水源热泵机组的台数配置及能耗分析编程频道|福州电脑网

2024年3月14日发(作者：)

水源热泵机组的台数配置及能耗分析

赵强

1,2

,陈海锋

,黄体士

1山东省煤田地质局山东亚特尔集团股份有限公司,济南,250011;

2山东方亚地源热泵空调技术有限公司,济南,250010

摘要本文提出了一种水源热泵机组配置分析方法，针对某一实际工程，基于详细的全年逐时负荷数据，对

负荷分布频率和负荷权重进行热泵主机负荷率和能耗计算分析，为水源热泵机组的台数优化配置和控制策略

提供了合理的依据。在系统中仅配置一台热泵主机不利于该系统部分负荷条件下的节能运行。多台热泵联合

运行和容量不对称的配置原则，有利于系统部分负荷条件下每台机组的部分负荷权重向满载靠拢。尤其是当

系统配置两台热泵机组时，不对称的设计原则，采用1:0.6的配置模式，是一种降低系统能耗的必要手段。

关键词分布频率，负荷权重，负荷率，能耗分析

Configuration Analysis and Energy Consumption Calculation of Water

Source Heat Pump Units

Zhao Qiang

1,2

,Chen Haifeng

, Huang Tishi

1 Shandong Yateer Group Co. Ltd. Shandong Coal Geological Bureau. Jinnan. 250011;

2 Shandong Fangya GSHP Technology Co. Ltd. Jinnan. 250010

Abstract: The present paper proposes a configuration analysis method of water source heat pump units (WSHP

units). Selecting a practical project as the sample, calculation and analysis of the unit’s load rate and energy

consumption provide reference for optimal allocation and control strategies of WSHP units based on detailed hourly

loads. A heat pump unit only configured is not conducive to energy-saving operation in case of part load conditions.

Multiple units and principle of capacity asymmetry benefit that unit’s part load weight close to full load in case of

part load conditions. When the system is allocated with two sets of heat pump unit, design principle of capacity

asymmetry and the mode of 1:0.6 is a necessary means to reduce energy-consumption.

Keywords: distribution of load share, load weight, load rate, analysis of energy consumption

0 引言

地源热泵空调系统利用大地中的低品位热能来

实现对建筑物的供热供冷，具有节能与环保的优点，

在国内正得到越来越多的应用。除地埋管换热器或

水源井的设计优劣直接关系到地源热泵空调系统经

济性和运行可靠性

[1]

之外，在讨论地源热泵系统设

计时，不得不提到水源热泵机组的配置和控制策略

问题。水源热泵机组是地源热泵空调系统中的主要

设备和耗能大户，它的容量大小和性能好坏直接影

响到空调系统的效果和能耗。作为地源热泵供热空

调系统的冷热源，水源热泵机组的配置原则，牵扯

到压缩机类型、供回水温度额定参数、制冷（热）

量、能效比、体积大小等诸多因素，但从满足建筑

冷（热）负荷的角度考虑，有如下两条基本原则：

一是应满足建筑冷/热峰值负荷的需求，二是其运行

性能应符合建筑负荷的分布特性，尽量提高机组在

运行期间的能效比。在正常情况下，当热泵机组以

它最大容量的80%~90%左右的负荷运行时，热泵机

组运行在它最大运行效率的区域内，这和压缩机或

电机的运行特点有关

[2]

。一台选型过大的机组可能

第一作者：赵强（1980—），男，山东德州人，硕士，工程

师，主要从事地源热泵系统技术集成及其工程应用研

究，

联系地址：山东济南市文化西路13号海辰大厦A座9F，山东亚特尔集团股份有限公司。

联系电话：， E-mail：zhaoqiang009@.

