地源熱泵數據監測系統在遷安市某住宅小區中的應用

楊賓，顧吉浩，王琳，左德功，齊承英

（河北工業大學能源與環境工程學院，天津 300401）

地源熱泵數據監測系統在遷安市某住宅小區中的應用

楊賓，顧吉浩，王琳，左德功，齊承英

（河北工業大學能源與環境工程學院，天津 300401）

建立了一套地源熱泵數據監測系統，采集并分析了2012～2013年采暖季的運行數據，對該地源熱泵系統的實際運行情況有了更直觀的了解．統計結果表明，整個采暖季中，該熱泵系統和機組的平均能效比（COP）分別為3.7和4.3，采暖運行費用為9.1元/m2，小于市政管網的供熱費用17元/m2，經濟效益明顯，為該地區地源熱泵技術的應用和推廣提供了一定的參考．

地源熱泵；數據監測系統；運行能效；性能參數；應用

0 引言

近年來，隨著地源熱泵系統在國內的廣泛應用，一些問題也逐漸暴露出來，主要體現在地質勘查、系統設計、施工管理及運行監控等方面，甚至出現了一些運行失敗的情況[1]．《地源熱泵系統工程技術規范》（GB50366-2009）中對熱響應實驗、系統設計、工程施工等做了進一步的完善，但對運行數據的監控尚無說明．國內一些相關專業人員因此提出了建立能耗數據監測系統的技術路線和研究方法[2-3]，但實際應用或公開的數據并不多見．文獻[4]對大型公建的分項能耗進行了長期的監測與統計，但地源熱泵系統的運行數據并未涉及．文獻[5-6]僅通過能效測評結合模擬分析的方法獲得了地源熱泵系統的運行數據．截止到目前為止，多家國家級能效測評機構已對可再生能源應用示范城市的地源熱泵項目進行了檢測，由于受測試時間和天氣的限制，其測評結果僅能反映某一時間段的運行效果，并不能代表真實的運行情況．為解決以上問題，住房和城鄉建設部于2009年編制了《可再生能源建筑應用示范項目數據監測系統技術導則》（試行版），在此框架下地源熱泵數據監測系統才真正發展了起來．本課題組建立了一套地源熱泵數據監測系統，并對實際運行數據進行了長期的監測與分析，為地源熱泵數據監測系統的完善與發展提供一定的參考．

1 研究對象及方法

1.1 項目概況

該小區毗鄰遷安市小營口村南側，建于2008年，總建筑面積75106m2．前期的水文地質勘查結果表明，該區域的第4孔隙含水層厚度在10～15 m左右，分布廣泛且發育較為穩定．由抽水試驗結果可知，含水層發育地段的單井涌水量為1 300 m3/d，最大降深0.55 m，說明為該含水層富含水性中等，可為水源熱泵系統提供可靠的熱源．另外，該小區僅利用熱泵技術供暖，設計熱負荷為2 403 kW，末端為低溫地面輻射采暖，熱泵系統的主要配置見表1．

表1 地源熱泵系統的主要設備配置Tab.1The main equipment of the GSHP

1.2 數據監測系統簡介

地源熱泵數據監測系統的主要設備如下：超聲波冷/熱量表、三相智能電功率表、電流互感器、環境溫度采集器（Pt1000熱電偶）、集中數據采集裝置、PC、客戶端軟件等．超聲波冷/熱量表和電功率表的RS485通訊端口通過信號屏蔽線與數據采集裝置相連，采集裝置自動將采集的數據通過GPRS定時（一般為5～10 min）傳輸到中心數據庫，數據庫將數據分類并保存．用戶利用已授權的賬戶和密碼，通過Internet訪問中心數據庫，即時了解熱泵系統的運行情況．

地源熱泵子監測系統主要是由地源熱泵抽水系統、熱泵機組、地源側/用戶側循環管道、循環水泵、空調水泵、集水器/分水器和控制系統、變送器、數據采集儀器等輔助設施組成．監測儀表主要包括流量變送器、溫度變送器、濕度變送器、電能表等．

