CN109754195B - 一种地源热泵系统全年性能检测方法 - Google Patents

一种地源热泵系统全年性能检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种地源热泵系统全年性能检测方法。该方法包括：步骤1、计算建筑物冷热负荷的极值和系统在不同负荷率区间下的全年运行时间分布比例；步骤2、根据当前检测时刻的室外温度计算建筑物实时逐时负荷；步骤3、根据建筑物冷热负荷的极值和建筑物实时逐时负荷计算系统运行负荷率并更新运行累计时长；步骤4、根据系统进出口水温、流量和设备耗电量计算不同负荷率区间下的系统运行能效比；步骤5、判断运行累计时长是否大于预设时长，若大于则执行步骤6；步骤6、输出系统的平均能效比，并根据不同负荷率区间下的全年运行时间分布比例和系统的平均能效比，计算全年综合能效比。本发明能够根据系统全年运行性能参数，科学评价系统运行效果。

Description

一种地源热泵系统全年性能检测方法
技术领域
本发明涉及暖通空调地源热泵系统技术领域，尤其涉及一种地源热泵系统全年性能检测方法。
背景技术
随着人类世界科技的进步以及经济的发展，能源已成为人类生存发展的物质基础。伴随着经济社会的快速发展及人口数量的持续増长，能源需求越来越大，而化石资源等不可再生能源的持续开采、消耗，储量减少，使得能源供需矛盾日益凸显，地源热泵系统作为一种清洁的可再生能源得到了广泛的应用。
根据《可再生能源建筑应用示范项目测评导则》、《可再生能源建筑应用工程评价标准》GB/T 50801-2013内容，地源热泵系统示范项目的测试内容主要包括三个方面：形式检查、系统性能检测和系统能效评估。
通过对比现有的地源热泵系统性能检测方法，得出现有检测方法多对系统运行的单个状态点进行测试评价，不能有效的对系统全年运行状态进行考核。若要对地源热泵系统全年运行工况进行综合评价，则需要对整个系统安装能耗监测系统，这往往会带来巨大的投资，因此很多应用地源热泵系统的项目并没有安装能耗检测系统。而地源热泵系统不能进行合理有效的评价，用户不清楚地源热泵系统的运行效果究竟如何，又制约了地源热泵系统的推广应用。因此找到一种在节省人力、资金投入的前提下对地源热泵系统运行状态进行评价显得尤为重要。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种地源热泵系统全年性能检测方法，通过有限次的测试得到地源热泵系统全年运行性能参数，进而科学的评价地源热泵系统运行效果。
本发明提供一种地源热泵系统全年性能检测方法，该方法包括：
步骤1、计算应用地源热泵系统的建筑物冷热负荷分布特性，所述建筑物冷热负荷分布特性包括建筑物冷热负荷的极值和地源热泵系统在不同负荷率区间下的全年运行时间分布比例；
步骤2、根据当前检测时刻的室外温度计算当前检测时刻的建筑物实时逐时负荷；
步骤3、根据所述建筑物冷热负荷的极值和所述建筑物实时逐时负荷计算当前检测时刻的地源热泵系统运行负荷率并更新对应负荷率区间下运行累计时长；
步骤4、根据测量的地源热泵系统进出口水温、流量和设备耗电量计算不同负荷率区间下的地源热泵系统运行能效比；
步骤5、判断不同负荷率区间下的运行累计时长是否大于预设时长，若大于则执行步骤6；反之，则执行步骤2至步骤4；
步骤6、输出不同负荷率区间下的地源热泵系统的平均能效比，并根据所述不同负荷率区间下的全年运行时间分布比例和所述不同负荷率区间下的地源热泵系统的平均能效比，计算地源热泵系统的全年综合能效比。
进一步地，所述不同负荷率区间包括0％-20％、20％-40％、40％-60％、60％-80％和80％-100％五个区间，所述不同负荷率区间下的全年运行时间比例包括与各负荷率区间对应的供冷季节运行时间比例ac、bc、cc、dc和ec，以及与各负荷率区间对应的供暖季节运行时间比例ah、bh、ch、dh和eh。
进一步地，所述供冷季节运行时间比例ac、bc、cc、dc和ec按照式(1)进行计算：
Figure BDA0001980297540000021
其中，Tc为建筑全年供冷总时长；tac、tbc、tcc、tdc和tec分别为供冷季节负荷率区间为0％-20％、20％-40％、40％-60％、60％-80％和80％-100％的地源热泵系统制冷运行时间；
