地源熱泵系統低負荷運行狀態下能效分析及效益潛力評價研究

孔凡杜 邵銀川 鄒雙英 劉柱 劉啟民 馬亞弟 梁興光 李慶林

摘要： 為給地源熱泵系統管理和維護、淺層地熱能開發利用工程節能減排效果評價及淺層地熱能開發利用的推廣提供依據，以山東省東昌府區婦幼保健院嘉明分院為例，利用監測的地源熱泵系統能效監測系統，對地源熱泵系統低負荷運行狀態下能效進行了分析，對效益潛力進行了評價。該套系統機組、系統名義能效均達到了1級標準，根據其2022年制冷季能效監測，該套系統機組、系統制冷能效比與系統負荷存在正相關關系，由于建筑物室內用戶側使用率較低，系統負荷不高，實際的機組和系統制冷能效比較低，系統實際使用效益不佳。按照典型年采用溫頻法計算了系統的制冷季效益潛力，即制冷季常規能源代替量94403kgce，熱源價值84971元，節能的熱源價值制冷季一次能源節能率40.90%，供冷期二氧化碳減排量233175kg，二氧化硫減排量1888kg，粉塵減排量944kg。

關鍵詞： 淺層地熱能；地源熱泵系統；低負荷；效益潛力

中圖分類號： P314 ????文獻標識碼： A ???doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.03.007

引文格式： 孔凡杜，邵銀川，鄒雙英，等.地源熱泵系統低負荷運行狀態下能效分析及效益潛力評價研究［J］.山東國土資源，2023，39（3）：44 50.KONG Fandu， SHAO Yinchuan， ZOU Shuangying， et al. Study on Energy Efficiency and Benefit Potential Evaluation of Ground Source Heat Pump System under Low Load Operation［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（3）：44 50.

0 引言

淺層地熱能是蘊藏在地表以下一定深度范圍內巖土體、地下水和地表水中具有開發利用價值的熱能［1］，主要采用地源熱泵技術，將蘊藏在淺層地下的低品位熱能轉化為高品位熱能，既可以用于供熱又可以用于制冷，是一種清潔、節能、可持續利用的綠色能源［2］，利用前景廣闊［3 5］。開發利用淺層地熱能對建設美麗中國具有非常重要的意義，是構建資源節約型和環境友好型社會、保障能源安全、改善現有能源結構、促進節能減排戰略目標的重要措施［6 9］。

山東省煤田地質局第一勘探隊在山東省聊城市東昌府區開展了淺層地熱能開發利用示范工程建設項目，項目依托東昌府區婦幼保健院嘉明分院建設 工程，安裝精準能效監測系統1套并開展了制冷季（夏季）能效監測工作。由于工程剛剛建成，建筑物用戶側使用率不高（目前僅為15%左右），工程的地源熱泵系統處于低負荷運轉中，淺層地熱能開發利用效益不佳，為了給地源熱泵系統管理和維護、淺層地熱能開發利用工程節能減排效果評價及淺層地熱能開發利用的推廣提供依據，對地源熱泵系統低負荷運行狀態下制冷季能效分析及效益潛力評價進行了研究。

1 區域背景條件

聊城市地處山東省西部，為黃河沖積平原，地勢平坦，自西南向東北傾斜，平均坡降約1/7500，海拔高度27.5～49.0m，屬于溫帶季風氣候區，具有顯 著的季節變化和季風氣候特征，屬半干旱大陸性氣候。聊城春季干旱多風，回暖迅速，光照充足，太陽輻射強；夏季高溫多雨，雨熱同季；秋季天高氣爽，氣溫下降快，太陽輻射減弱。聊城市年平均氣溫為13.5℃，氣溫的季節變化明顯，冬季氣溫最低，1月最冷，平均氣溫為 1.8℃；夏季氣溫最高，7月最熱，平均氣溫為26.8℃。極端最高氣溫為41.8℃（2002年、2009年），極端最低氣溫為 22.3℃（1990年）。聊城地區制熱季（冬季）每年11月中旬至次年3月下旬，制冷季（夏季）6—9月。

