地源熱泵系統(tǒng)能源站節(jié)能評估淺析

夏維　夏勇　胡梅　王菲　趙長海　姚金玲　宋曉龍　徐福鑫

（1農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所天津3001912天津天發(fā)源環(huán)境保護(hù)事務(wù)代理中心有限公司天津300384）

地源熱泵系統(tǒng)能源站節(jié)能評估淺析

夏維1夏勇2胡梅1王菲1趙長海1姚金玲1宋曉龍1徐福鑫1

（1農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所天津3001912天津天發(fā)源環(huán)境保護(hù)事務(wù)代理中心有限公司天津300384）

根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析了地源熱泵系統(tǒng)能源站節(jié)能評估時(shí)各環(huán)節(jié)的需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

地源熱泵系統(tǒng)；能源站；節(jié)能評估

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展與迅猛的城市化進(jìn)程，在北方地區(qū)傳統(tǒng)集中供熱普及率不斷提高的基礎(chǔ)上，兼具供熱、供冷功能的區(qū)域能源系統(tǒng)，從無到有、長足發(fā)展。地源熱泵系統(tǒng)是隨著全球性的能源危機(jī)和環(huán)境問題出現(xiàn)而逐漸興起的一項(xiàng)熱泵技術(shù)。地源熱泵系統(tǒng)有著高效，節(jié)能，環(huán)保的特點(diǎn)，倍受全世界各國的青睞，出現(xiàn)良好的發(fā)展勢頭，現(xiàn)在被越來越多的在區(qū)域能源系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。筆者根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)，簡要分析了在地源熱泵系統(tǒng)能源站節(jié)能評估中各環(huán)節(jié)的關(guān)注點(diǎn)。

1　能源供應(yīng)情況分析評估

在對地源熱泵系統(tǒng)能源站進(jìn)行能源供應(yīng)情況分析評估時(shí)，除對當(dāng)?shù)仉娏Α⑷剂系人媚茉雌贩N的情況進(jìn)行分析評估，亦應(yīng)對項(xiàng)目所在地的地?zé)豳Y源條件進(jìn)行分析評估。在進(jìn)行地?zé)豳Y源條件分析評估時(shí)，可詢問建設(shè)單位是否對工程場地進(jìn)行了淺層地?zé)峥辈欤绻M(jìn)行了淺層地?zé)峥辈欤刹榭纯辈靾?bào)告結(jié)論，確定工程場地地?zé)釛l件是否滿足地源熱泵需求。如尚未進(jìn)行工程場地淺層地?zé)峥辈欤瑒t評估單位需要收集項(xiàng)目所在地淺層地?zé)豳Y源相關(guān)資料，分析項(xiàng)目是否處于地源熱泵適宜區(qū)。

2　項(xiàng)目建設(shè)方案節(jié)能評估

評估單位在對地源熱泵系統(tǒng)能源站在進(jìn)行建設(shè)方案節(jié)能評估時(shí)，應(yīng)先對用戶側(cè)冷熱負(fù)荷需求及負(fù)荷特性、地埋管系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行分析。并以此為基礎(chǔ)，對能源站系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、運(yùn)行控制策略進(jìn)行節(jié)能評估。

2.1用戶側(cè)冷、熱負(fù)荷需求與負(fù)荷特性分析

能源站用戶側(cè)冷、熱負(fù)荷需求和負(fù)荷特性是確定能源站建設(shè)規(guī)模的重要依據(jù)。用戶側(cè)冷熱負(fù)荷預(yù)測不準(zhǔn)確，冷、熱負(fù)荷變化情況不清楚，就無法確定能源站的建設(shè)規(guī)模，也無法對能源站供冷、供熱運(yùn)行方案進(jìn)行論證。為了確定能源站的冷、熱負(fù)荷需求和負(fù)荷特性，需要對能源站服務(wù)范圍內(nèi)各用戶的分布位置和各用戶的動(dòng)態(tài)負(fù)荷需求進(jìn)行分析，并對各用戶綜合作用下的冷、熱負(fù)荷需求進(jìn)行分析。一般能源站項(xiàng)目在進(jìn)行可行性方案編制時(shí)，用戶側(cè)負(fù)荷預(yù)測會(huì)是其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在進(jìn)行能源站項(xiàng)目節(jié)能評估時(shí)，評估單位需要審核其負(fù)荷預(yù)測采用的方法是否準(zhǔn)確，采用面積指標(biāo)法校核其負(fù)荷預(yù)測結(jié)果是否合理。

2.2地埋管設(shè)計(jì)負(fù)荷分析

地埋管設(shè)計(jì)負(fù)荷決定了地埋管系統(tǒng)可承擔(dān)的用戶側(cè)冷熱負(fù)荷量，其大小由埋管數(shù)量、單位孔埋深排（取）熱量、熱泵機(jī)組制冷（熱）性能系數(shù)COP、循環(huán)水在輸送過程中的得熱量（失熱量）、水泵釋放熱量決定，其計(jì)算公式如下[1]。

式中：Q取—地埋管系統(tǒng)從土壤中最大取熱量

Q排—地埋管系統(tǒng)朝土壤中的最大排熱量

Q熱—地埋管系統(tǒng)可為用戶提供的最大熱負(fù)荷

Q冷—地埋管系統(tǒng)可為用戶提供的最大冷負(fù)荷

Q1—地源側(cè)循環(huán)水系統(tǒng)輸送過程中的失熱量

Q1‘—地源側(cè)循環(huán)水系統(tǒng)輸送過程中的得熱量

Q2—水泵釋放熱量

COP—地源熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)