所述供暖季节运行时间比例ah、bh、ch、dh和eh按照式(2)进行计算：
Figure BDA0001980297540000031
其中，Th为建筑全年供暖总时长；tah、tbh、tch、tdh和teh分别为供暖季节负荷率区间为0％-20％、20％-40％、40％-60％、60％-80％和80％-100％的地源热泵系统制热运行时间。
进一步地，所述供冷季节运行时间比例ac、bc、cc、dc和ec，以及所述供暖季节运行时间比例ah、bh、ch、dh和eh分别满足式(3)和式(4)：
ac+bc+cc+dc+ec＝1  (3)
ah+bh+ch+dh+eh＝1  (4)。
进一步地，在所述地源热泵系统的制冷运行时间或制热运行时间超过至少15天时进行性能检测。
进一步地，步骤5中，所述预设时长为10小时。
进一步地，步骤6中，所述平均能效比包括平均制冷能效比和平均制热能效比；其中，
按照式(5)计算不同负荷率区间下的地源热泵系统的平均制冷能效比：
Figure BDA0001980297540000041
其中，
Figure BDA0001980297540000042
和
Figure BDA0001980297540000043
分别为地源热泵系统在负荷率区间为0％-20％、20％-40％、40％-60％、60％-80％和80％-100％下的平均制冷能效比；
按照式(6)计算不同负荷率区间下的地源热泵系统的平均制热能效比：
Figure BDA0001980297540000044
其中，
Figure BDA0001980297540000045
和
Figure BDA0001980297540000046
为地源热泵系统在负荷率区间为0％-20％、20％-40％、40％-60％、60％-80％和80％-100％下的平均制热能效比。
进一步地，步骤6中，所述全年综合能效比包括全年制冷性能系数SEERZ和全年制热性能系数HSPFZ；其中，
按照式(7)计算所述全年制冷性能系数SEERZ：
Figure BDA0001980297540000051
按照式(8)计算所述全年制热性能系数HSPFZ：
Figure BDA0001980297540000052
本发明的有益效果：
本发明提供的一种地源热泵系统全年性能检测方法，通过理论计算建筑全年冷热负荷分布特性，得到地源热泵系统在供冷(暖)季不同负荷率区间下的运行时间分布比例，然后通过实际测试不同负荷率区间下系统的平均能效比并加权平均得到系统全年制冷(热)性能系数，进而综合的评价地源热泵系统全年运行状况。与现有通过系统单个运行工况点来评价地源热泵系统运行效果的方法相比，本发明通过理论计算和实际测试相结合的方式得到系统全年不同负荷率区间下的若干工况点运行能效比，加权平均之后对系统运行效果进行评价，提高了评价方法的准确性；与现有采用搭建能耗监测平台来评价地源热泵系统运行效果的方法相比，本发明不需要安装能耗监测平台，减少了平台建设的投资和运维费用，且本发明不需要采集全年的运行数据即可能够较为准确的评价地源热泵系统运行效果，提高业主使用积极性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种地源热泵系统全年性能检测方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种地源热泵系统全年性能检测方法的原理图；
图3为本发明实施例提供的一种地源热泵系统全年性能检测方法的测点布置图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1至图3，在进行性能检测时，可按照图3所示，将室外温度传感器1置于建筑物室外；将温度传感器2分别布置在地源热泵主机冷冻供水管处和地源热泵主机冷冻水回水管处；将流量计3布置在地热泵主机冷冻水供水管处；将电能表4分别连接至地源热泵系统冷冻水泵、地源热泵主机和地源热泵系统冷却水泵。根据图2所示的检测原理，如图1所示，该方法包括以下步骤：
S101、计算应用地源热泵系统的建筑物冷热负荷分布特性，所述建筑物冷热负荷分布特性包括建筑物冷热负荷的极值和地源热泵系统在不同负荷率区间下的全年运行时间分布比例；
具体地，通过将室外计算温度输入逐时负荷计算模块得到建筑物全年冷热负荷分布特性。负荷计算模块内部存储有建筑物基本模型和暖通空调领域建筑冷热负荷计算方法。
