 １层，地上６层。建筑体形系数为０．２５。窗墙比：

　南向０．３２５，西向０．３８２，东向０．３８２，北向０．２７２。

　建筑物地块为梯形，南北长８２ ｍ，南侧面东西长 １３０ ｍ，北侧面东西长１３３．３ ｍ。建筑物为７２．１８ ｍＸ４３．００ ｍ，内设２个天井。

　建筑围护结构及热工性能如下：屋顶２５０ ｍ瑚 厚钢筋混凝土，６０ ｍｍ厚ＸＰＳ板（密度３５０ ｋｇ／ ｍ３），水泥膨胀珍珠岩找平层（最薄处３０ ｍｍ）， Ｋ＝Ｏ．３～ｏ．４５ ｗ／（ｍ２*Ｋ）．夕｝、墙２４０ 厚大孔径轻集料复合保温砌块（内腔充２０ ｋｇ／ｍ３聚苯乙 烯），Ｋ一０．４ ｗ／（ｍ２* Ｋ）；外窗采用中空＋真空 隔热断桥铝合金窗，Ｋ＝０．４ ｗ／（ｍ２* Ｋ）。

　 夏季空调冷负荷１ ８００ ｋＷ，建筑面积冷指标 ８１．１ Ｗ／ｍ２；冬季空调热负荷９３６．６ ｋＷ，建筑面积 热指标４２．２ Ｗ／ｍ２。

　１．２地源热泵系统主要设备

　ＳＧＨＰｌ２００Ａ地源热泵机组２台，制冷量９１２ ｋＷ，制冷输入功率２０２ ｋＷ，ＥＥＲ=４．５１５；制热量 ９７０ ｋＷ，制热输入功率２１６ ｋＷ，ＣＯＰ＝４．４９１。夏 季供应７℃／１２℃冷水，地源水２５℃／３０℃；冬季 供应４０℃／４５℃热水，地源水５℃／ｌＯ℃。

　ＫＱＬ １５０／３１５—３０／４地源侧循环水泵３台 （两用一备），流量２００ ｍ３／ｈ，扬程３２ m，功率３０ ｋＷ。

　ＫＱＷ １５０／２８５—１８．５／４空凋侧循环水泵３ 台（两用一备），流量１７３ ｍ３／ｈ，扬程２４ m，功率 １８．５ ｋＷ。

　室外地埋管换热系统采用高密度聚乙烯管 （ＰＥ管），竖直支管外径Ｄｅ３２，单Ｕ布置，水平支 管外径ＤＮ４０，水平主干管外径ＤＮｌ ６０。原设计换 热单元总长度２０ ０００－２４ ０００m，后因为室外面积 不够，地质情况复杂，并且在浅地层处有约３０ m 的卵石层，给钻孔和成孔带来很大困难，施工费用 也将大大增加。

　实际施工的竖直换热单元３２０个， 分为７个系统，钻孔孔径为２００～２５０ ｍｍ，深５０ m，间距３．７ ｍ×３．４ m，换热单元总长度１６ ０００m。由于换热单元实际总长度小于设计要求，另将

　４００ ｍ３消防水池作为蓄冷水池，在供冷负荷高峰 时，作为地埋管换热系统的补充。

　１．３地埋管换热系统的冬夏热平衡措施

　保持土壤的冬夏热平衡是地源热泵系统长期 稳定运行的关键。土壤对于地源热泵系统是一个 蓄能装置，夏季吸收建筑物的空调系统排热，累积 储存，在冬季向建筑物的空调系统释放热量。夏季 的排热为冬季的取热创造了很好的条件。如果夏 季的累积排热总量与上一个冬季的累积取热总量 相同，则地埋管换热系统周围土壤的热量和温度将 恢复原状，就可以保证地源热泵系统长期稳定运 行。

　在夏季，地源热泵系统向土壤的最大排热量 Ｑp=空调冷负荷×（１＋１／ＥＥＲ）＋输送过程得热 量＋水泵释放热量； 在冬季，地源热泵系统从土壤 的最大取热量Ｑｑ=空调热负荷×（１—１／ＣＯＰ）＋ 输送过程失热量一水泵释放热量。

　在本工程中，夏季冷负荷１ ８００ ｋｗ与冬季热 负荷９３６．６ ｋｗ相差近一倍。如粗略计算，仅仅考 虑公式的第一项，则在夏季，地源热泵系统向土壤 的最大排热量Ｑｐ=空调冷负荷×（１＋ｌ／ＥＥＲ）＝ １８００ ｋＷｘ（１＋１／４．５１５）=２ ２００ ｋＷ；在冬季，地 源热泵系统从土壤的最大取热量Ｑｑ=空调冷负 荷×（１—１／ＧＯＰ）一９３６．６ ｋＷ×（１—１／４．４９１）= ７２８ ｋＷ。

