山東地區住宅建筑地埋管地源熱泵性能測試

何理霞， 杜 涵， 高 鵬， 鄭壯壯， 崔 萍

(1.山東建筑大學熱能工程學院，山東濟南250101；2.山東亞特爾集團股份有限公司，山東濟南250101；3.山東省煤田地質局第一勘探隊，山東棗莊277100)

1 概述

為了提高地埋管地源熱泵系統的運行效率，國內很多學者對公共建筑地埋管地源熱泵系統的運行情況進行了測試分析[1-3]。對于住宅建筑地埋管地源熱泵系統的研究主要集中在方案探討、適用性分析[4-5]，結合供暖期、供冷期實測數據對住宅建筑地埋管地源熱泵系統供暖、供冷效果及性能進行評估和問題診斷并不多[6]。

筆者選取山東地區3座采用地埋管地源熱泵系統(兼具供暖、供冷)的住宅建筑，對用戶室內溫濕度、地埋管地源熱泵系統運行參數等進行測試，對測試數據進行定量分析，分析地埋管地源熱泵系統的供暖、供冷效果及運行情況，評價3座住宅小區地埋管地源熱泵系統性能。

2 工程概況

① 住宅小區A

坐落于濟南，建筑面積為15.6×104m2。地埋管地源熱泵系統配置1 000 個鉆孔，每個鉆孔深度為120 m。地埋管換熱器采用雙U形地埋管，規格為D32×3.5。末端裝置為風機盤管。

配置3臺熱泵機組：單臺額定制冷量1 737 kW，額定輸入電功率343 kW。單臺額定制熱量1 664 kW，額定輸入電功率259 kW。配置4臺地埋管側循環泵：其中3臺單臺流量400 m3/h，電機輸入電功率55 kW，揚程32 m。另外1臺流量206 m3/h，電機輸入電功率30 kW，揚程32 m。配置4臺用戶側循環泵：其中3臺單臺流量300 m3/h，電機輸入電功率45 kW，揚程32 m。另外1臺流量139 m3/h，電機輸入電功率22 kW，揚程32 m。

② 住宅小區B

坐落于棗莊，建筑面積為1.33×104m2。地埋管地源熱泵系統配置140 個鉆孔，每個鉆孔深度為100 m。地埋管鉆孔按數量平均分為兩個區域(本文稱為1區地埋管、2區地埋管)，分別分配給兩臺性能參數相同的熱泵機組。地埋管換熱器采用單U形地埋管，規格為D32×3.5。末端裝置為風機盤管。

配置2臺熱泵機組：單臺額定制冷量452 kW，額定輸入電功率92 kW。單臺額定制熱量358 kW，額定輸入電功率108 kW。配置6臺地埋管側循環泵：單臺流量40 m3/h，電機輸入電功率5.5 kW，揚程30 m。配置2臺用戶側循環泵：單臺流量100 m3/h，電機輸入電功率15 kW，揚程32 m。

③ 住宅小區C

坐落于濟寧，建筑面積為5.2×104m2。地埋管地源熱泵系統配置444 個鉆孔，每個鉆孔深度為100 m。地埋管換熱器采用單U形地埋管，規格為D32×3.5。末端裝置為風機盤管。

配置2臺熱泵機組：額定制冷量1 350 kW，額定輸入電功率243 kW。額定制熱量1 336 kW，額定輸入電功率309 kW。配置2臺地埋管側循環泵：單臺流量320 m3/h，電機輸入電功率45 kW，揚程32 m。配置2臺用戶側循環泵：單臺流量245 m3/h，電機輸入電功率37 kW，揚程32 m。

3 測試方案

3.1 測量儀表與參數

3座住宅小區的地埋管地源熱泵系統均未安裝數據測量儀器儀表。筆者選取管外超聲波流量計、貼片式溫度傳感器、電流傳感器、溫濕度記錄儀、Fluke數據記錄儀等儀器儀表對地埋管地源熱泵系統的運行參數進行測量。測量儀表的性能參數及測量參數見表1。Fluke數據記錄儀用于采集和記錄電流傳感器測量的熱泵機組、循環泵輸入電流。

人工記錄：考慮到住宅小區供暖、供冷具有間歇運行的特點，測量人員在每個測試日的22:00進行流量測量。待熱泵用戶側、地埋管側循環水流量穩定后，用管外超聲波流量計連續測量30 min。管外超聲波流量計具有數據記錄功能(數據記錄時間間隔設定為1 s)，將30 min測得的數據導出至計算機后，由Excel軟件計算30 min的平均流量，作為該測試日的熱泵用戶側、地埋管側循環水流量。

自動記錄：除電流傳感器配置Fluke數據記錄儀外，貼片式溫度傳感器、溫濕度記錄儀也配置了數據自動記錄儀。熱泵機組、循環泵輸入電流每15 min記錄1次。熱泵用戶側、地埋管側進出水溫度每15 min記錄1次。室內外溫濕度：供暖期每5 min記錄1次，供冷期每15 min記錄1次。