S102、根据当前检测时刻的室外温度计算当前检测时刻的建筑物实时逐时负荷；
具体地，对于已建建筑物，建筑围护结构各项热工参数均已知，建筑物冷热负荷特性和室外温度相关，室外温度传感器将其监测到的温度信号传递给负荷计算模块，负荷计算模块即可根据建筑物基本模型和该温度信号计算出实时逐时冷热负荷并传输给处理器。
需要说明的是，在所述地源热泵系统的制冷运行时间或制热运行时间超过至少15天时进行性能检测。这样可以保证系统处于稳定运行状态，削弱供冷(暖)季初期外部环境等因素对系统的干扰，确保测试结果的相对准确性。
S103、根据所述建筑物冷热负荷的极值和所述建筑物实时逐时负荷计算当前检测时刻的地源热泵系统运行负荷率并更新对应负荷率区间下运行累计时长；
具体地，通过步骤S102计算的建筑物实时逐时负荷和步骤S101计算的建筑物冷热负荷极值的比值可得到建筑物的实时负荷率，并在对应负荷率区间累加系统运行时长。例如，在13:00-14:00建筑的负荷率为38％，则记录系统在负荷率区间为30％-40％的运行时长为1h，依次累计。
S104、根据测量的地源热泵系统进出口水温、流量和设备耗电量计算不同负荷率区间下的地源热泵系统运行能效比；
具体地，地源热泵系统运行能效比包括制冷能效比和制热能效比。通过流量计和温度传感器将系统实时流量和温度传递给能量积算仪，能量积算仪可根据流量值和温度计算出系统制冷量或制热量，并传输给处理器；通过电能表测量地源热泵主机、冷冻水泵以及冷却水泵的消耗电量并传输给处理器；处理器通过接收到的制冷量或制热量以及消耗电量即可计算出系统在不同负荷率区间下的制冷能效比或制热能效比。
作为一种可实施方式，按照下式计算不同负荷率区间下地源热泵系统运行能效比：
Figure BDA0001980297540000071
Figure BDA0001980297540000072
Figure BDA0001980297540000073
W＝Wi+Wj+Wk
其中，EER为地源热泵系统制冷能效比，COP为地源热泵系统制热性能系数，Q为测试期间地源热泵系统制冷量或制热量，W为测试期间地源热泵系统耗电量，V为地源热泵机组用户侧平均流量，△t为地源热泵机组用户侧进出口载冷剂平均温差，ρ为地源热泵机组载冷剂平均密度，c为地源热泵机组载冷剂平均定压比热，Wi为测试期间地源热泵机组消耗电量，Wj为测试期间地源热泵系统冷冻水泵消耗电量，Wk为测试期间地源热泵系统冷却水泵消耗电量。
S105、判断不同负荷率区间下的运行累计时长是否大于预设时长，若大于则执行步骤S106；反之，则执行步骤S102至步骤S104；
具体地，判断不同负荷率区间下的运行累计时长是否大于预设时长，若大于预设时长则输出不同负荷率区间下的系统能效比算数平均值；若不大于则继续执行步骤S102至步骤S104。
例如，当预设时长为10小时，若获知不同负荷率区间下的运行累计小时数的最小值大于10h，则输出不同负荷率区间下的系统能效比算数平均值；反之，则继续执行步骤S102至步骤S104。本发明实施例将预设时长设置为10小时，既可以避免在计算不同负荷率区间下系统平均运行效率时由于样本容量较小造成的误差，又可以避免若干负荷率区间全年运行时长比例过小而导致采集总时长过长。
S106、输出不同负荷率区间下的地源热泵系统的平均能效比，并根据所述不同负荷率区间下的全年运行时间分布比例和所述不同负荷率区间下的地源热泵系统的平均能效比，计算地源热泵系统的全年综合能效比。
由上述内容可知，本发明实施例提供的一种地源热泵系统全年性能检测方法，通过理论计算建筑全年冷热负荷分布特性，得到地源热泵系统在供冷(暖)季不同负荷率区间下的运行时间分布比例，并通过实际测试不同负荷率区间下系统的平均能效比并得到系统全年制冷(热)性能系数，进而综合的评价地源热泵系统全年运行状况。与现有通过系统单个运行工况点来评价地源热泵系统运行效果的方法相比，本发明实施例通过理论计算和实际测试相结合的方式得到系统全年不同负荷率区间下的若干工况点运行能效比，加权平均之后对系统运行效果进行评价，提高了评价方法的准确性；与现有采用搭建能耗监测平台来评价地源热泵系统运行效果的方法相比，本发明实施例不需要安装能耗监测平台，减少了平台建设的投资和运维费用，且本发明实施例不需要采集全年的运行数据即可能够较为准确的评价地源热泵系统运行效果，提高业主使用积极性。
