上海地區地源熱泵系統應用現狀與分析

■ 李晨玉 LI Chenyu 王 健WANG Jian 王 穎 WANG Ying

0 引言

近年來，隨著常規能源的日益短缺和環境污染的日益嚴重，可再生能源作為建筑節能、綠色建筑和低碳建筑的重要組成內容，越來越受到人們的重視。其中，地源熱泵系統利用淺層地熱能作為冷熱交換源，通過能量轉換實現為建筑物夏季制冷、冬季采暖，具有高效節能、清潔環保的優勢。

《上海市新能源發展“十二五”規劃》指出，十二五期間淺層地熱能總應用建筑面積達4 000 000m2[1]。2017年1月，國家發改委、國家能源局與國土資源部聯合印發的《地熱能開發利用“十三五”規劃》，針對上海市提出了“十三五 ”期間新增淺層地熱能供暖（制冷）面積27 000 000m2的規劃[2]，這是我國首個地熱能開發利用規劃。

為響應國家規劃，推動上海市淺層地熱能開發利用，首先要全面了解上海地區現有地源熱泵系統的應用現狀，并對其節能量進行理論計算，分析其節能潛力，為上海地區類似項目提供參考。

1 應用現狀

1.1 調研項目概況

本次調研的項目總數為40個，涵蓋了居住建筑（13個）、公共建筑（27個）的大部分建筑類別，項目總面積達2 216 000m2。其中，示范項目占項目總量的55%（22個），一般項目占項目總量45%（18個），表明上海地區地源熱泵系統正穩步由示范項目向一般項目推廣（圖1）。

1.2 地源熱泵系統應用現狀

在采用地源熱泵系統的居住建筑中，普通住宅類建筑較少，約占居住項目總量的23%，多數為中小型別墅，約占77%。此種情況是由于住宅建筑多以分體空調或戶式中央空調為主，較少采用集中空調系統，且住宅建筑入住率的不可控性，對集中空調系統的有效運行有很大影響，因而采用地源熱泵系統的普通住宅相對較少。公共建筑中，60%以上為辦公建筑和旅館建筑，約占項目數量的37%和26%（圖2）。

在應用地源熱泵系統的項目中，建筑規模在10 000m2以下的占32.5%，其中，建筑面積小于2 000m2的別墅項目占了80%；建筑規模在10 000～20 000m2的占10%；建筑規模在20 000m2以上的占57.5%（圖3）?？傮w而言，地源熱泵系統在大型公共建筑中應用較多。

地源熱泵系統應用形式以地埋管地源熱泵為主，約占項目總數的95%（38個）；少數為地表水水源熱泵系統，約占項目總數的5%（2個）。上海地區水資源雖儲量豐富，但受國家及上海市水資源政策影響，且地表水地源熱泵系統易受自然（江水、河水、海水、污水等）條件的限制，地下水地源熱泵系統易受地下水回灌技術的限制，水源熱泵系統在上海地區的推廣和應用并不廣泛。而淺層地熱能分布范圍廣、儲量豐富，大部分區域的工程地質條件適合開發淺層地熱能，近些年的開發歷史也證明了地埋管地源熱泵技術在上海的適宜性，技術也相對比較成熟。

圖1 調研項目概況圖

圖2 居住建筑、公共建筑項目類型分布圖

上海地區的氣候和建筑物特征，決定了上海建筑物供暖、制冷的需求有兩個特點：一是夏季空調用電突出，持續時間長達5個月；二是建筑物單位面積制冷負荷需求大于供熱負荷，一般高于20%。因此，建筑熱負荷一般全部由地源熱泵系統承擔，約占項目總量的90%；多由冷水機組、風冷熱泵、鍋爐等作為輔助冷熱源，并配以冷卻塔達到熱平衡，其中公共建筑中以冷卻塔作為熱平衡方式的項目占比約60%（圖4）。

