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

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?再利用??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?t2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用电器设备（包括照明）部分的日消费电量

+ 空调热泵机组部分的日消费电量（2）

据上式，对于空调热泵机组这部分变动的消费电量，本文考虑采用减去法推算。即，从每户每天的总用电量中，减去包含照明部分在内的一般家用电器等的不变动部分的消费电量。

不变动部分日消费电量的推算嘉和丽园公寓楼空调系统每年的过渡季节停止运行，该期间一般为：春夏过渡季 4月16日~5月29日，秋冬过渡季 9月25日~10月17日。在空调系统停运期间，所有的空调水泵和每户的空调热泵机组均停止运行，每户的日消费总电量记录中只剩下一般家用电器设备部分（包括照明）的日消费电量。通过对所有住户在这段非空调运行期间消费电量数据的分析，这部分的消费电量波动较小，基本稳定，我们可以把这段时间的日消费量视为不变动部分日消费电量，并将相关的影响因素考虑后取其平均值作为一般家用电器设备（包括照明）部分的日消费电量带入式（2）。

这样，每户每天的空调热泵机组消费电量就可根据式（3）计算。

q空调 j =Q j -Σ(Ni xτi )（3）

其中，q空调j——某户空调热泵机组某天的计算空调用电量（kWh/day）

Qj——某户某天的总用电量（kWh/day）

q电 i——某家电设备平均每天的计算电量　（kWh/day）

Ni——　某家电设备的输入功率（kW）

τi——某家电设备平均每天的用电时间（h/day）

图6空调共用部分和末端部分供暖、冷期的月消费电量推算值