严寒地区某绿色建筑土壤源热泵系统运行性能分析

1 引言

随着国家开始重视可再生能源的开发与利用，地源热泵技术作为一种可再生能源利用的方式，在绿色建筑中广泛应用。近年来，地源热泵经历了产业发展高潮后，部分地源热泵项目运行的弊端渐渐显现了出来 [1-4]：系统所需耗能量的评估不充分，施工技术不完善，机组维护困难或故障难以修复等问题，造成系统实际运行中能效降低，制约了地源热泵的发展。

目前，研究人员对地源热泵系统的运行特性和优化方案等研究主要是基于长期监测数据以及模拟数据展开的。刘玉峰等人 [5] 通过分析冬、夏季机组和系统COP，提出了冬、夏季的高效运行方式；李先庭等人 [6]通过分析我国热泵技术应用过程中存在的问题，提出了实现冬、夏季高效运行的柔性热泵系统思想；Alessia Arteconi 等人 [7] 对一栋写字楼的土壤源热泵系统实际应用情况研究分析，计算出该写字楼一次能源的消耗量减少了 43% ～ 53%；郑晓娜等人 [8] 通过对地源侧进出水温差与设计温差的研究提出了定温差、水泵变频调节方式；赵双龙等人 [9] 通过能耗和地温监测系统的实测数据分析了地源热泵系统运行特性，发现该工程存在土壤热堆积、系统运行效率降低等问题。Magraner 等人 [10] 通过对巴伦西亚理工大学的地源热泵系统试验台的运行特性研究，提出了部分负荷率对热泵机组性能有较大影响的结论。

上述专家学者对热泵系统的不同关键影响因素进行了分析，获得热泵系统运行性能方面的建议。本文通过对该绿色建筑中热泵系统长期的数据监测，分析了2017 年夏、冬季土壤源热泵运行模式下的运行工况，并将关键影响因素逐一分析后引入综合分析。通过分析夏季和冬季土壤源热泵的地源侧供回水温度，机组启停次数及部分负荷率所占运行时间比，研究热泵系统运行的规律。对比分析该绿色建筑夏季和冬季向地下的取热量和排热量，探究该绿色建筑中热泵系统的冷热不平衡平衡率；通过对机组性能系数与多个影响因素的相关性分析，研究影响机组性能系数的主要因素，为建筑节能、优化运行提供可参考的建议。

2 建筑基本情况

2.1 建筑概况

该绿色办公建筑位于我国严寒地区，共三层；其中地上两层，地下一层，地下一层设有下沉庭院。总面积 1600.71m²（地上 1040.48 m²），建筑总高度为15.15m。建筑朝向正南，东向窗墙比为 0.17，南向为 0.3，西向为 0.14，北向为 0.17。建筑冷热负荷由地下一层热泵机房提供，冬季设计热负荷为 25kW，采用低温热水地面辐射采暖；夏季设计冷负荷 35kW，采用风机盘管加热回收新风空调系统。冬季供暖设计地源侧供回水温度 6℃ /3℃，用户侧供回水温度为 45℃ /40℃；夏季制冷设计地源侧供回水温度为 25℃ /30℃，用户侧供回水温度为 7℃ /12℃。

2.2 系统设置

该绿色建筑冷热源由 1 台空气源—土壤源双源热泵机组（A），1 台土壤源热泵机组（B）组成。夏季运行时，采用 B 机组土壤源热泵对建筑进行供冷；冬季气温较低的月份，A 机组采用土壤源热泵单独运行的模式，在冬季室外气温较高的月份，A 机组采用空气单独源运行模式。夏季和冬季用户侧循环水泵各两台，一用一备；地源侧循环水泵两台，一用一备；用户侧补水泵两台，一用一备。机房主要设备的具体参数见表 1。

