某地源热泵能源站节能调适与能效提升.pdf
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1、能源研究与管理2023,15(2)能源研究与管理2023,15(2)收稿日期:2023-03-02基金项目:聊城市重点研发计划(公益性科技攻关)项目(2021GY02)第一作者:吕振波(1966),男,高级工程师,本科,主要从事暖通空调的管理与节能研究工作。E-mail:*通信作者:田彦法(1971),男,研究员,本科,主要从事暖通空调、热能动力、给水排水专业设计与研究工作。E-mail:引用格式:吕振波,田彦法,李利,等.某地源热泵能源站节能调适与能效提升J.能源研究与管理,2023,15(2):140-147.摘要:为探讨地源热泵能源站在调适过程中能效提升的技术策略,以某职业学校餐旅综合楼
2、中央空调系统为例,通过前期调研、完善监控系统和对运行数据的测试分析,编制地源热泵能源站节能调适流程。结果发现,采取优化负荷侧供水温度设定、适配两侧循环水泵的变频控制、研制开发智能化自适应动态水力平衡系统等耦合的调适措施,可在保证室内各场所热舒适的情况下,有效降低能源站的系统能耗,显著提升能源站实际能效。经委托第三方实际检测计算和鉴定,综合多层面的节能调适技术应用,可达到夏季节能率50.7%、冬季节能率40.7%的实际效果。关键词:地源热泵;调适策略;水温设定;变频;水力平衡中图分类号:TK523文献标志码:A文章编号:20967705(2023)02014008LYU Zhenbo1,TIAN
3、 Yanfa2,*,LI Li1,LI Da2,GAO Weidi2(1.Liaocheng Senior Vocational School of Finance and Economics,Liaocheng 252000,Shandong,China;2.Shandong Huake Planning and Architectural Design Co.,Ltd.,Liaocheng 252000,Shandong,China)To explore the technical strategies for energy efficiency improvement in the ad
4、aptation process of ground-sourceheat pump energy stations,the central air conditioning system of a vocational school dining and travel complex is taken as anexample.By conducting preliminary research,improving the monitoring system,and testing and analyzing operating data,thisenergy saving adjustme
5、nt process was established.It was found that coupled adaptation measures such as optimizing theload-side water supply temperature setting,adapting the variable frequency control of circulating pumps on both sides,anddeveloping an intelligent adaptive dynamic hydraulic balance system could effectivel
6、y reduce the system energy consumptionof the energy station and significantly improve the actual energy efficiency of the energy station while ensuring the thermalcomfort of the indoor places.After testing and identification,the comprehensive application of integrated energy-savingadjustment technol