多数时间运行在低负荷的情况下，这会导致机组较

低的运行效率，从而导致季节能效比变小，全年的

运行能耗增大。

详细的建筑冷热负荷是水源热泵机组优化配置

和控制策略分析的基础。关于供热空调负荷，有人

工简化计算（度日法、当量系数法、温频法）和计

算机模拟计算两种方式

[3]

。前者因其计算方式简单，

而获得了广泛应用，但是其只能进行空调计算日的

24h逐时负荷的计算，而冬季以稳态计算实施。因

此，传统的负荷计算和设备选型方式仅以满足建筑

冷/热峰值负荷的需求作为主要目的，往往忽略了部

分负荷时主机的运行情况。文献

[4]

明确指出“电动压

缩式机组台数及单机制冷量的选择，应满足空调调

节负荷变化规律及部分符合运行的调节要求”。近年

来兴起的计算机模拟计算（例如DeST）

[5]

为建筑负

荷全年动态计算提供了条件，也为利用负荷分布频

率和负荷率的方式对水源热泵机组的优化配置和控

制策略分析提供了条件。

1 配置优化分析方法

利用DeST等软件计算建筑的全年逐时负荷，

负荷的计算以1h作为时间间隔，在这1h中，假定

负荷是稳定的。确定建筑峰值冷（热）负荷，以此

作为选择热泵装机总容量的依据。分析全年冷（热）

负荷的分布特性，确定负荷的分布区间和各负荷区

间所占的份额，负荷区间定义为：

（式1）

max

其中

—区间

的负荷份额；

—某时间点的冷

（热）负荷数值，kW；

max

—冷（热）负荷最大

数值，kW。

，当建假定一个负荷区间（如10%＜

≤20%）

筑冷（热）负荷出现在其范围内的次数为

，负荷

数值在全年的运行期内出现总次数为

负荷区间的负荷分布频率定义为：

∑

，则该

•

100%

（式2）

∑

—为某建筑冷（热）负荷在一年

其中

—某建筑冷（热）负荷在某负荷区间

内出

现的次数；

∑

的运行期间内出现的总次数，即制冷季（供热季）

空调系统运行小时数。

设定技术方案中热泵主机的台数和容量，依据

热泵机组的负荷率及其承担的负荷权重或负荷份额

来决定热泵运行的控制策略和进行全年能耗的计算

分析，从而进行热泵主机配置分析，来确定最优方

案。负荷率为热泵实际运行制冷（热）量占额定制

冷（热）量的比值。负荷权重为系统实际需要负荷

占系统峰值负荷的比值。

表1 电流标幺值I*和电机效率的关系

[2]