热泵机房内设备布置及管线示意图见图 1，机房主要设备选型见表 1。

图 1 空气源－土壤源双源热泵机房设备布置及管线示意图

表 1 热泵机房主要设备

夏季供冷设计地源侧供回水温度为 25℃ /30℃，用户侧供回水温度为 7℃ /12℃，用户额定流量为 5.6m³/h；冬季供热设计地源供回水温度 6℃ /3℃，用户侧供回水温度为 45℃ /40℃，用户侧额定流量为 7.2m³/h。严寒地区冬季室外气温低，空气源热泵开启时间较短，为了对夏季与冬季土壤源热泵运行的工况进行对比分析，将冬季 A 机组运行过程中空气源热泵开启的时间剔除，仅分析 A 机组在土壤源热泵单独运行模式下的运行工况。

3 数据采集及处理方法

为保证测试结果相对准确，本文测试方法参照 GB/T 50801-2013《可再生能源建筑应用工程评价标准》[11]和《建筑性能参数标准化测试流程》[12] 对该热泵系统进行了从 2017 年—2018 年的长期监测。

3.1 数据采集

从 2017 年 6 月 25 日～ 2018 年 3 月 15 日对热泵系统进行持续监测，热泵运行特性的分析需要长期的监测数据 [13-14]，处理数据时选择数据稳定的时间段，并且剔除明显无效的数据。

监测数据包括用户侧供回水温度及流量、地源侧供回水温度及流量、热泵主机实时功率、水泵实时功率、室内外温度、PVT 空腔温度，监测记录频率为 10min/ 次。供回水温度的测试仪器为温度记录仪，量程 -40~100℃，精度为 ±0.18℃；循环水流量测试仪器为超声波流量计，量程 0~1500m³/h，精度为±0.20%；室内、外温度测试仪器为温湿度记录仪，量程 -40~70℃，精度为 ±0.21℃。

3.2 数据处理

采集的实验数据通过下列公式计算，可以分别得到机组、系统的能效比和机组制热/冷量。

4 运行数据分析

4.1 夏季运行数据分析

该绿色办公建筑夏季完全依靠土壤源热泵系统供冷，通过对系统运行数据的监测，对其地源侧和用户侧供回水温度、系统制冷量和性能系数进行了详细的分析。

图 2 显示了 2017 年夏季室外温度对地源侧供回水温度的影响，可以看出，地源侧供回水温度与室外气温基本同步变化，但变化幅度远远小于室外气温的变化幅度。图中标记的 1 和 2 处均出现了停机的现象，其中“1”处是由于 7 月 13 日—7 月 14 日室外气温较低，同时昼夜温差较小，室内温度传感器采集的室内温度反馈到机组，导致机组停机；“2”处是由于 8 月 7 日—8 月 14机组检修而导致的停机。在夏季室外气温变化剧烈时，地源侧供回水温度仍然能保持稳定，为热泵的稳定运行提供了基础条件。

图 3 表示了 2017 年夏季每天机组启停的次数和当日最大温差的关系。除去因机组维修停机的几天，在正常运行期间机组平均每天的启停次数为 3.2 次。从图中可以看出，昼夜温差较大时，机组启停较为频繁。频繁的启停说明在制冷时机组处于高负荷率的运行状态，在短时间内达到用户侧供回水温差的设定要求。并且启停次数的增加更有利于提升制冷工况下热泵机组的运行能效 [18]。

图 2 2017 年夏季室外温度与地源侧进出水温度对比

图 3 当日启停次数与当日最大温差

图 4 显示了夏季运行时建筑的瞬时负荷，平均瞬时负荷为 13.3kW。在与当日最大温差对比中可以看出，室外温差较大时，建筑瞬时负荷也随之增加。除去两次停机的时间，建筑瞬时负荷与当日最大温差的曲线趋势一致。建筑设计时该绿色建筑 0.1 人 /m²，实际运行过程中该绿色建筑主要用于参观。经统计，该建筑无人参观时 0.006 人 /m²，建筑使用率不高。结合机组频繁启停的情况来看，开启 B 机组既能节省能源，又能满足室内制冷的需求。