7、ogy can achieve the actual effect of saving energy rate of 50.7%in summer and 40.7%in winter.ground-source heat pump;adaptation strategy;water temperature setting;frequency conversion;hydraulic balanceDOI:10.16056/j.2096-7705.2023.02.021某地源热泵能源站节能调适与能效提升吕振波1,田彦法2,*,李利1,李达2,高纬迪2(1.聊城高级财经职业学校,山东聊城2520
8、00;2.山东华科规划建筑设计有限公司,山东聊城252000)节能技术140窑窑能源研究与管理2023,15(2)能源研究与管理2023,15(2)引言建筑业是全球大多数国家和地区最大的能源消费主体,而其中空调系统能耗约占公共建筑总能耗的30%50%1。在设计过程中,一般情况下,各设备及管路均是按最不利情况选择的2,但据统计,空调实际负荷平均只有额定负荷的50%左右,空调负荷在一年中仅在非常短的一部分时间内达到其峰值水平3。运营工作人员倾向于选择峰值负荷时的运行工况以确保室内的温度达到设定状态4,使得设计目标和实际使用效果之间存在较大差距,存在明显的“漏斗效应”。利用地源热泵机组作为冷暖两用中
9、央空调的冷热源,无疑是一种节能、高效的可再生能源利用技术。但是,如地源热泵能源站始终在满负荷状态下运行,不根据空调负荷的变化而进行合理的调适管控,会导致空调系统长期运行在比较恶劣的工况下,势必造成能源的浪费。近年来,空调系统的调适越来越受到人们的重视,通过优化设计和节能运行,可以显著地降低HVAC系统的能耗5。国内外学者对中央空调系统的节能研究主要集中在空调主机或水泵、以及如何利用自控方式及水泵等单一方面的技术应用针对单一的技术应用6-13,而很少开展能源站多技术耦合的调适策略研究。本文旨在通过对某学校地源热泵能源站运行状况的调研,同时对监控平台采集的实际数据进行分析和研究,以期揭示运行参量与
10、室外气温和室内负荷变化的对应规律,综合采用根据室外温度和实测数据优化负荷侧供水温度设定、根据供回水温差和实测数据对循环水泵变频调节、根据系统实际表现来研发高效的动态平衡系统进行水力平衡调适等多技术耦合的动态调适策略,可有效提升能源站的能效比,并总结地源热泵能源站的调适策略和流程,以便在类似项目中推广应用。1工程概况聊城高级财经职业学校餐旅综合楼总体由主楼和配套楼2个子项组成,总建筑面积为23 700 m2,主楼建筑高度为48.75 m。其中,主楼地下1层,建筑面积700 m2(均为设备用房);主楼地上12层,建筑面积14 000 m2,13层分布4个裙楼,为教室和实训室,第4层为办公室,512
11、层为学生宿舍。配套楼地上3层,建筑面积9 000 m2,为校企合作中央厨房和配套用房。1.1机房配置聊城属暖温带半湿润气候区,春夏秋冬四季分明,夏季炎热多雨,冬季严寒干燥。经计算,本工程空调冷负荷为1 900 kW,热负荷为1 800 kW。采用地源热泵机组为项目的冷热源,能源站内的主要设备和性能参数详见表1。1.2空调水系统设计根据餐旅综合楼各区域的功能性质、楼层位置等条件因素,空调水系统总体设计划分为6个空调冷热水系统,各空调系统划分和形式详见表2。表 1地源热泵能源站内主要设备参数Table 1 Main equipment parameters in ground-source hea
12、t pump energy station设备名称性能参数数量/台备注水源热泵夏季名义制冷量959 kW/台,耗电量140 kW,COP 6.8362水源热泵冬季名义制热量921 kW/台,耗电量194.4 kW,COP 4.7362用户侧水泵流量=58.34 L/s,扬程=34 m,功率=30 kW32用1备地源侧水泵流量=52.78 L/s,扬程=33 m,功率=30 kW32用1备表 2空调系统划分和形式Table 2Categorization and forms of air conditioning systems楼栋系统序号服务场所面积/m2空调形式系统制式管径N/mm主楼系统1
13、核心412层办公、学生宿舍6 690风机盘管加新风机组水平同程、竖向同程200主楼系统2裙楼13层西南区实训室1 635风机盘管加空调器异程125主楼系统3裙楼13层东南区教室、实训室1 050风机盘管异程80主楼系统4裙楼13层东北区教室、实训室520风机盘管加新风机组异程100主楼系统5裙楼13层西北区及13层核心区4 000风机盘管加新风机组加空调器竖向异程、23层水平同程150配套楼系统6实训超市13层9 000风机盘管加新风机组竖向异程200节能技术141窑窑能源研究与管理2023,15(2)能源研究与管理2023,15(2)1.3运行情况调研经现场调研,本工程的空调需求和能源站运行
