某辦公樓地源熱泵系統運行能效測試與經濟性分析

蘇永強

（河北省地礦局第三水文工程地質大隊，河北衡水053000）

某辦公樓地源熱泵系統運行能效測試與經濟性分析

蘇永強

（河北省地礦局第三水文工程地質大隊，河北衡水053000）

對衡水市某地埋管地源熱泵系統的運行性能進行了全年監測與分析，并對系統能效與經濟性進行了評價.結果表明，制冷期與供暖期的整個熱泵系統能效比分別為2.33與2.36，系統總成本費用及年運行費用分別為傳統供熱制冷方式的69.6%與48.3%，每年可節省制冷采暖費用約27.98萬元，每年節能量折合為84.4 t標準煤，相當于減少排放二氧化碳220.1 t、二氧化硫1.78 t以及粉塵0.89 t.

地源熱泵；監測；能效系數；經濟性分析；實例分析

0 引言

地源熱泵系統是當前淺層地熱能利用技術中較為主要形式之一，在我國各地區應用較為廣泛.但在工程實踐中，工程地質勘查，系統設計、施工、監測等方面存在的缺陷與不足[1]對系統實際的能效及經濟性產生較大影響.近年來，研究人員針對地源熱泵系統的實際節能效果開展了較多測試工作.例如，陳焰華[2]針對武漢市某地下水源熱泵及地埋管地源熱泵系統運行情況進行分析.結果表明，該地下水地源熱泵系統能效比高于地埋管地源熱泵系統.趙冰[3]對唐山市某地源熱泵系統夏季工況進行能效分析.結果表明，該系統能效比僅為2.6，且管理與運行模式對系統節能性有較大影響.白雪蓮[4]測試了重慶地區某地表水地源熱泵的運行性能，其機組平均能效比為4.33，系統平均能效比為2.5，并提出了改善系統能效比的方法.胡先芳[5]對武漢市某地源熱泵運行狀況進行測試，并進行了能效及經濟性分析.結果表明，采暖工況系統能效系數高于制冷工況，系統每年單位面積節能量折合為6.66 kg標準煤.丁勇[6]針對重慶地區多個地源熱泵夏季工況運行能效進行分析，結果表明，各系統節能效果均不明顯，系統負荷率對能效水平有較大影響.王永鏢[7]通過經濟評價的方法，針對地源熱泵系統采用不同驅動方式、輔助熱源時的經濟參數進行了分析.柴立龍[8]測試了北京地區某溫室地下水地源熱泵系統供暖期內的運行情況，其系統供熱性能系數為3.83，比燃煤供暖節省42%能源消耗.楊賓等[9]針對河北遷安市某水源熱泵系統建立了一套地源熱泵數據監測系統，整個采暖季中的系統和機組能效比分別為3.7和4.3，采暖運行費用約9.1元/m2.上述研究均說明地源熱泵在實際運行過程中能效比（COP）較傳統供熱、制冷方式較高，但經濟性會因系統運行方式、設備配置、能源選擇及地域不同而變化.基于以上背景，本文針對河北省衡水市某地埋管地源熱泵系統制冷期及供熱期的運行情況、系統實際運行能效及經濟性進行測試分析，希望能夠為寒冷地區可再生能源建筑應用系統設計與優化運行提供一定參考借鑒作用.

1 項目概況

1.1 工程概況

該項目位于河北省衡水市，采用復合式地埋管地源熱泵系統.夏季制冷，冷源為地埋管換熱孔群與冷卻塔；冬季供暖，熱源為地埋管換熱孔群.室內末端為中央空調風機盤管與新風系統.采用該系統進行夏季制冷和冬季供暖的建筑包括：綜合辦公樓，建筑面積10 321 m2，其中1～6層商用，7～12層辦公；賓館面積約2 280 m2（僅冬季利用），即熱泵系統制冷面積10 321 m2，供暖面積12 601 m2，建筑設計冷、熱負荷見表1.