图 4 夏季建筑瞬时冷负荷

夏季机组及系统 EER 所占时间比见图 5 和图 6，夏季工况下机组性能系数为 0 ～ 6.0。将性能系数以 1为间隔分成若干区间，统计出各区间机组 EER 所占运行时间比。机组 EER 占比最多的区间为 3.0 ～ 4.0，所占时间为 66.1%；其次为 4.0 ～ 5.0，所占时间比为23.2%。系统 EER 占比最多的区间为 3.0 ～ 4.0，所占时间比为 67.8%，其次为 2.0 ～ 3.0，所占时间比为15.4%。结合《民用建筑节能设计标准》[19] 中所给出的EER 限定值，B 机组夏季运行情况良好。

图 5 夏季机组 EER 所占时间比

图 6 夏季系统 EER 所占时间比

4.2 冬季运行数据分析

通过对热泵系统的监测，对 A 机组在土壤源热泵运行模式下的机组运行工况进行了分析。将冬季运行时间分为初寒期、严寒期和末寒期，对比分析冬季不同时期土壤源热泵主机和系统的运行效果。

图 7 显示了冬季各个时期 A 机组土壤源热泵地源侧供回水温度的情况。初寒期 12 月份室外气温较高，且供暖季初期有空气源热泵的辅助运行，地源侧供回水温度较高，有利于土壤源热泵的运行。严寒期 1 月份，随室外气温的下降，地源侧供回水温度整体呈下降的趋势。末寒期室外气温升高，可以看出地源侧供回水温度均有所提高，地源侧回水温度升高幅度较大，此时建筑对供暖的要求降低，从而造成机组启停较为频繁。

图中 1、2 处断点出现的原因不同，“1”处断点是由于在 12 月份后半段开启了空气源热泵的运行。“2”处则是由于处于假期期间，A 机组停止运行而导致的。可以看出 A 机组在 2018 年 3 月 5 日重新开启后，地源侧供回水温度得到了明显的升高，这与气温升高和地场温度的升高均有关系。

图 7 2017-2018 年冬季室外温度与地源侧供回水温度

图 8 表示了 A 机组土壤源热泵模式运行期间每天的启停次数和当日的室外平均温度。从整体趋势上看，室外平均温度升高时，机组的启停次数增加，整个冬季土壤源热泵运行期间平均启停次数为 2.6 次。在末寒期3 月份，机组平均启停次数为 5.5 次，且停机时间较长。初寒期 12 月份和严寒期 1 月份机组启停次数偏少，由于室外平均气温较低，机组需要连续运行来保证建筑所需的热负荷。

图 8 冬季当日启停次数与当日室外平均温度

冬季建筑平均瞬时负荷 24.1kW，建筑设计负荷为25.0kW，初寒期建筑平均负荷为 28.0kW，严寒期建筑平均负荷为 22.3kW，末寒期建筑平均负荷为 23.9kW，说明该热泵系统能满足建筑在供暖季的正常供暖需求。从图 9 中可以看出，初寒期和末寒期 A 机组土壤源热泵运行模式较为稳定；末寒期随着气温升高，机组启停的情况频繁发生，说明机组在运行时处在负荷率较高的运行状态。机组运行情况好。

图 9 冬季建筑瞬时热负荷

机组性能系数所占时间比见图 10 和图 11，冬季工况机组性能系数为 1.0 ～ 7.0。将性能系数以 1 为间隔分成若干区间，统计出各区间机组 COP 所占运行时间比。机组 COP 占比最多的区间为 5.0 ～ 6.0，所占时间为 60.6%；其次为 4.0 ～ 5.0，所占时间比为 31.2%。系统 EER 占比最多的区间为 4.0 ～ 5.0，所占时间比为50.8%，其次为 3.0 ～ 4.0，所占时间比为 35.4%。对比《民用建筑节能设计标准》[20]中所给出的COP限定值，该绿色建筑中 A 机组土壤源热泵运行模式下 COP 值高且稳定，运行工况良好。