1.3 數據監測系統原理

地源熱泵數據監測系統主要是由地源熱泵抽水系統，地源側/用戶側循環系統，循環水泵，集水/分水器和控制系統，數據手機系統等輔助設備組成，如圖1所示．其檢測儀器主要包括電能表，流量變送器，溫度變送器等．主要監測數據如下：1）熱泵側供/回水溫度t1、t2、瞬時流量G1、累計流量G1、累計熱量Q1；2）用戶側供/回水溫度t1'、t2'、瞬時流量G2、累計流量G2、累計熱量Q2；3）熱泵機組瞬時功率Pj、總電耗Nj；4）水泵瞬時功率Pb、總電耗Nb；5）環境溫度T0．熱泵系統和機組的COP值按下式進行計算：系統COP=Q2/(Nj+Nb)；機組COP =Q2/Nj（參數單位：溫度為℃，瞬時流量為m3/h，累計流量為m3，累計熱量為kW h，瞬時功率為kW，累計電耗單位為kW h）．

圖1 數據監測系統原理圖Fig.1Principle diagram of monitoring system

1.4測試要求

地源熱泵供熱系統的數據監測，必須在負荷穩定的條件下進行數據記錄，機組的最大負荷不宜超過設計值的80%．為了便于分析不確定度，應該假設機組負荷值穩定，其各個測試儀器的精確度見表2．

根據地源熱泵數據監測系統原理圖，系統系統誤差主要產生于系統的水溫溫度測量，熱量測量和電表計數過程中．因此系統主要存在4種類型測量誤差．水溫溫度測量誤差，由于水銀本身在不同溫度段有不同的熱膨脹系數以及毛細管現象，導致了溫度計不可避免的誤差．同時由于溫度計在測量水溫時，水銀柱的升降落后于溫度變化，因此溫度計讀數也有一定的滯后性．超聲波熱量表的誤差來源主要來自本身采用的時差測量法，其容易導致在熱量表內部的換能器物理和電氣性能參數的變化，導致了計量誤差．三相智能電功率表將電流信號通過內部的微處理器通過模/數通道轉換成微處理器直接接收的數字量，在轉換過程中由于存在時間差導致了誤差．數字式智能電流表由于泵的電流波動較快，會造成數采回路中電流變換器的鐵芯飽和，產生了電流測量誤差．

表2 測試儀器Tab.2Accuracy of measurement instruments

圖2 地源熱泵數據監測系統現場局部圖Fig.2The local map of monitoring system for GSHP

2 實例應用與分析

在遷安市住房和城鄉建設局的支持下，筆者于2012年9月為上述地源熱泵系統安裝了一套數據監測系統，圖2給出了現場監測裝置的圖片．

2.1 運行數據分析

數據監測系統自2012年供暖季開始自動采集運行數據，采集頻率為1次/5 min．當用戶熱負荷需求不大時，僅開啟一臺熱泵機組，水源側3臺潛水泵同時運行，用戶側運行1臺水泵；隨著供熱負荷的增大，兩臺熱泵機組同時開啟，水源側6臺潛水泵同時運行，用戶側2臺水泵并聯運行．由于采暖季的數據量比較大，圖3以某天（00:00～23:50）的數據為例，分別給出了水源側和用戶側全天供回水溫度和瞬時流量的變化曲線．

由圖中可以看出，水源側的供水溫度基本不變，穩定在17.2℃左右，回水溫度在13.1～14.8℃之間變化；而用戶側的供水溫度在39.5～41.5℃之間變化，回水溫度維持在35.5℃左右．數據表明，在同一時刻，用戶側供水溫度的升高必然引起水源側回水溫度的下降，兩者溫度的變化與用戶熱負荷的需求密切相關．

圖3 水源側和用戶側全天供回水溫度和流量變化（11月15日）Fig.3The all-day supply water temperature and flow rate change from the water source and user sides(Nov.15th)

由表1中水泵銘牌參數可知，水源側3臺潛水泵同時運行時的總流量應為189 m3/h，與實測值184～211m3/h基本吻合．用戶側實測流量的變化范圍為169～179m3/h，略小于額定流量220m3/h，流量偏小的原因可能是由于用戶側管網的實際阻力大于設計值，因此造成了水泵的工作點向左上方偏移．