I* 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

η/η* 0.5 0.85 0.95 0.98 1.00 1.02 1.01 1.00

其中I*为电流标幺值，η为实际效率，η*为额定效率

⎛⎞

∑

⎜

××

⎟

（式3）

⎝⎠

机效率的关系如表1所示。因此热泵主机的供冷

（热）季能耗计算可以定义为式3，其中

—热泵

当季的能耗，kWh；

—热泵主机制冷（热）功率，

kW；

—制冷（热）季的运行时间，h；

—热泵主

机的运行负荷率，%；

—负荷区间。

2 实例分析

采用DeST计算了以南京某住宅工程为计算背

景而得的全年8760h建筑逐时冷（热）负荷，见图

1。对逐时负荷进行分析，提炼出制冷季和供热季每

月的冷热负荷的最大值和最小值，见图2。该建筑

在全年能耗计算中，以电流标幺值和电机效率

的关系，近似代替热泵功率输入、输出和热泵效率

的关系，以负荷区间内典型节点的功率值来代替其

负荷区间的平均功率（如当负荷区间为

30%＜

＜40%

时，取热泵主机功率的效率修正

系数为I*=40%时

的取值），电流标幺值I*和电

最大冷负荷为801kW，出现在6月份，最大热负荷

为294kW，出现在1月份；最小冷负荷为39kW，

出现在6月份，最小热负荷为27kW，出现在11月

300

100

负

荷

（

）

-100

-300

-500

-700

-900

110015001

时间（h）

热负荷

冷负荷

份。峰值冷（热）负荷作为热泵主机总装机容量的

参考依据。由于冷负荷处于主要地位，显然本算例

中冷负荷是水源热泵选型、配置的主要影响因素。

900

800

700

600

500

400

300

200

100

801

764

756

659

最大负荷

最小负荷

193

月份

108

159

170

216

负

荷

（

）

294

273

900

800

700

600

500

400

300

200

100

图1 全年逐时负荷分布图图2 月峰值负荷图

0.9≤q﹤1.0

0.8≤q﹤0.9

0.7≤q﹤0.8

0.6≤q﹤0.7

负

荷

份

额

0.5≤q﹤0.6

0.4≤q﹤0.5

0.3≤q﹤0.4

0.2≤q﹤0.3

0.1≤q﹤0.2

2.5%

0.8%

q﹤0.1

0.0%

0%5%

6.1%

11.4%

1.7%

0.4%

2.2%

5.6%

5.2%

9.6%

12.2%

13.1%

负

荷

（

）

16.6%

16.4%

16.5%

15.9%

15.6%

冷负荷

热负荷

26.5%

21.6%

热负荷

冷负荷

10%15%

时间份额 T

20%25%30%

22324

时间（h）

图3 冷热负荷分布频率图图4 峰值负荷出现日负荷分布图

确定供热空调系统冷热源的总装机容量后，通

过分析建筑冷热负荷在全年的负荷分布来确定热泵

机组的台数和它们各自的容量。根据式1和式2进

行逐时负荷数据的分析，可以得到建筑物在制冷季

（6~9月份）和供热季（11~3月份）冷（热）负荷

分布频率，如图3。其峰值负荷出现日的负荷分布

见图4，此建筑物为居住建筑，对于冷负荷而言，

其负荷计算显示为下午和晚上较大。由图4可见，

即使是在空调系统运行中负荷最大的一天中，冷负

荷小于60%Qmax的时间也有10h。在本文算例中，

冷负荷率为20%~80%的时间份额约为85.8%，则在

热泵的台数和容量配置上应充分考虑机组在此负荷

区间的能效比。根据本算例的冷负荷数据，设定了

5种水源热泵机组的配置方式：方案1采用一台热

泵；方案2和方案3各采用2台热泵主机，配置原

则分别为1:1和1:0.6；方案4和方案5分别采用了

3台热泵主机，配置原则分别为1:1:l和1:1:0.6。各

方案中水源热泵的台数和主要参数如表1所示。结

合系统负荷和热泵主机的配置情况，可从热泵控制

策略的角度，对系统的冷（热）负荷权重和热泵运

行负荷率进行分析，如表3。该表实际上反映了热

泵组运行的控制策略

表2 各方案水源热泵主机参数表

方案1

方案2

方案3

方案4

方案5

热泵型号台数制冷量（kW）制冷功率（kW）制热量（kW）制热功率（kW）

WM-260B 1 820 164 897 224.3

WM-130B 2

WM-100B 1

WM-90B 3

WM-100B 2

WM-65B 1

412

318

287

318

208

82.4

63.6

57.4

63.6

41.6

451

348

314

348

227

135.2

87.0

78.5

87.0

56.75

WM-160B 1 506 101.2 554 138.5

注：本表中制冷能效比取5，制热能效比取4。

表3冷负荷权重和热泵主机负荷率分析表

负荷权重

机组负荷

方案1

10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

80 160 240 320 400 480 560 640 720 800

820kW% 10% 20% 29% 39% 49% 59% 68% 78% 88% 98%