图 10 机组 COP 所占时间比

图 11 系统 COP 所占时间比

4.3 冬夏季性能对比分析

4.3.1 土壤热平衡

土壤源热泵并不是一种地热利用系统，它只是将地下含水层、土坡、卵石及深层地表水作为热泵吸排热的蓄热体 [17]。土壤源热泵周期运行后土壤温度出现上升或者下降是土壤热量收支失衡的两种效果 [20]，对系统持续稳定的运行均不利。通过对该绿色建筑夏季和冬季运行工况监测数据的计算，分析了该绿色建筑实际运行过程中热量的收支问题。

运用监测数据，计算出夏季、冬季的热泵机组性能系数和建筑的瞬时负荷。根据公式（5）和公式（6），夏季土壤源热泵运行小时数取 1500 小时，冬季土壤源热泵运行小时数取 2232 小时，得出夏季累计向地下释放的热量为 24116.2kW·h 和 35322kW·h。计算夏季冬季热不平衡率为 31.7%，由此看来，该绿色建筑中土壤源热泵系统的取热量和向地下的散热量差距较大，存在着严重的热平衡问题。严寒地区由于其冬季较长，土壤热平衡问题是不能避免的，因此需要找到方法延缓地下温度场的变化。通过实地测试发现，该绿色建筑采用的地埋管形式是直埋式的传统敷设形式，因此有必要对其他地埋管的敷设形式进行探讨。

4.3.2 部分负荷率

将部分负荷率以 0.1 分隔成几个区间，统计各区间部分负荷率的分布，结果如图 12、13 所示。从整个夏季的部分负荷率分布情况来看，机组以 0.9 ～ 1.0 负荷率运行的时间最长，占运行总时长的 87.5%。从整个冬季的部分负荷率分布情况来看，机组以 0.7 ～ 0.9 负荷率运行的时间最长，占运行总时长的 67.5%。无论夏季还是冬季，A 机组和 B 机组均能保持 0.7 以上的负荷率，此时机组属于高效运行区间 [16]。说明该绿色建筑的热泵系统选型符合设计预期，热泵机组运行时机组负荷率较高，是热泵机组运行高效的前提。

图 12 夏季 PLR 所占时间比

图 13 冬季 PLR 所占时间比

5 相关性分析

相关性分析是指对两个或多个具备相关性的变量元素进行分析，从而衡量两个变量因素的相关密切程度。相关性的元素之间需要存在一定的联系或概率才可以进行相关性分析。

在土壤源热泵实际运行过程中，有很多影响因素影响其性能系数。通过前期分析，筛选影响机组性能的主要参数：用户侧供回水温差、地源侧供回水温差、部分负荷率及室外温度。为了探究这四种因素分别对机组性能系数的影响，分别对其进行相关性分析，找出影响土壤源热泵主机性能系数的主要影响因素，并为以后的优化提供依据。

5.1 夏季影响因素与主机 EER 相关性

通过对夏季 B 机组运行数据的监测，分别将地源侧和用户侧供回水温差、建筑瞬时负荷、室外气温与主机 EER 进行了拟合，拟合结果如表 2 所示：

表 2 影响因素与机组 EER 拟合结果

从表 2 中可以看出，。夏季土壤源热泵运行时，用户侧供回水温差和部分负荷率与机组EER的拟合优度高于地源侧供回水温差的拟合结果。用户侧供回水温差和部分负荷率直接将建筑的负荷作用在机组上，因此用户侧供回水温差与部分负荷率与机组 EER 的拟合优度高。寒冷地区夏季时间较短，地场温度较冬季变化较小，但是通过相关性分析可以看出地源侧供回水温差的大小可以影响机组的 EER。无论室外温度如何波动，由于该绿色建筑围护结构传热系数低，对室内温度影响不明显，所以与机组的 EER 相关性不强。