　地埋管换热系统对土壤的夏季排热量与 冬季取热量之比约为３：１，冬夏热失衡较为严重。

　并且本工程地埋管换热系统可布置面积紧张，实际 的换热面积小于设计要求。所以，监测土壤温度场 的变化、采取技术措施、解决冬夏热失衡的问题是 本工程的重点之一。

　为实现冬夏热平衡，工程采取了如下措施。

　１）对地源热泵系统设置辅助冷热源装置，设 置冷却塔（２００ ｍ３／ｈ）１台（预留），分担部分空调冷 量，减少夏季向土壤的放热。

　２）设计了使用冷却塔对地埋管换热系统、消 防水池蓄能的运行程序，使用地埋管换热系统对消 防水池蓄能的运行程序。在夏季工况下，除了在白 天开启冷却塔分担部分空调冷量，减少夏季向土壤 放热以外，还可以在夜间（比白天气温低）开启冷却 塔和冷水机组对土壤蓄冷，来调节和控制土壤的温 度，解决冬夏热平衡问题。此外，对消防水池蓄冷， 把消防水池的水蓄冷后作为冷却用，如使用冷却 塔、冷水机组把水降至５℃，按供回水５℃／１２℃ 计算，则可获得约３ ２５６ ｋｗ的冷量用于供冷，相 当于近２ ｈ的冷负荷，更有利于减轻地埋管换热系 统的负担。

　３）本工程的地埋管换热系统为方框形，框内 为建筑物，框外无其他地埋管换热系统，框中并排 设Ｕ形管大多为３～４根，少数为５根，形成条状 的换热带，比起方形、矩形或宽带形，有更大的换热 面积，有利于与土壤的换热，可以有效地依靠地埋 管换热系统外部土壤的温度场减轻地埋管换热系 统内部的冷量（热量）积聚情况，消除冬夏热量不平 衡的影响。

　４）本工程为办公建筑，白天使用率高，在上午 处于高负荷，在中午较短时间内转为低负荷，下午 上班后恢复高负荷，下午下班后到第二天上班前负 荷降低至零，每周有两天休息日空调系统的使用率 很低甚至为零。这种建筑特性决定了负荷的持续 性弱，为土壤温度场在每天、每周提供了间歇的恢 复条件，使其在系统运行过程中按天、周呈现具有 规律性的恢复变化，缓解了冷（热）量的积聚。所以 本工程的间歇使用特点结合土壤的恢复特性起到 了减轻冬夏热量不平衡影响的作用。并且这种温 度恢复也有利于提高机组的运行效率。

　５）为掌握工程所在地的土壤温度场变化情 况，建设厅请有关部门对地埋管换热系统设置了温 度测点，以便根据地下的温度变化，动态调整运行 管理方式，保证系统正常运行和土壤的热平衡。温 度测点设于南部地埋管的一１０ ｍ和－－２０ ｍ位置。

　该系统可实现如下８个过程：夏季供冷，冬季供 热，冷却塔辅助供冷，消防水池辅助供冷，消防水池 辅助供热，冷却塔对地埋管换热系统蓄冷，冷却塔对 消防水池蓄冷，地埋管换热系统对消防水池蓄冷。

　 ２运行记录与分析

　２．１夏季运行记录与分析

　由于２００８年夏季工程尚未竣工，未在地下设 置测温点，所以通过机组运行情况，以冷凝水（地源 侧）的进出水温度近似反映和分析地下温度变化情 况。将运行数据整理成表格， 表１为８月１０一１８ 日一个星期中连续每天的０７：００与１９：ｏｏ冷凝水 温度记录， 表２为夏季每星期一、五冷凝水温度记 录， 表３为夏季每星期三冷凝水温度记录。

　测得平

　均地温为１５．５℃。

　 表１ ８月１０—１８日冷凝水温度记录 ℃ 注：１）８月ｌｏ开为星期日； ２）△t 等于当日ｔ４减去次日ｔｌ。

　１）表１中的ｔ４近似反映了在一天空调系统运 行后土壤的温度；次日运行开始时冷凝水进水温度 ｔ，近似反映了在一天空调系统运行开始时土壤的 温度。

　分析表１可以看出：一是每天０７：００的冷凝 水进水温度ｔ，均低于昨日的冷凝水出水温度ｔ。

　表示在晚上空调系统停止后土壤温度得到了较好 恢复，这是因为本工程空调系统间歇运行，土壤温 度场有相对长的恢复时间； 二是每天 19:00 冷凝水出水温度 t4 和次日 7：00 的冷凝水出水温度 t1 温差范围较大，为 ０．６～９．７℃，但ｔ1 一值比较接近，说明该工程的土壤 温度具有较强的恢复能力。原因在于负荷强度适 度、地埋管换热系统的布置形状有利于与土壤换取热量。