2 節能量理論計算

2.1 制熱季累計熱負荷和制冷季累計冷負荷計算

累計熱負荷、冷負荷計算公式（溫頻法）為：

to—建筑物冬季或夏季空調室外設計溫度[3]；

ti—建筑物冬季或夏季室內設計溫度[3]；

to,x—冬季或夏季室外溫度第x個溫頻段的值[4、5]；

n —頻段數，冬季或夏季最低或最高室外溫度

圖3 不同建筑類型建筑規模分布圖

圖4 地源熱泵應用類型、地源熱泵熱負荷承擔量、熱平衡方式分布圖

與室內設計溫度的溫度差對標準溫度間隔的倍數，標準溫度間隔取2℃；

Q'—在室內外設計工況下的熱負荷或冷負荷；

Tt,x—室外溫度在某溫頻段冬季或夏季所出現的小時數，即溫度的時間頻率[6]。

2.2 傳統系統的年能耗量計算

傳統系統的年能耗量計算公式為：

式中，Qc—傳統系統的年能耗量；

Qtc—傳統系統空調系統總能耗；

Qth—傳統系統制熱系統總能耗；

Qc—制冷季累計冷負荷；

EERt—傳統制冷空調系統的能效比[7]；

QH—制熱季累計熱負荷；

ηt—以傳統能源為熱源時的運行效率[7]。

2.3 地源熱泵系統的年能耗量計算

地源熱泵系統的年能耗量計算公式為：

式中，Qr—地源熱泵系統的年能耗量；

Qrc—地源熱泵系統空調系統總能耗；

Qrh—地源熱泵系統制熱系統總能耗；

Qc—制冷季累計熱負荷；

EERsys—地源熱泵系統制冷性能系數[7]；

QH—制熱季累計熱負荷；

COPsys—地源熱泵系統制熱性能系數[7]。

2.4 地源熱泵系統的年節能量計算

式中，Qs—地源熱泵系統的年節能量；

Qt—傳統系統的年能耗量；

Qr—地源熱泵系統的年能耗量。

地源熱泵系統與傳統中央空調系統的年制冷總能耗基本持平，因此，可忽略年制冷總能耗對年節能量的影響，且不考慮機組容量的差異，按最不利情況考慮。

表1 地源熱泵系統的年節能量簡化公式

地源熱泵系統的年節能量計算公式，可按建筑類別不同簡化為表1所示。

3 地源熱泵系統節能分析

按表1簡化公式，計算40個案例的地源熱泵系統的年節能量，可得到其占空調系統能耗的百分比（圖5）。

由圖5可知，按表1簡化公式計算出的公共建筑地源熱泵系統的年節能量占空調系統能耗的百分比為37.3%～52.6%，平均值為44.9%。其中，可搜集到相關資料的8個項目，其地源熱泵系統的節能量占空調系統能耗的實際比例為36.6%～51.0%，平均值為44.5%。誤差百分比基本控制在10%以內。

根據《2016年上海市國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測及分析報告》，照明與插座用電、空調用電為公共建筑主要用電分項，各類型建筑這兩項之和均超過總用電量的65%[8]。其中，空調用電約占建筑總用電的33%，則地源熱泵系統節能量約占建筑總能耗的15%。

4 結論

本文對上海地區40個地源熱泵項目進行了調研分析，利用溫頻法得到了上海地區公共建筑不同建筑類型地源熱泵系統節能量的理論計算公式。通過對其中27個公共建筑年節能量的計算及節能潛力分析，得到以下結論。

（1）地源熱泵系統正穩步由示范項目向一般項目推廣。

圖5 地源熱泵系統年節能量占空調系統能耗百分比

（2）居住建筑中，地源熱泵系統在別墅項目中應用較多，普通住宅項目應用較少；公共建筑中，地源熱泵系統在辦公建筑和旅館建筑中應用較多，且主要應用于20 000m2以上的大型或超大型公共建筑中。

（3）受主客觀因素影響，地源熱泵系統應用以地埋管地源熱泵為主。

（4）地源熱泵系統一般承擔全部熱負荷，由冷水機組、風冷熱泵作為輔助冷源，并配以冷卻塔達到熱平衡。

（5）不同建筑類型地源熱泵系統年節能量簡化公式的誤差百分比在10%以內，可用于實際項目地源熱泵系統年節能量的估算。

（6）地源熱泵系統節能量占空調系統能耗的百分比在35%～50%，約占建筑總能耗的15%，節能效果顯著。