14、情况及存在问题,主要有以下几个方面。1)地源热泵能源站为职业学校餐旅系综合楼的冷热源,其主楼涵盖实训、教学、办公和学生宿舍等功能,配套楼为校企合作全天营业的中央厨房,故其室内空调需求为全年全天候运行,但空调负荷又随正常工作日的昼夜、周末、寒暑假的时变,有较大的差异变化,且负荷变化既有规律性,又有随机性。2)能源站为学校的物业管理人员现场管控,主机的启停时间和负荷侧供水温度设定以及两侧循环泵频率设定,完全靠人工经验手动操作,处于定频、定工况运行,且无水力平衡调节的措施,实际数据、能耗及效果不清晰,造成主机的启停和加减载、循环水泵频率、负荷侧供水温度及室内温度等参数不可控,节能运行与控制的效果很不
15、理想。负荷侧和地源侧系统经常出现“大流量小温差”的现象,而教室和宿舍的温度却因不达标而常被投诉。3)室内中央空调系统原设计为变流量形式,因风机盘管末端处安装的温控阀质量不过关,故障率较高,均被拆除,实际为定流量系统形式。4)现场的监控系统和分集水器处的水力平衡措施均不完善。2能源站的调适策略为保证中央空调在极端气候条件下的效果,空调设计容量的冗余是必需的,舒适性空调系统是一个非线性、时变性、多参量的复杂系统,末端负荷在频繁波动振荡14。但空调系统能源浪费的症结既不在于其设计余量的大小,也不在于末端负荷的变动性,而关键在于缺乏先进的调适和管控,以保证空调的冷(热)量供应能够根据末端负荷需要而自动
16、对应调节,实现能源站的高效运行。2.1调适流程和方法地源热泵能源站的调适应通过收集原有设计图纸和建设资料制订调适提纲和内容,与运行管理人员现场调研讨论,分析空调系统能耗高和室内热湿环境差的主要原因,找出能效提升的调适路径和范围,确定调适的目标和策略。地源热泵能源站的调适流程和方法如图1所示。由图1可知:项目信息调研时,注重各功能面图 1地源热泵能源站的调适流程和方法Fig.1The adjustment process of the ground-source heat pumps积拆分、空调负荷变化规律和调节方式;原有数据分析关注逐时能耗拆分和对标;地源热泵能源站调适主要是主机、用户侧和地源
17、侧水系统3个方面基于实际测试数据的耦合调适;最终实现室内热湿环境达标为根本目标。2.2调适的关键对策空调负荷主要由围护栏负荷和室内负荷组成,而气候变化、供冷(热)范围变化、建筑使用率变化是负荷变化的主要因素,通过现场测试和深入的数据分析,空调能源站调适的主要对策为:节能技术142窑窑能源研究与管理2023,15(2)能源研究与管理2023,15(2)1)完善远程监控平台,实现对空调系统运行的集中监测、控制和管理。2)分析室外干湿球温度及太阳辐射强度和负荷侧供水温度的对应关系,根据各负荷百分比下的运行数据优化负荷侧供水温度的设定策略。3)对定流量空调系统而言,因人员在室率和末端空调设备的运行数量
18、的变化,供回水温差会发生变化,根据各负荷百分比下的供回水温差数据优化负荷侧循环泵的运行频率。4)完善能源站各分支系统的动态水力平衡措施,根据各分支系统的供回水温差,实现对各环路进行动态适应的水力平衡调试。5)因空调负荷的变化,地源侧的供应量会相应变化,在地源侧水温限值设定范围内,根据供回水温差数据优化地源侧循环泵的运行频率。6)对进行调适的能源站进行效果验证和节能量评估。3优化负荷侧供水温度设定地源热泵主机的能效比随着蒸发温度的升高和冷凝温度的降低而提高,缩小蒸发温度和冷凝温度的差值,是提高主机能效比的基本手段。可以根据室外气候参数的变化,对应调整负荷侧主机的供水温度,在满足室内负荷需求的前提
19、下,尽量提高主机的COP值。地源热泵主机在运行时,负荷侧实际的供水温度,并非严格按设定的温度固定不变的运行,而是按实测的回水温度,结合负荷变化趋势,自动加减载,使得负荷侧供水温度在设定值的上下波动运行。并且主机会按程序自定的比较实际出水温度与设定供水温度的偏离值自动启停,同时联动地源侧的循环水泵顺序启停(本项目中冬季主机启停温度偏离值为2益,即实际供水温度超过2益时,自动停机,低于2益时,自动开机;夏季为1.5益,即实际供水温度低于1.5益时,自动停机,高于1.5益时,自动开机),而负荷侧循环泵会持续运行,保证室内空调的持续供应。图2所示为在设定负荷侧供水温度为40益时,某24 h实际运行的负
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