5.2 冬季影响因素与主机 COP 相关性

表 3 影响因素与机组 COP 拟合结果

从表 3 中可以看出，。冬季 A 机组土壤源热泵模式运行时，用户侧供回水温差和部分负荷率与机组 EER 的拟合优度高于地源侧供回水温差的拟合结果。但是通过相关性分析可以看出冬季地源侧供回水温差与机组的 COP 拟合优度也较高，说明冬季较高的地源侧供回水温差能对机组的 COP 造成明显的影响。冬季室外温度波动剧烈，但由于该绿色建筑围护结构传热系数低，对室内温度影响不明显，所以与机组的EER 相关性不强。

综上可知，夏季影响机组性能的主要因素为用户侧供回水温差和建筑部分负荷率，4 种影响因素 2 R 的大小为。冬季影响机组性能的 4 种影响因素 2 R 的大小为。相较夏季，冬季地源侧供回水温差也是影响机组性能系数的主要因素。

5.3 过量供热、供冷节能潜力分析

图 14 显示了该绿色建筑中供暖季室内平均温度的曲线。从图中可以看出，建筑室内最高温度达到了33℃，最低室温也达 18℃，多数时间室内平均温度保持在 22℃，温度曲线呈单峰，符合办公建筑的使用特点。从设计值对比，供暖季白天办公室温度 20 ～ 24℃，夜晚室内温度只需保证室内管道不被冻结即可，从图中可以看出，该绿色建筑在白天使用时室内温度均在 24℃以上，原因有两点：①该建筑没有专门人员进行热泵的日常运行维护，热泵本身自动控制启停，造成过量供热的情况；②整个建筑为设计 3 星级绿色建筑，建筑的围护结构传热系数 K=0.18，对室内的温度保持较好。并且绿色建筑采用大型的天窗形式，正午时日光直射时间较长，这也是造成室内温度较高的因素。

图 14 供暖季室内平均温度

从图 15 中可以看出绿色建筑的供冷季的室内平均温度曲线，在供冷季室内温度采集时，该绿色建筑处于停用状态，但是机组仍然处于开启状态，造成了能源的浪费。且可知室内的供冷温度多数时间低于 25℃，说明该建筑的运行调控不合理，具有较大的节能潜力。

图 15 建筑室内供冷季平均温度

通过对室内的供热供冷温度的分析，通过公式（7）可以计算出建筑室内的过量供热、供冷量。通过计算可以得出，该绿色建筑冬季过量供热量为0.060GJ/（m²•a），夏季的过量供冷量为 0.073GJ/（m²•a），在室内的供暖供冷量方面的节能潜力分别为 19.4% 和 25.4%。

6 结论

通过对该绿色建筑热泵系统的长期监测，分别分析了夏季和冬季系统土壤源热泵运行模式下机组的运行特性。通过研究机组及系统的部分负荷率、热不平衡率、机组性能系数与多个影响因素之间的相关性、机组性能系数，得出以下结论：

1）该绿色建筑热泵系统夏季与冬季以土壤源热泵运行模式下机组部分负荷率均在 0.7 以上，属于高效运行区间；存在冷热不平衡的情况，冷热不平衡率为31.7%。

2）夏、冬季影响机组性能的四个因素中，R² 的大小均依次为用户侧供回水温度、部分负荷率、用户侧供回水温差、室外温度；用户侧供回水温差和部分负荷率在夏、冬季对机组性能均有显著影响。冬季地源侧供回水温差对机组性能也有显著影响。

3）夏季 B 机组平均 EER 为 3.77，系统平均 EER为 3.34；冬季 A 机组平均 COP 为 4.09，系统平均 EER为 3.29，该绿色建筑中热泵系统能效高且稳定。

4）对该建筑夏、冬季过量供冷和供热量进行分析，得出该绿色建筑过量供冷和供热方面的节能潜力分别为25.4% 和 19.4%。

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作者简介

刘馨（1983 －），女，博士，研究生导师，主要从事地源热泵方面的研究工作。

作者

沈阳建筑大学刘馨李宗翰冯国会吴玥李画

住房和城乡建设部科技与产业化发展中心梁传志

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