表1 測量儀表的性能參數及測量參數

3.2 測試時間

由于3座住宅小區分別坐落在不同地點，因此課題組分別派遣3組人員在同一測試期進行測量。截止測試期，3座住宅小區的地埋管地源熱泵系統已投入運行3～4 a。

由于被測對象為住宅小區，因此在進行參數測量時應考慮到人員在室情況。對于熱泵用戶側循環水流量、熱泵地埋側循環水流量、熱泵用戶側進出水溫度、地埋管側進出水溫度、熱泵機組輸入電流、循環泵輸入電流，測試時間為每日的18:00至次日8:30，供暖期與供冷期測試時間相同。供暖期測試期為2017年12月25日—2018年3月15日，供冷期測試期為2018年6月12日—9月15日。

對于室內溫濕度測試用戶，考慮到室內溫度響應時間，測試時間為19:00至次日8:30，供暖期與供冷期測試時間相同。供暖期測試期為2018年1月15日—3月20日，供冷期測試期為2018年6月12日—21日。

3.3 室內溫濕度測試用戶

對于住宅小區A～C，分別選取3個用戶進行室內溫濕度的測試，分別為距熱泵機房最近的1個用戶，與熱泵機房距離適中的1個用戶，距熱泵機房最遠的1個用戶。

3.4 數據處理

在數據處理時，對明顯存在問題的數據進行剔除。對處理后的數據，將當前時刻的測量數據認為是上一時刻與當前時刻間的平均值。

4 測試數據及分析

4.1 供暖供冷效果

① 供暖期

在分析各住宅小區供暖期室內溫濕度時，筆者選取3座住宅小區中距機房最遠的測試用戶(以下簡稱最遠測試用戶)室內溫濕度測試結果進行分析。

供暖期3座住宅小區最遠測試用戶日均室內溫度、日均相對濕度分別見圖1、2。由圖1、2數據，可計算得到供暖期3座住宅小區最遠測試用戶測試期平均室內溫度分別為23.58、21.35、20.19 ℃，測試期平均室內相對濕度分別為38.25%、45.32%、38.55%。由上述數據可知，在3座住宅小區中，住宅小區B最遠測試用戶室內相對濕度最高，走訪發現，該測試用戶供暖期有使用加濕器的習慣，還經常向室內地面灑水，這是導致室內相對濕度較高的主要原因。

根據GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》表3.0.2人員長期逗留區域空調室內設計參數，可以判定3座住宅小區供暖期室內熱濕環境比較理想。

② 供冷期

在分析各住宅小區供冷期室內溫濕度時，筆者仍選取3座住宅小區最遠測試用戶的室內溫濕度測量結果進行分析。

供冷期3座住宅小區最遠測試用戶日均室內溫度、日均相對濕度分別見表2、3。由表2、3數據，可計算得到供冷期3座住宅小區最遠測試用戶測試期平均室內溫度分別為26.81、26.56、26.63 ℃，測試期平均室內相對濕度分別為52.85%、56.39%、57.36%。

根據GB 50736—2012表3.0.2，可以判定3座住宅小區供冷期室內熱濕環境比較理想。

4.2 循環水溫度

① 供暖期

筆者選取具有連續性的數據進行分析：對住宅小區A，選取2018年1月21日—3月20日的數據。對住宅小區B，選取2017年12月25日—2018年2月21日的數據。對住宅小區C，選取2017年12月26日—2018年1月26日的數據。供暖期3座住宅小區熱泵用戶側日均進、出水溫度、地埋管側日均進出水溫度分別見圖3～5。

圖1 供暖期3座住宅小區最遠測試用戶日均室內溫度

圖2 供暖期3座住宅小區最遠測試用戶日均室內相對濕度

℃

表3 供冷期3座住宅小區最遠測試用戶日均室內相對濕度 %

由圖3可知，測試期住宅小區A熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度比較平穩。測試期熱泵用戶側平均進、出水溫度分別為37.75、39.74 ℃，熱泵地埋管側平均進、出水溫度分別為8.90、6.66 ℃。由圖4可知，測試期住宅小區B用戶側日均進、出水溫度、地埋管側日均進出水溫度出現小幅波動，測試期熱泵用戶側平均進、出水溫度分別為36.19、37.23 ℃，熱泵地埋管側(1區)平均進、出水溫度分別為17.79、17.23 ℃，熱泵地埋管側(2區)平均進、出水溫度分別為12.59、11.24 ℃。由圖5可知，測試期住宅小區C熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度比較平穩，測試期熱泵用戶側平均進、出水溫度分別為35.46、37.14 ℃，熱泵地埋管側平均進、出水溫度分別為12.32、11.66 ℃。

由實測數據可知，這3座住宅小區在供暖期均存在小溫差運行的情況。由圖1、2可知，供暖期3座小區的室內溫度比較理想。由此可以說明，3座小區均存在小溫差、大流量運行的情況。