表1 建筑設計供熱與制冷負荷Tab.1 Design heating and cooling load of buildings

1.2 地埋管換熱系統

工程布置地埋管換熱孔共95口，地埋管換熱器孔深為140 m，孔徑為150 mm，地埋管采用雙U型DN32換熱管，換熱孔間距5 m，見圖1.熱泵機組選用三臺克萊門特螺桿式地源熱泵機組并行運行（機組型號為PSRHH1501，制熱量620.4 kW，輸入功率137.7 kW；制冷量577.7 kW，輸入功率113.8 kW），其中1#熱泵機組連接換熱孔群；2#熱泵機組連接換熱孔群及冷卻塔（額定流量100 m3/h），作為1#機組的備用機組；3#熱泵機組連接冷卻塔及地熱尾水，冬季利用地熱尾水補充供熱.地源側和用戶側各有循環泵3臺（額定流量100 m3/h、揚程34 m，額定功率22 kW）.熱泵機組在全年監測期運行期內，除系統調試外，均利用地埋管換熱系統.

圖1 地埋管地源熱泵系統換熱孔平面布置圖Fig.1 Layout of heat exchange boreholes of ground source heat pump system

1.3 監測系統

監測系統主要包括流量監測、溫度監測、耗電量監測及室溫監測等.各監測設備通過通訊線連接至數據采集模塊，利用相關軟件采集并分析數據，以監控熱泵系統整體運行情況.流量監測設備為電磁流量計，型號為WP-EMF-A1501A2BB11T52（測量范圍為4.5～635 m3/h，精度為0.5級），在地源熱泵機組、冷水源熱泵機組的機房側與用戶側總管處各安裝2套，共計4套，監測頻率1次/10 min；溫度監測設備為熱電阻溫度傳感器，型號為WZPB-231G（精度為0.5級），在地源熱泵機組、冷水源熱泵機組、地熱尾水源熱泵機組的機房側與用戶側的進/出水總管處各安裝4套，共計12套，監測頻率與流量監測一致；耗電量監測設備為智能單相綜合電表，型號為WP-LECJ-1723H（精度為0.5級），用于計量熱泵機組及循環泵用電量，采用人工記錄電量數據；室溫監測采用紅外測溫儀，定時采集該實驗樓11樓1110室、1101室溫度情況，人工記錄并形成室溫電子數據，數據采集頻率2次/h，監測時間與熱泵運行時間一致.

2 數據處理

用戶側供暖/制冷量：

地源側取熱/排熱量：

熱泵機組能效系數：

熱泵系統能效系數：

式中：Q1，Q2為用戶側、地源側供暖/制冷量，MW·h；ΔT為監測時間間隔，h；q1，q2為用戶側、地源側水流量，m3/h；，為用戶側、地源側進/出口水溫，℃；tin2，tout2為用戶側、地源側進/出口水溫，℃；ρ為水密度，kg/m3；cp為水比熱容，kJ/（kg·℃）；P1為熱泵機組耗電量，kW·h；P2為熱泵系統循環泵、風機盤管等輔助設備耗電量，MW·h.

3 結果與討論

3.1 室內溫度變化

圖2與圖3分別給出了夏季制冷與冬季供暖期間，實驗樓1110及1101房間的室溫變化曲線.可以看出，在整個夏季制冷期間，兩者室溫基本保持在24～26℃之間，而在整個冬季供暖期間，兩者室溫基本保持在20～24℃之間.《采暖通風與空氣調節設計規范》（GB50019-2003）規定，設計采暖時，冬季民用建筑室內主要房間計算溫度宜采用16～24℃，夏季室內溫度宜取22～28℃.因此，該地源熱泵系統運行過程中的實際室內溫度滿足規范要求，達到了設計室溫效果.