kW 80 160 240 320 400 480 560 640 720 800

412kW% 19% 39% 58% 78% 97% 58% 68% 78% 87% 97%

kW 80 160 240 320 400 240 280 320 360 400

412kW%

506kW%

关

58% 68% 78% 87% 97%

kW 240 280 320 360 400

79% 95% 68% 78% 87% 97%

400 240 344 393 442 491

关

68% 78% 87% 97%

216 247 278 309

方案2

方案3

318kW% 25% 50% 75% 100%

关

kW 80 160 240 318

287kW% 28% 56% 84% 58% 70% 84% 98% 74% 84% 93%

kW 80 160 240 160 200 240 280 213 240 267

方案4

287kW%

318kW%

方案5

318kW%

208kW% 38% 77%

关关

关关关

58% 71% 86% 98% 74% 84% 93%

160 200 240 280 213 240 267

关关关关

74% 84% 93%

213 240 267

75% 100% 76% 91% 88% 100% 85% 95%

240 318 242 290 280 318 271 301

关关关关

88% 100% 85% 95%

280 318 271 301

76% 91%

关关

85% 95%

kW 80 160 158 190 178 197

对于水源热泵机组来讲，其制热量同制冷量相

当，但是建筑冷负荷与热负荷的关系却未必如此。

通常在华北或南部地区，其冷负荷要大于热负荷，

如本文所涉及的南京工程，峰值冷负荷为801kW，

峰值热负荷仅为294kW。在这种负荷条件下，即使

在采用多台机组联合运行的情况下，

＞70%和

＞50%时，方案4的负荷分布频率分别仅为20.4%

和43.1%，方案5的负荷分布频率仅为57.5%和

65.75%，方案1~3更低。显然在这种负荷条件和主

机配置情况下，方案1~5中热泵主机有相当多的时

间均会以低负荷率的状态运行，会显著地增加运行

能耗。此外，当采用地埋管换热器作为低温热源时，

还会有相当影响的冷热不平衡产生。为解决上述两

个主要问题，采取一定的措施是必要的，例如引入

生活热水的制备和增加供热用户（供热负荷）。考

虑到住宅系统的使用情况，将用户负荷或峰值负荷

增加到740kW对解决上述两个问题应是比较有效的

措施。表4热负荷权重分析和热泵主机负荷率分析

表在峰值负荷为在740kW的条件下作了进一步的数

据分析。结合图3冷热负荷分布频率图，对表3和

表4的数据进一步总结可以得到表5主机高效运行

区的负荷分布频率。此处对于高效运行区的定义是

指主机运行大于一定值的负荷率（

）。

以表3和表4对于热泵主机运行策略和负荷权

重的设定作为假设，依据式3可以计算出各个方案

热泵主机制冷季和供热季的能耗（耗电量），见表6

热泵主机运行能耗表。

以方案5的制冷季能耗作为基准值，方案1~4

分别多消耗电能12.59%、1.35%、0.34%和1.3%。

从主机高效运行区的负荷分布频率和主机制冷季的

能耗来看，方案1（1台主机）是最差方案，计算能

耗比其他4个方案要高出11.14%。方案5（主机的

配置原则为1:1:0.6）是最佳配置，计算能耗最低，。

方案3（主机配置原则为1:0.6）是方案2（主机配

置原则为1:1）的改进方案，当

＞70%时，主机高

效运行区的的负荷份额由44.85%提高到65.05%；当

负荷权重

机组负荷

方案1

＞50%时，主机高效运行区的负荷份额基本相同。

方案5是方案4（主机配置原则为1:1:1）的改进方

案，当

＞70%时，主机高效运行区的的负荷份额

由66.75%提高到93.05%；当

＞50%时，方案5主

机高效运行区的负荷份额稍高于方案4。

表4热负荷权重和热泵主机负荷率分析表

10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

74 148 222 296 370 444 518 592 666 740

897kW% 8% 17% 25% 33% 41% 50% 58% 67% 74% 83%

kW 74 148 222 296 370 444 518 592 666 740

451kW% 16% 33% 49% 66% 82% 98% 57% 66% 74% 82%

kW 74 148 222 296 370 444 259 296 333 370

451kW%

554kW%

关

关关

57% 66% 74% 82%

kW 259 296 333 370

67% 80% 94% 66% 74% 82%

370 444 518 364 409 455

关

66% 74% 82%

228 257 285 74 148 222 296

方案2

方案3

348kW% 21% 43% 64% 85%

关

314kW% 24% 47% 71% 94% 59% 71% 82% 94% 71% 79%

kW 74 148 222 296 165 222 259 296 222 247