在上述实施例的基础上，步骤S101中，作为一种可实施方式，所述不同负荷率区间包括0％-20％、20％-40％、40％-60％、60％-80％和80％-100％五个区间，所述不同负荷率区间下的全年运行时间比例包括与各负荷率区间对应的供冷季节运行时间比例ac、bc、cc、dc和ec，以及与各负荷率区间对应的供暖季节运行时间比例ah、bh、ch、dh和eh。
作为一种可实施方式，所述供冷季节运行时间比例ac、bc、cc、dc和ec按照式(1)进行计算：
Figure BDA0001980297540000081
其中，Tc为建筑全年供冷总时长；tac、tbc、tcc、tdc和tec分别为供冷季节负荷率区间为0％-20％、20％-40％、40％-60％、60％-80％和80％-100％的地源热泵系统制冷运行时间；
所述供暖季节运行时间比例ah、bh、ch、dh和eh按照式(2)进行计算：
Figure BDA0001980297540000091
其中，Th为建筑全年供暖总时长；tah、tbh、tch、tdh和teh分别为供暖季节负荷率区间为0％-20％、20％-40％、40％-60％、60％-80％和80％-100％的地源热泵系统制热运行时间。
需要说明的是，所述供冷季节运行时间比例ac、bc、cc、dc和ec，以及所述供暖季节运行时间比例ah、bh、ch、dh和eh分别满足式(3)和式(4)：
ac+bc+cc+dc+ec＝1  (3)
ah+bh+ch+dh+eh＝1  (4)。
在上述各实施例的基础上，步骤S106中，所述平均能效比包括平均制冷能效比和平均制热能效比；其中，
按照式(5)计算不同负荷率区间下的地源热泵系统的平均制冷能效比：
Figure BDA0001980297540000101
其中，
Figure BDA0001980297540000102
和
Figure BDA0001980297540000103
分别为地源热泵系统在负荷率区间为0％-20％、20％-40％、40％-60％、60％-80％和80％-100％下的平均制冷能效比；本发明实施例中的
Figure BDA0001980297540000104
和
Figure BDA0001980297540000105
分别表示在测试期间根据步骤S104提供的计算公式计算得到的地源热泵系统运行制冷能效比。
按照式(6)计算不同负荷率区间下的地源热泵系统的平均制热能效比：
Figure BDA0001980297540000106
其中，
Figure BDA0001980297540000107
和
Figure BDA0001980297540000108
为地源热泵系统在负荷率区间为0％-20％、20％-40％、40％-60％、60％-80％和80％-100％下的平均制热能效比，本发明实施例中的
Figure BDA0001980297540000109
和
Figure BDA00019802975400001010
分别表示在测试期间根据步骤S104提供的计算公式计算得到的地源热泵系统运行制热能效比。。
在上述各实施例的基础上，步骤S106中，所述全年综合能效比包括全年制冷性能系数SEERZ和全年制热性能系数HSPFZ；其中，
按照式(7)计算所述全年制冷性能系数SEERZ：
Figure BDA0001980297540000111
按照式(8)计算所述全年制热性能系数HSPFZ：
Figure BDA0001980297540000112
本发明实施例通过实际测试得到的不同负荷率区间下系统的平均能效比和理论计算得到的不同负荷率区间全年运行时间比例加权平均得到系统全年制冷(热)性能系数，既避免了通过单一工况点测试来评价地源热泵系统运行效果方法的不准确性，又避免了搭建能耗监测平台来评价地源热泵系统运行效果带来投资费用和测试时长的增加，可以较为准确和快捷的对地源热泵系统运行效果进行评价。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种地源热泵系统全年性能检测方法，其特征在于，包括：