　表２夏季每星期一、五冷凝水温度记录 ℃时刻 ８月１３只 冷凝水进 冷凝水出 ８月２０ Ｈ冷凝水进 冷凝水出 ８月２７日 冷凝水进 冷凝水出 ９月１０日 冷凝水进 冷凝水出 热。表ｌ说明本工程的土壤温度场每天均有较好 的恢复。

　２）表２为夏季每星期一、五冷凝水温度记录。

　从表中可见，星期一的冷凝水进水温度一般低于上 星期五的冷凝水进水温度，说明本工程每周六、日 的窄调低负荷运行有利于土壤温度的恢复。这从 使用角度说明空调系统间歇运行的建筑（如办公 楼、学校等）采用地埋管地源热泵比其他空调系统 连续运行的建筑（如宾馆、酒店、医院病房楼等）更 为合适。在决定是否采用地源热泵系统时，应把工 程使用特点作为重点内容来考虑。

　３）表３为夏季每星期三冷凝水温度运行记 录。系统在星期三的运行工况在一星期（星期一至 星期五）内是较为均衡稳定的。

　从表３可见，在 ０９：００以后地源侧的出水温度开始超过３０℃，说 明冷却水温度已接近冷却塔的运行工况。如果此时冷却塔投入运行，分担空调排热量，可有效降低 地源侧的出水温度。在夏季最热的时间中，蓄冷水 池投入运行，缓解了地埋管换热系统的负担，保证 了空调系统的正常运行。

　４）从表３可以看出，冷凝水温差为２～３℃， 按平均２．５℃考虑，本工程的地埋管换热系统实际 换热量可按式（１）计算。

　Ｑ＝Ｇｃｐ（ｔ1 一 t２）

　（１）

　式中Ｑ为夏季地埋管换热器的小时平均换热量， ｋＷ；Ｇ为系统内的水流量，取０．１１１ １ｍ３／ｓ;ｃ为水 的比热容，４．１８４ ｋＪ／（ｋｇ* ℃）；ｐ为水的密度， １

　０００ ｋｇ／ｍ３ ;ｔ1 一ｔ２为地埋管换热器的进出水温 差，２．５℃。计算得夏季地埋管换热器的平均换热 量为１ １６２ ｋＷ。

　以计算的夏季地埋管换热器的平均换热量 １１６２ ｋＷ与夏季空调冷负荷所需的排热量２ ２００ ｋＷ相比，差距较大，说明地埋管换热器的换热面 积不能满足负荷高峰时的需要，应当配置辅助冷热 源。在施工中，安装了消防水池兼蓄冷水池。在分 析本综合楼的运行工况特点后，冷却塔部分暂未安 装，根据系统冬夏运行情况和土壤温度场变化情况 再作决定。

　地埋管换热器的小时平均单位长度埋深换热 量用式（２）确定。

　ｑ=１000Ｑ /(n*L) (2)

　式中ｑ为地埋管换热器的小时平均单位长度埋 深换热量，Ｗ／ｍ；N 为地埋管换热器的根数，３２０ 根；Ｌ为地埋管换热器的深度，５０ ｍ。计算得夏 季地埋管换热器的小时平均单位长度埋深换热量 为７２．６ Ｗ／ｍ。

　２．２冬季运行记录与分析

　系统在冬季运行前设置了温度测试装置。温 度传感器设于综合楼南部的中间部位地埋管换热 器的井孔边缘，并以３０ ｍｍ厚的聚苯乙烯与地埋 管隔离，埋深分别为一１０ m和一２０ m。

　由于测温 点位置靠近地埋管，测试记录提供的冬季１１月１７ 日一１２月１５日运行记录中的地温与土壤温度近 似（略低于土壤温度）。为使测温准确，现已在北部 的地埋管换热器设置４个测温点，位置各在四根埋 管的对角线交点上，深度分别为一１０ m 和－－２０m。

　在地埋管换热系统和空调水系统的分集水器的干 管上布置了温度传感器，每分钟记录一次温度。以 热泵机组为中心，把出水方向定义为“供”，回水方 向定义为“回”，共４个温度传感器，分别为地源供、 地源回、用户供和用户回。

　２．２．１冬季运行记录

　冬季供暖季开始时测得平均地温为２０．５℃。

　供暖季结束后，在４月初测得平均地温为１６．５℃。

　冬季１１月１７ 日一１２月１５日温度记录见表４-表 6。

　２．２．２日运行工况分析

　从表５的１２月５日０６：００至１２月６日０８：ｏｏ 的运行记录可以看到，１２月５日０８：ｏｏ一２０：００，地 源热泵机组运行，地埋管换热系统从土壤吸热，土 壤温度逐步下降，一２０ ｍ处地温由１８．５９℃降至 １７．５６℃，降幅１．０３℃；一１０ ｍ处地温由１７．１０ ℃降至１６．８８℃，降幅０．２２℃；地源回水温度始终 高于地源供水温度，用户供水温度始终高于用户回 水温度。