圖2 夏季制冷期室內溫度變化曲線Fig.2 Variations of the indoor temperature during the cooling operation in summer

圖3 冬季供暖期室內溫度變化曲線Fig.3 Variations of the indoor temperature during the heating operation in winter

3.2 系統運行能效分析

表2給出了地埋管地源熱泵系統運行期間的耗電量情況.可以看出，系統耗電主要包括熱泵機組耗電與循環泵（6臺）、補水泵（1臺）、加壓送風機（8臺）、風機盤管（319臺）等輔助設備耗電.全年日均耗電量為1 332.0 kW·h/d，其中冬夏運行季分別為1 741.7 kW·h/d和889.2 kW·h/d.制冷期和供暖期中機組與輔助設備耗電量之比分別為1.76∶1和2.05∶1.

表2 地埋管地源熱泵系統運行期間耗電量Tab.2 Electricity consumption during operation of ground source heat pump system

3.2.1 夏季工況

熱泵機組夏季運行模式為間歇運行和全天運行.在初夏和夏末階段，僅在9∶00～20∶00開啟，晚上關停.6月下旬～8月中旬，機組全天開啟，白天7∶00～22∶00熱泵機組為整棟綜合實驗樓制冷，晚上22∶00～次日7∶00為1～6層的商用樓層制冷，整個夏季運行時間約1 107 h.

圖4和圖5分別給出了制冷期內熱泵機組地源側及用戶側流量及供/回水總管水溫的變化曲線.可以看出，6月21日開始系統運行時間增加，地源側流量增大，地源側供/回水溫度下降，溫差減小；8月13日運行時間減少，地源側流量減小，地源側供回水溫度不再升高，呈降低趨勢.熱泵機組地源側供水總管水溫變化范圍為20.5～25.5℃，回水總管的平均水溫在24.0～29.5℃之間，供回水平均溫差3.58℃，平均流量83.1 m3/h.用戶側室內供水總管的水溫變化范圍為8.0～14.5℃，回水總管的水溫變化范圍為11.0～16.5℃，供回水平均溫差2.11℃，平均流量93.01 m3/h.

圖4 制冷期熱泵機組地源側流量與供回水溫度變化曲線Fig.4 Variations of flow rate and supply and return water temperature of heat pump unit on the ground side during cooling period

圖5 制冷期熱泵機組用戶側流量與供回水溫度變化曲線Fig.5 Variations of flow rate and supply and return water temperature of heat pump unit on the user side during cooling period

表3給出了地源熱泵系統的夏季工況總能耗數據.由式（3）、式（4）可知，熱泵機組能效系數為3.65，系統能效系數為2.33，系統運行實際平均制冷負荷為206.1 kW，而設計冷負荷為1 060 kW，系統負荷率僅為19.4%，處于低負荷運行狀態，致使系統能效系數較低[6].理論上來說，系統應滿足：排熱量=供冷量+系統總耗電量的能量守恒原則[3]，由表3可以看出，兩者相對偏差為2.8%，表明測試結果較為準確，能夠滿足能量守恒關系.

3.2.2 冬季工況

冬季供暖期機組共運行120 d，總運行時間約1 898 h，圖6和圖7分別給出了供暖期熱泵機組地源側、用戶側流量與供回水溫度變化.由圖可知，熱泵機組地源側供水總管水溫變化范圍為13.5～18.0℃，回水總管的平均水溫變化范圍為11.5～15.8℃，供回水平均溫差2.14℃，平均流量78.5 m3/h.用戶側室內供水總管的水溫變化范圍為31.5～42.5℃，回水總管的水溫變化范圍為28.5～39.5℃，供回水平均溫差2.44℃，平均流量93.49 m3/h，需要注意的是，2月9日用戶側流量達到了120.26 m3/h，較之前流量平均值（84.07 m3/h）增加了42.8%，隨后基本保持穩定，供回水管溫差降低至1.81℃，較之前溫差平均值（2.69℃）減小了32.7%.2月9日—3月15日間熱泵系統用戶側保持“大流量，小溫差”狀態.