方案4

314kW%

348kW%

方案5

348kW%

关关关

关关关关

59% 71% 82% 94% 71% 79%

165 222 259 296 222 247

关关关关

71% 79%

222 247

85% 64% 77% 90% 85% 96% 80%

296 224 269 314 256 333 279

关

关关关

85% 96% 80%

关

80%

182

kW 256 333 279

227kW% 33% 65% 98%

kW 74 148 222

64% 77% 90%

关

146 175 204

以方案5的供热季能耗作为基准值，方案1~4

分别多消耗电能26.85%、26.10%、1.29%和1.05%。

从主机高效运行区的负荷分布频率和主机供热季的

能耗来看，方案1和方案2是最差方案，计算能耗

比其他4个方案要高出24.8%。方案5是最佳配置，

计算能耗最低。方案3是方案2的改进方案，当

＞

70%时，主机高效运行区的的负荷份额提高了由

24.95%提高到41.30%；当

＞50%时，主机高效运

行区的负荷份额基本相同。方案5是方案4的改进

方案，当

＞70%时，主机高效运行区的的负荷份

额由52.90%提高到70.40%；当

＞50%时，方案5

主机高效运行区的负荷份额由70.40%提高到

96.05%。

结合两种工况的负荷权重分析和能耗计算数

据，方案5是最优方案。进一步增加热泵主机台数

的并联运行，可以提高热泵机组高效运行区的负荷

份额，但从能耗的减少趋势、循环水泵的并联流量

损失、管道附件的费用增加等方面来考虑，可能并

不存在必要性。方案3~5采用2台机组或3台机组

配置，均是一种良好的可行方案。方案3和方案5

相对于方案1采用了多台布置的方式，相对于方案

2和方案4采用了不对称配置的方式，并取得了一

定的效果。在制冷工况中方案2~5的计算能耗基本

相似，差距在1.5%之内。在供热工况下，方案3~5

的计算能耗基本类似，差距在1.3%以内，方案3相

对于方案2的改进取得了显著地效果，能耗降低了

制冷季

方案1

约24.8%，这说明在系统中配置2台主机时，不对

称的设计原则是一种降低热泵主机能耗的有效措

施。表5中仅计算了热泵主机的耗能量，因为循环

水泵的流量通常根据对应热泵的制冷（热）量计算

取得，因此如果将循环水泵的能耗计入，各个方案

之间的能耗差距还会加大。

方案2 方案3 方案4 方案5

表5 主机高效运行区的负荷分布频率

供热季

＞70%

＞50%

＞70%

＞50%

20.40% 44.85% 65.05% 66.75% 93.05%

49.25% 93.05% 93.05% 96.05% 99.15%

4.50% 24.95% 41.30% 52.90% 70.40%

37.00% 81.65% 87.35% 87.35% 96.05%

表6 热泵主机运行能耗表

注：其中方案5为主机负荷率＞75%的时间份额

制冷季

供热季

能耗（kWh）

能耗增加比值

能耗（kWh）

能耗增加比值

方案1

289653

372792

方案2

260722

370564

方案3

258132

297674

方案4

260591

296968

方案5

257257

293874

12.59% 1.35% 0.34% 1.30%

——

26.85% 26.10% 1.29% 1.05%

——

注：制冷季按6~9月运行计算，制热季按照11~3月运行计算

3 结论

基于详细的全年逐时负荷数据，对负荷分布频

率和热泵主机负荷权重进行负荷率和能耗分析，为

水源热泵机组的优化配置提供了合理的依据。在系

统中仅配置一台热泵主机不利于该系统部分负荷条

件下的节能运行。多台热泵联合运行和容量不对称

的配置原则，有利于系统部分负荷条件下每台机组

的部分负荷权重向满载靠拢。尤其是当系统配置2

台热泵主机时，以本文算例提供的条件下，全年可

以有效降低热泵机组约11.4%的运行能耗。当系统

中配置2台热泵时，容量匹配原则采取1:0.6，当系

统中配置3台热泵时，容量匹配原则采取1:1:1和

1:1:0.6，属于良好的可行配置方式。在本文算例中

所采用的负荷条件下，热泵机组采用3台机组联合

运行和不对称的方式，最终制冷季93.05%、供热季

70.4%左右的时间内，热泵机组均可保证在70%以上

负荷率运行，保证了热泵机组电机较高的效率，从

而为热泵机组本身保证较高的能效比提供了有利条

件。以算例中所采用的负荷和制冷工况的计算数据

来讲，当设定

＞50%时，方案2~5中主机负荷分

布频率均在93%以上，且能耗相差较小，在1.5%以

内，因此

＞50%可以定义为制冷季热泵主机的高

效运行区。

参考文献

[1] 刁乃仁,苏登超,方肇洪. 常用水源热泵空调系统

分析[J].工程建设与设计,2003(4):8-12

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[5] 江亿. 建筑环境设计模拟分析软件DeST[M].

北京：清华大学出版. 2003

水源热泵机组的台数配置及能耗分析

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