　从１２月５日２１：００至６日０７：００，机组停止运 行，土壤温度逐步恢复。一２０ ｍ处地温由１７．９１ ℃升至１８．９４℃，升幅１．０３℃；一１０ ｍ处地温由 １７．４７℃升至１８．６５℃，升幅１．１８℃。

　此时空调 系统循环泵继续运行，用户供水温度从４４．２３℃逐 步下降至３２．３７℃，降幅１１．８６℃；用户回水温度 从４４．４８℃逐步下降至３０．８１℃，降幅１３．６７℃。

　并且用户供水温度始终低于用户回水温度（０７：００ 除外），原因主要是循环水泵的电耗提高了水温。

　此时地埋管换热系统的循环水泵停止，地源侧水系 统处于静态，地源水温随土壤温度恢复而提高，由 于不同温度下水密度的作用，处于较高位置的地源 供水温度较高。

　２．２．３地下温度场

　１）１１月１７日一１２月１５日供暖期中，每天系 统开始运行、运行中间、运行将结束的３个时刻 （０７：３０，１２：００，１８：３０）温度变化情况见表７。

　可以看出，本工程的一１０ ｍ、－－２０ ｍ处土壤温 度在各时刻的变化幅度分别为２．６６～３．９２℃、 １．８６－－－３．３５℃，不超过４℃，温度变化率随土壤深 度而减小。

　２）从１１月１７日一１２月１５日共２９天的运行 中，一１０ ｍ处土壤温度一般都在１４．７９℃以上， －２０ ｍ处土壤温度一般都在１６．０１℃以上，地源 侧水温符合热泵机组工况的要求，明显高于当时室外气温，为热泵机组提供了充足的热源。

　３）土壤温度变化与空调负荷的积累有关。

　对 表５，６中 一１０ ｍ、－２０ ｍ处土壤温度进行分析，也 可看到空调负荷的积累对地温的影响，即当天随着 系统运行土壤温度逐渐下降。把表４的日期按星 期分析，就某一时刻的土壤温度来讲，一般是在每 周一较高，随着取热负荷的积累，土壤补热相对滞 后，土壤温度渐渐有所下降，在周五（最后工作日）

　基本达到最低，周六回升。在整个冬季中土壤温度 总趋势呈下降态势，表现为冬季供暖季开始时平均 地温为２０．５℃，供暖季结束后（在４月初）平均地 温为１６．５℃，温差４℃．

　４）表５，６中，机组运行时的地源供水温度约 在１２－１４℃，地源回水温度约在１３－１５℃，冷凝 水温差为１～２℃，平均按１．５℃考虑，本工程的地 埋管换热系统冬季实际换热量按式（１）计算，Ｑ＝ ６９７ ｋＷ。与冬季需要的吸热量７２８ ｋＷ相比，较 为接近。

　５）从测试单位了解到，２００９年３天的元旦假 期后，地源供水温度为６．５℃；７天的春节假期后， 地源供水温度为５．５℃，主要原因应是在假期后建 筑物重新升温使负荷增加，地埋管换热系统的换热 面积不能满足需要。

　６）空调系统经过一个供冷季运行后，由于系统夏季向土壤排热，土壤温度从初始的１５．５℃升 至２０．５℃，提高了５℃，为冬季供暖蓄存了热量。

　在供暖季中系统从土壤取热，在４月初降到１６．５ ℃，比原始地温升高１．０℃。地下温度场能否恢 复，冬夏是否能够实现热平衡，还要看在到达夏季 的时段中，土壤温度的恢复情况。

　３设计体会

　 ３．１ 河北建设服务中心的地源热泵系统基本满足 了工程使用功能的要求，本地源热泵系统设计能较 好地实现土壤温度场的冬夏热平衡，增强了系统长期运行的可靠性。

　主要做法：

　一是在工程设计中对 土壤温度场的冬夏热平衡情况进行评估； 二是为实 现土壤温度场的冬夏热平衡采取了相应技术措旌， 如对地温等进行监测，设计了辅助冷热源来消除冬 夏热失衡问题，地埋管换热系统布置合理等。此 外，建筑物的围护结构热工性能优于《公共建筑节 能设计标准》的要求，空调负荷较低，建筑物间歇使 用较利于土壤温度场的恢...

推荐访问:河北建设服务中心工程地源热泵系统运行情况与分析 河北 服务中心 运行