表4給出了地源熱泵系統冬季工況總能耗數據.由式（3）、式（4）式可知，熱泵機組能效系數為3.51，系統能效系數為2.36，系統實際供熱負荷為259.9 kW，設計冷負荷為819 kW，負荷率為31.7%，處于低負荷運行狀態，因此系統能效系數較低.冬季工況中，依據能量守恒原則應滿足：供熱量=取熱量+系統耗電量，計算表明，兩者相對偏差為10.9%，這是由于冬季工況下，系統循環水溫度較低，機組換熱效率較低，同時2月9日后系統處于“大流量，小溫差”的運行狀態，致使水泵耗電量增加，系統能效偏低[4]，機組、管路等處能量損失較為嚴重.同時，數據的測量與計算也存在一定誤差.

表3 地源熱泵系統夏季工況總能耗數據Tab.3 Total energy consumption of ground source heat pump system in summer

地下熱平衡是維持地源熱泵系統長期穩定運行的條件之一[3].根據表3和表4數據可知，該系統制冷期排熱量為336.3 MW·h，供暖期內取熱量為344.4 MW·h，兩者相對偏差約為2.4%，監測期內基本滿足地下熱平衡條件.

表4 地源熱泵系統冬季工況總能耗數據Tab.4 Total energy consumption of ground source heat pump system in winter

圖6 供暖期熱泵機組地源側流量與供回水溫度變化曲線Fig.6 Variations of flow rate and supply and return water temperature of heat pump unit on the ground side during heating period

圖7 供暖期熱泵機組用戶側流量與供回水溫度變化曲線Fig.7 Variations of flow rate and supply and return water temperature of heat pump unit on the user side during heating period

4 系統效益分析

4.1 經濟效益

本節將對比分析地埋管地源熱泵系統與傳統供熱制冷系統（集中供熱+常規冷水機組空調）兩者的經濟性.經濟性分析主要包括系統的初始投資及年運行費用.因不同系統的各個組成設備使用壽命均不一致，為使經濟性評價具有可比性，選擇對比50年建筑利用期內兩系統的周期成本率.

4.1.1 初始投資

該地源熱泵工程初投資總計389萬元，主要包括3大部分，其中機房設備及安裝部分82.73萬元、室外地埋管換熱系統施工部分117.4萬元、室內空調末端系統188.87萬元.各部分使用壽命長短不一，地埋管換熱系統、熱泵機組、室內空調末端壽命分別為50年、20年、15年，折算每年的設備總投資為19.1萬元/a，單位面積初始投資為16.6元/（m2·a）.

如采用集中供熱和傳統空調供暖制冷，冬季供暖面積為12 601 m2，當地供熱初裝費40元/m2、地板采暖鋪設費100元/m2，共176.4萬元；夏季制冷面積為10 321 m2，采用傳統空調，共需2.5P空調177臺，當地單價4 000元/臺，共70.8萬元.因此，集中供熱與傳統空調初始投資費用為247.2萬元.地板采暖的使用壽命為50年、傳統空調的使用壽命約為10年，折算每年的設備總投資為10.61萬元/a，單位面積初始投資為9.66元/（m2·a）.

4.1.2 地埋管地源熱泵系統運行費用

熱泵工程年運行費用主要包括熱泵機組與循環泵、風機盤管等輔助設備的耗電費用.當地城區一般工商業電價標準為0.861元/kW·h，地埋管地源熱泵系統年運行費用見表5.

4.1.3 傳統供熱制冷方式運行費用

根據地埋管熱泵系統服務面積，估算集中供熱和傳統空調供暖制冷費用.夏季制冷面積為10 321 m2，冷負荷為1 060 kW，若采用傳統空調，按一級能效取3.4，需輸入功率311.8 kW.夏季工作時長1 107 h，時間折算系數取0.65，共計耗電224.4 MW·h，電費為19.31萬元；冬季供暖面積為12 601 m2，根據衡水市非居民供熱價格27.9元/m2計算，冬季取暖費用為35.16萬元.表6給出了傳統供熱制冷方式的運行費用計算情況.