圖3 供暖期住宅小區A熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度

圖4 供暖期住宅小區B熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度

圖5 供暖期住宅小區C熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度

② 供冷期

供冷期3座住宅小區熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度分別見圖6～8。由圖6～8可知，供冷期3座小區熱泵地埋管側的進出水溫度變化基本合理。供冷期，住宅小區A測試期熱泵用戶側平均進、出水溫度為16.95、15.47 ℃，住宅小區B測試期熱泵用戶側平均進、出水溫度為16.15、13.35 ℃，住宅小區C測試期熱泵用戶側平均進、出水溫度為16.43、14.81 ℃。

由以上數據可知，3座住宅小區均存在小溫差運行情況。由表2、3可知，供冷期3座小區的室內溫度比較理想。由此可以說明，3座小區均存在小溫差、大流量運行的情況。

圖6 供冷期住宅小區A熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度

圖7 供冷期住宅小區B熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度

圖8 供冷期住宅小區C熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度

5 能效比評價

采用供暖期測試時間2017年12月25日—2018年3月15日以及供冷期測試時間2018年6月12日—9月15日的相關測試數據，計算地埋管地源熱泵系統供暖期能效比、供冷期能效比。

為方便計算，熱泵機組的供暖期制熱量、供冷期制冷量以kW·h計。地埋管地源熱泵系統供暖期、供冷期能效比I的計算式為：

式中I——地埋管地源熱泵系統供暖期、供冷期能效比

Q——熱泵機組供暖期制取的熱量、供冷期制取的冷量，kW·h

Eu——熱泵機組耗電量，kW·h

Ep——循環泵(包括用戶側循環泵、地埋管側循環泵)耗電量，kW·h

熱泵機組供暖期制取的熱量、供冷期制取的冷量Q的計算式為：

式中n——實測時間，h

t——時間，h，取1 h

Φi——逐時平均制冷量、制熱量，kW

熱泵機組制冷量、制熱量Φ的計算式為：

Φ=qρcpΔθ

式中Φ——熱泵機組制冷量、制熱量，kW

q——熱泵機組用戶側循環水體積流量，m3/s

ρ——熱泵用戶側循環水密度，kg/m3

cp——循環水比定壓熱容，kJ/(kg·K)，本文取4.186 kJ/(kg·K)

Δθ——熱泵機組用戶側循環水溫差，℃

供暖期熱泵用戶側循環水密度取994 kg/m3，供冷期熱泵用戶側循環水密度取999 kg/m3。

熱泵機組、循環泵電動機耗電量E的計算式為：

式中E——熱泵機組、循環泵電動機耗電量，kW·h

Pi——逐時平均電功率，kW

熱泵機組、循環泵電動機電功率P的計算式為[7]：

P=1.732×10-3UIηλ

式中P——熱泵機組、循環泵電動機電功率，kW

U——供電電壓，V，為380 V

I——實測輸入電流，A

η——傳輸效率，本文取0.95

λ——功率因數，本文取0.85

由實測數據及上述計算式，可計算得到3座住宅小區的供暖期能效比分別為2.89、2.12、3.07，供冷期能效比分別為3.86、2.44、4.11。由計算結果可知，在3座住宅小區中，住宅小區C的供冷期能效比、供暖期能效比均最高，住宅小區A居中，住宅小區B最低。這反映，住宅小區C熱泵機組的配置比較合理，運行策略比較得當。

GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應用工程評價標準》表6.4.3給出的地埋管地源熱泵系統能效比級別劃分見表4。

表4 地埋管地源熱泵能效比級別劃分

GB/T 50801—2013第6.4.4條規定，當地埋管地源熱泵系統供暖期、供冷期均使用時，應分別依據表6.4.3中供暖期、供冷期能效比級別分別進行分級，當供暖期、供冷期能效比不同時，按表6.4.3取較低級別。由此可判定住宅小區A為3級，住宅小區C為2級。由于住宅小區B供暖期能效比、供冷期能效比均比較低，未能獲得評級。

6 結論

采用實測方法，在供暖期、供冷期對3座采用地埋管地源熱泵系統(兼具供暖、供冷)住宅小區A～C的室內溫濕度、熱泵用戶側循環水溫度與流量、熱泵地埋管側循環水溫度與流量、熱泵機組耗電量、循環泵(熱泵用戶側循環泵、熱泵地埋管側循環泵)耗電量進行實測計算。根據GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應用工程評價標準》對地埋管地源熱泵系統供暖期、供冷期能效比進行級別劃分，評價3座住宅小區地埋管地源熱泵系統的性能。

① 3座住宅小區供暖期、供冷期室內熱濕環境比較理想。

② 3座住宅小區供暖期、供冷期均存在小溫差、大流量運行情況。

③ 住宅小區A～C的供暖期能效比分別為2.89、2.12、3.07，供冷期能效比分別為3.86、2.44、4.11。根據GB/T 50801—2013的地埋管地源熱泵系統的能效比劃分，住宅小區A為3級，住宅小區C為2級，住宅小區B未獲得評級。