2.2 累計能耗與性能系數

圖4給出了熱泵系統的逐日累計耗電量和逐日累計負荷．可以看出，供暖初期和末期的電耗與熱負荷均較小，兩者的變化趨勢基本一致．根據氣象資料記載，自2013年1月3日開始，該地區正處于極端低溫天氣，室外最低溫度為17～18℃，因此這段時間的熱負荷和電耗比較大．統計數據表明，1月3日的累計熱負荷和累計耗電量分別為52 519 kW h和14 450 kW h，系統COP平均值為3.63，用戶側平均熱負荷為2 188 kW，與設計峰值負荷2 403 kW基本接近．

圖5進一步給出了該熱泵系統平均性能系數的變化曲線．可以看出，供暖初期和末期熱泵系統和機組的COP值較高，供暖中期COP值則有所下降．熱泵系統的COP值與用戶的熱負荷密切相關，由于外部參數和用戶需求的變化，熱泵機組往往需要改變壓縮機轉速變負荷運行．研究表明，隨著壓縮機轉速的升高，熱泵系統的制冷/熱量和壓縮機的耗功均不同程度的增大，而負荷變化對壓縮機耗功的影響作用略大于熱泵系統的制冷/熱量的影響，因此當負荷增大時，熱泵機組的COP值是有所下降的，但下降幅度較小，變化比較平緩，以保證系統在全年各種不同的負荷下，始終具有較高的能效比[7]．因此，當嚴寒季節用戶熱負荷需求較高時，熱泵系統和機組的COP值均略有下降，采暖季兩者COP的平均值分別為3.7和4.3．

圖4 日累計耗電量與日累計熱負荷Fig.4The power consumption and heating loadaccumulated in a day

圖6為2012～2013年采暖季地源熱泵系統各部分能耗的統計結果．通常而言，在地源熱泵系統中，水泵的能耗不超過總能耗的30%[8]，故合理控制水泵的運行也是節能的重要手段之一．用戶側和水源側水泵的能耗分別為150 230 kW h和36 988 kW h，占總能耗的14%．1#機組和2#機組的能耗分別為514 950 kW h和608 784 kW h，兩者占總能耗的86%．由此可見，選擇部分負荷性能系數（IPLV）較高的熱泵機組是實現節能運行的關鍵．

由圖6的2012～2013年采暖季耗電量統計結果可知，熱泵系統總能耗為1 310 952 kW h，若該地區的電價按0.52元/(kW h)計算，則采暖季總運行費用為681.7萬元，折合每平米建筑面積為9.1元，小于當地市政管網的供熱費用17元/m2，經濟效益明顯．

圖5 地源熱泵系統的日均性能參數Fig.5 TheaverageperformanceparametersoftheGSHP

圖62012 ～2013年采暖季耗電量統計Fig.6The power consumption in the heating season in 2012～2013

3 效益分析

3.1 經濟效益

與常規供暖燃煤鍋爐相比，表3為此地源熱泵和水源熱泵供暖系統在增量成本，增量投資回收期以及項目費效比．其中增量成本指的是與常規的供暖系統相比，利用熱泵供暖增加的初投資．增量投資收期指的是增量成本與年節約費用之比；項目費效比為年節約費用與項目節電量之比，其具體指的是此地源熱泵系統運行第1年每節電1 kW h所增加的所增加的初投資費用．

表3 增量成本與回收期對比圖Tab.3The comparison of incremental cost and payback period

國家電網的相關規定，遷安市住宅建筑用電的平均價格為0.54元/kW h，考慮線損等因素，電價定為0.50元/kW h．從圖上可以看出本系統的回收期值為4.64 a，比水源熱泵系統的回收期少22%，地源熱泵系統的費效比為4.21元/kW h，比土壤熱泵系統的費效比低40%．地源熱泵系統的單位面積的增量成本為98.3元/m2，而土壤熱泵的單位面積的增量成本為134.6元/m2．從數據看出此工程采用的地源熱泵供暖系統具有更高的經濟性．