4.1.4 經濟效益對比

表7給出了兩種供熱制冷方式成本費用對比.由表可知，地埋管地源熱泵系統總成本費用為集中供暖和空調系統的69.6%，其夏季運行成本僅為傳統空調的44.0%，每年可節約電費10.82萬元；冬季運行成本為集中供暖的51.2%，每年可節約采暖費用17.16萬元.全年總運費用為傳統空調和集中采暖的48.3%，每年可節約制冷采暖費用約27.98萬元.由此可見地埋管地源熱泵系統的經濟性十分可觀.

表5 地埋管地源熱泵系統年運行費用Tab.5 Annual operating cost of ground source heat pump system

表6 集中供熱與傳統空調年運行費用Tab.6 Annual operation cost of central heating and traditional air conditioning

表7 不同供熱制冷方式總成本費用對比表Tab.7 Comparison of total cost and cost of different heating and cooling modes

4.2 環境效益

系統夏季制冷期間，地源熱泵系統相對傳統制冷方式節約電能共計125.7 MW·h，折合標準煤57.2 t.冬季供熱期間，系統供熱量為493.3 MW·h，耗電量209.0 MW·h，電能與一次能源（標準煤）轉換率取0.31[10]，折合標準煤為82.8 t；若采用傳統供熱方式，一次能源利用率取50%[11]，則共需標準煤114.7 t，即冬季供熱期間節省標準煤31.9 t，較傳統供熱方式節省能源38.5%.全年共計節省標準煤89.1 t，折合向大氣中減少排放二氧化碳220.1 t、二氧化硫1.78 t、懸浮物粉塵量0.89 t，其中標準煤的二氧化碳排放因子取2.47，二氧化硫排放因子取0.02，粉塵排放因子取0.01[10-11].

5 結論

1）對衡水市某辦公樓地埋管地源熱泵系統全年運行狀況進行監測分析.結果表明，由于監測期內系統處于低負荷運行狀態，能效系數相對較低.夏季制冷期間，熱泵機組與系統的能效系數分別為3.65和2.33；冬季供暖期間，熱泵機組與系統的能效系數分別為3.51和2.36.待熱泵系統負荷率正常運行后，能效系數有望有所提高.

2）該地源熱泵系統總成本費用為傳統供熱制冷方式的69.6%，年運行費用為48.3%，每年可節約制冷采暖費用約27.98萬元.在一個全年運行周期中，系統節能量折合為標準煤89.1 t，相當于減少排放二氧化碳220.1 t、二氧化硫1.78 t、粉塵0.89 t.

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[責任編輯 田豐]

Energy efficiency test and economic analysis of a ground source heat pump system for an office building

SU Yongqiang
（No.3 Hydrological and Engineering Geology Team，Hebei Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources，Hebei Hengshui 053000）

Based on the monitoring data of a ground source heat pump system in Hengshui，the annual energy efficiency and economy of the system were evaluated.The results show that the coefficient of performance（COP）of the whole system in summer and winter was 2.33 and 2.36，respectively.The full cost and annual operating cost of the heat pump system were 69.6%and 48.3%lower than that of the traditional heating and cooling mode.About 84.4 t standard coal can be saved each year，which means the reduction of emissions of 220.1 t carbon dioxide，1.78 t sulfur dioxide，and 0.89 t dust.

ground source heat pump；monitoring；coefficient of performance；economic analysis；case analysis

TU83

A

1007-2373（2017）04-0069-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.04.012

2017-03-15

河北省地礦局項目（冀地地審[2014]37號）

蘇永強（1979-），男，高級工程師，785143157@qq.com.

數字出版日期：2017-07-21數字出版網址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T20170721.1559.002.html