EER—地源熱泵機(jī)組制冷性能系數(shù)

計(jì)算時(shí)，由于循環(huán)水在輸送過程中的得熱量（失熱量）和水泵釋放熱量所占比例很小，一般忽略不計(jì)。則地埋管設(shè)計(jì)負(fù)荷可根據(jù)系數(shù)設(shè)計(jì)埋管數(shù)量、埋管深度、地埋管單位孔深取（排）熱量、所選地源熱泵機(jī)組制冷（熱）性能系數(shù)計(jì)算。其中地埋管單位孔深取（排）熱量可根據(jù)地?zé)峥辈靾?bào)告獲得。

2.3項(xiàng)目選址、總平面布置節(jié)能評估

能源站項(xiàng)目進(jìn)行選址、總平布置節(jié)能評估時(shí)，主要分析能源站是否處于負(fù)荷中心，從而降低輸送能耗和熱（冷）量損失。以及能源站布置是否有利于能源輸送。

2.4地?zé)崞胶夥治黾跋到y(tǒng)方案節(jié)能評估

地源熱泵系統(tǒng)利用地下10m～20m以下土壤溫度一年四季相對穩(wěn)定的特點(diǎn)，通過地埋管系統(tǒng)熱交換，利用熱泵冬季將地下熱量輸入到用戶端進(jìn)行供熱，夏季將用戶端熱量輸送至地下。但是由于用戶端冷熱負(fù)荷的不同及供冷期和供熱期時(shí)長的差異，造成地埋管周圍土壤的取熱量和排熱量的季節(jié)不平衡性，導(dǎo)致地埋管周圍土壤溫度升高或降低，從而影響地源熱泵系統(tǒng)冬季或夏季效率。一般情況下，土壤溫度每升高1℃，會(huì)使制取同樣熱量的能耗增加3%～4%[2]。因此在進(jìn)行節(jié)能評估時(shí)，需要注意對其方案設(shè)計(jì)中地?zé)崞胶夥桨阜治觯⒎治鱿到y(tǒng)的輔助供熱（供能）方案。

2.5運(yùn)行控制策略節(jié)能評估

地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行控制策略、系統(tǒng)控制參數(shù)是影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行性能和能耗重要影響因素。不同的運(yùn)行控制策略，其系統(tǒng)的節(jié)能效果有很大的差異。因此在進(jìn)行節(jié)能評估時(shí)，需要基于上述用戶側(cè)冷、熱負(fù)荷需求和負(fù)荷特性，分析并選取合理的運(yùn)行控制策略。

3　全年能耗計(jì)算及系統(tǒng)能效評估

在常用的空調(diào)系統(tǒng)能耗計(jì)算有度日法、當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間法、負(fù)荷頻率法（BIN法）、計(jì)算機(jī)模擬法等。當(dāng)計(jì)算地源熱泵系統(tǒng)能源站能耗時(shí)，建議選取BIN法或者動(dòng)態(tài)模擬法。在選用BIN法選取氣象參數(shù)時(shí)，需要注意根據(jù)各終端用戶用能特點(diǎn)應(yīng)選取相應(yīng)供能時(shí)間段內(nèi)的BIN氣象參數(shù)。然后利用動(dòng)態(tài)模擬法或者BIN法計(jì)算的結(jié)果，根據(jù)冷（熱）源機(jī)組的變工況性能表查出相應(yīng)工況下的機(jī)組耗能，與該工況下的供冷（熱）季小時(shí)頻率值相乘后累加即可計(jì)算出冷（熱）源設(shè)備的耗能量。其他輔助設(shè)備（水泵、冷卻塔）等可采用趙榮義所著簡明空調(diào)設(shè)計(jì)手冊中的空調(diào)系統(tǒng)能耗計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

在進(jìn)行地源熱泵系統(tǒng)能源站系統(tǒng)能效評估時(shí)，應(yīng)分別計(jì)算系統(tǒng)供冷和供熱綜合能效，并計(jì)算用戶端水泵輸熱（冷）能效比。

4　節(jié)能措施評估

一般地源熱泵機(jī)組能耗占項(xiàng)目總能耗的60%，水泵系統(tǒng)能耗占項(xiàng)目的20%左右。在進(jìn)行地源熱泵系統(tǒng)能源站節(jié)能技術(shù)措施評估時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)從地源熱泵機(jī)組和水泵的節(jié)能措施進(jìn)行評估。例如地源熱泵機(jī)組采用軟啟動(dòng)，用戶側(cè)水泵采用變頻水泵等措施。

地源熱泵系統(tǒng)能源站節(jié)能與否不僅取決的項(xiàng)目前期的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，更取決于后期管理。與傳統(tǒng)供熱供冷系統(tǒng)相比，地源熱泵系統(tǒng)尚屬于新型供能系統(tǒng)，因此一般管理人員為非專業(yè)人員，建議地源熱泵系統(tǒng)能源站在運(yùn)行時(shí)采用合同能源管理，提高項(xiàng)目在運(yùn)行期的節(jié)能量。

地源熱泵系統(tǒng)能源站屬于區(qū)域供能系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)配備齊全的能源計(jì)量儀器，并設(shè)置綜合能源監(jiān)控管理系統(tǒng)，以為能源站運(yùn)營后的系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持。

夏維（1981—），女，天津，碩士研究生，助理研究員，研究方向：節(jié)能環(huán)保。

[1]地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范GB50366-2009[S].

[2]魏唐棣.地源熱泵地下豎埋管換熱器性能研究[D].重慶:重慶大學(xué),2001.