3.2 環境效益

以常規的供暖燃煤鍋爐相比，地源熱泵供暖系統沒有任何的污染，不排放污染物質，不需要堆放燃料廢物的場地，并且熱效率高，不用遠距離輸送熱量，適應社會對能源的發展要求．通過相關計算本項目可以節約標準煤13 318.2 t/a，并且減少二氧化碳排放量32 895.9 t/a，二氧化硫266.4 t/a，其環境效益顯著．

4 結論

1）基于地源熱泵數據監測系統，對采暖季的運行數據進行了采集與分析，更直觀的了解了該熱泵系統的運行性能及能耗狀況．整個采暖季中，熱泵系統和機組的COP值分別為4.3和3.7，采暖運行費用為9.1元/m2，小于市政管網供熱費用17元/m2，具有明顯的節能效果和經濟效益．

2）從經濟效益角度分析，與常規供暖燃煤鍋爐相比，通過比較地源熱泵和水源熱泵供暖系統在增量成本，增量投資回收期以及項目費效比，地源熱泵系統系統的回收期值比水源熱泵系統的回收期少22%，其費效比土壤熱泵系統低40%．地源熱泵系統的單位面積的增量成本為98.3元/m2，而土壤熱泵的單位面積的增量成本為134.6元/m2．可以看出地源熱泵供暖系統比水源熱泵系統更具有經濟效益．

3）可以預見，地源熱泵技術將會進入規模化的推廣和應用，為推動該技術健康、有序的發展，建議有關部門盡快組織和完善地源熱泵數據監測系統的標準體系，使節能效果逐漸透明化，以實現真正的建筑節能．

[1]汪訓昌．關于發展地源熱泵系統的若干思考[J]．暖通空調，2007，37（3）：38-43．

[2]唐桂忠，張廣明．公共建筑能耗監測與管理系統關鍵技術研究[J]．建筑科學，2009，25（10）：27-31．

[3]王磊，于軍琪，馬媛．大型公共建筑能耗無線遠程監測與節能管理系統研究[J]．建筑節能，2011，39（241）：65-67．

[4]孫峙峰，孟沖．某典型公用建筑地下水源熱泵系統實際運行工況的測試評價研究[J]．建筑科學，2011，27（12）：49-52．

[5]牛利敏，孟沖．辛集市以地熱棄水為熱源的熱泵供暖方式探討[J]．暖通空調，2011，41（3）：120-123．

[6]李毅，生曉燕，趙云峰．青島市某大型公建能耗分項計量監測及能耗指標分析[J]．綠色建筑，2010（2）：39-42．

[7]邱林．變負荷運行對熱泵性能系數影響的分析[J]．節能技術，2006，24（5）：419-421．

[8]趙冰，湛文賢，趙靈．某地埋管地源熱泵系統夏季運行性能分析[J]．河北工業大學學報，2012，41（4）：49-54．

[責任編輯 田豐]

Application of ground-source heat pump data monitoring system of a residence in Qian'An

YANG Bin，GU Jihao，WANG Lin，ZUO Degong，QI Chengying

(School of Energy and Environment Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

Based on the ground-source heat pump(GSHP)data monitoring system,the author collected and analysed the operating data of heat season in 2012～2013 which helps the author have more understanding about the actual operation of GSHP.Results show that the average COP of systems and units was respectively 3.7 and 4.3.The operating cost was 9.1 yuan/m2which was less than the heat cost 17 yuan/m2of municipal heating pipe network in the heating season. Hence,its remarkable economic effect will help widen the use of GSHP in this area.

ground-source heat pump;data monitoring systems;operation performance;coefficient of performance; applying

TU83

A

1007-2373(2015)03-0079-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.03.015

2014-12-29

國家“十二五”科技支撐計劃（2012BAJ06B04）；河北省高等學校科學技術研究項目（QN20131118，QN2015028）

楊賓（1980-），男（漢族），講師，博士，yangbin0720@126.com．

數字出版日期：2015-06-17數字出版網址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20150617.0941.001.html