步骤1、计算应用地源热泵系统的建筑物冷热负荷分布特性，所述建筑物冷热负荷分布特性包括建筑物冷热负荷的极值和地源热泵系统在不同负荷率区间下的全年运行时间分布比例；所述不同负荷率区间包括0％-20％、20％-40％、40％-60％、60％-80％和80％-100％五个区间，所述不同负荷率区间下的全年运行分布时间比例包括与各负荷率区间对应的供冷季节运行时间比例ac、bc、cc、dc和ec，以及与各负荷率区间对应的供暖季节运行时间比例ah、bh、ch、dh和eh；
步骤2、根据当前检测时刻的室外温度计算当前检测时刻的建筑物实时逐时负荷；
步骤3、根据所述建筑物冷热负荷的极值和所述建筑物实时逐时负荷计算当前检测时刻的地源热泵系统运行负荷率并更新对应负荷率区间下运行累计时长；
步骤4、根据测量的地源热泵系统进出口水温、流量和设备耗电量计算不同负荷率区间下的地源热泵系统运行能效比；
步骤5、判断不同负荷率区间下的运行累计时长是否大于预设时长，若大于则执行步骤6；反之，则执行步骤2至步骤4；
步骤6、输出不同负荷率区间下的地源热泵系统的平均能效比，并根据所述不同负荷率区间下的全年运行时间分布比例和所述不同负荷率区间下的地源热泵系统的平均能效比，计算地源热泵系统的全年综合能效比；
其中，所述供冷季节运行时间比例ac、bc、cc、dc和ec按照式(1)进行计算：
Figure FDA0004115609610000021
其中，Tc为建筑全年供冷总时长；tac、tbc、tcc、tdc和tec分别为供冷季节负荷率区间为0％-20％、20％-40％、40％-60％、60％-80％和80％-100％的地源热泵系统制冷运行时间；
所述供暖季节运行时间比例ah、bh、ch、dh和eh按照式(2)进行计算：
Figure FDA0004115609610000022
其中，Th为建筑全年供暖总时长；tah、tbh、tch、tdh和teh分别为供暖季节负荷率区间为0％-20％、20％-40％、40％-60％、60％-80％和80％-100％的地源热泵系统制热运行时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述供冷季节运行时间比例ac、bc、cc、dc和ec，以及所述供暖季节运行时间比例ah、bh、ch、dh和eh分别满足式(3)和式(4)：
ac+bc+cc+dc+ec＝1 (3)
ah+bh+ch+dh+eh＝1 (4)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述地源热泵系统的制冷运行时间或制热运行时间超过至少15天时进行性能检测。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5中，所述预设时长为10小时。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤6中，所述平均能效比包括平均制冷能效比和平均制热能效比；其中，
按照式(5)计算不同负荷率区间下的地源热泵系统的平均制冷能效比：
Figure FDA0004115609610000031
其中，
Figure FDA0004115609610000032
和
Figure FDA0004115609610000033
分别为地源热泵系统在负荷率区间为0％-20％、20％-40％、40％-60％、60％-80％和80％-100％下的平均制冷能效比；
按照式(6)计算不同负荷率区间下的地源热泵系统的平均制热能效比：
Figure FDA0004115609610000041
其中，
Figure FDA0004115609610000042
和
Figure FDA0004115609610000043
为地源热泵系统在负荷率区间为0％-20％、20％-40％、40％-60％、60％-80％和80％-100％下的平均制热能效比。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤6中，所述全年综合能效比包括全年制冷性能系数SEERZ和全年制热性能系数HSPFZ；其中，
按照式(7)计算所述全年制冷性能系数SEERZ：
Figure FDA0004115609610000044
按照式(8)计算所述全年制热性能系数HSPFZ：
Figure FDA0004115609610000045
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