２ 地源熱泵系統概況

2.1 工程概況

東昌府區婦幼保健院嘉明分院建設工程位于聊城市東昌府區閻寺街道鄧王村東北約500m處，建筑面積37729m2，擬服務面積27000m2，場地總面積23160m2，淺層地熱能可利用面積12940m2。系統設計總冷負荷2742kW，熱負荷2779.8kW。

2.2 地源熱泵系統

該工程地源熱泵系統類型為地埋管地源熱泵系統，系統包括室外系統和機房系統。室外系統設備主要為地埋管換熱器及其聯管，該工程共施工地埋管換熱鉆孔619個，單孔設計深度100m，實際總工程量61924.98m，孔徑150mm，換熱孔間距4m，分布于建筑物周邊（圖1）；地埋管采用單U型DN32PE100高密度聚乙烯管，地埋管總長度約41800m。機房系統主要設備包括水源熱泵機組、循環水泵、定壓補水裝置、自動軟化水裝置、軟化水箱和空調側分（集）水器等（表1）。

2.3 監測系統

本次安裝了水源熱泵機組精準能效監測系統1套，組成的設備有：電磁流量計4臺、管道溫度傳感器4套、三相電度表12只、電流互感器36只、室內溫度傳感器1套、設備防護箱2套、數字信號隔離轉換器18個、壓力傳感器2個、采集傳輸終端2套、太陽能室外溫度采集傳輸裝置1套及數據傳輸電纜300m。

本次能效監測為自動監測，能效信息數據采集終端通過管道溫度、壓力、流量、耗電量等傳感器定時采集數據，然后通過地溫數據傳輸終端經移動網絡上傳至服務器。采集和傳輸頻率可在終端上設置，本次設置的監測頻率為30min/次。

2.4 系統運行情況

該工程地源熱泵系統制冷工況從2022年5月31日開始，至2022年10月17日結束，累計運行140d（7月17日后部分監測設備故障，受疫情影響暫時無法前往檢修）。根據5月31日至7月17日系統制冷季負荷與氣溫動態曲線圖（圖2）可以看出，初期由于醫院僅啟用了辦公樓部分辦公室，系統負荷較低。2022年6月10日起，醫院開始搬遷工作，2022年6月19—29日，使用規模達到最大，建筑物室內用戶側使用率幾乎達到了最大，同時由于氣溫的升高，地源熱泵系統開始大規模使用，最大負荷達到916.21kW。隨著搬遷工作的結束，醫院內僅有部分建筑投入使用，室內用戶側使用率僅有15%左右，系統負荷出現了較大幅度的下降。之后系統負荷主要隨著氣溫的變化而變化。由此可見，影響地源熱泵系統負荷的因素主要為建筑使用率和氣溫，建筑使用率越高、氣溫越高，系統負荷越大，反之亦然。

由于該建筑工程機房電力系統故障，系統制熱期（冬季）未取得監測數據，本次僅對制冷季（夏季）系統效益進行初步分析研究。

3 能效分析

3.1 機組能效

3.1.1 名義能效

本工程水源熱泵機組共3臺，機組額定制冷量775.6kW，制冷輸入功率118.7kW。水源熱泵機組制冷能效比、制熱性能系數按公式1～2計算［13］：

EER= Q Ni ?（式1）

COP= Q Ni ?（式2）

式中： EER —水源熱泵機組的制冷能效比；

COP —水源熱泵機組的制熱性能系數；

Q —機組的制冷（熱）量（kW）；

Ni —機組的制冷（熱）輸入功率（kW）。

通過以上公式計算，該工程水源熱泵機組名義制冷能效比為6.53，名義制熱性能系數為4.82。

水（地）源熱泵機組全年綜合性能系數就是水（地）源熱泵機組在名義制冷工況和名義制熱工況下滿負荷運行時的能效，與多個典型城市的辦公建筑按制冷、制熱時間比例進行綜合加權得到全年性能系數［14 15］。按公式3計算水源熱泵機組全年綜合性能系數（ ACOP ）：

ACOP=0.56EER+0.44COP （式3）

按照表2的標準對水源熱泵機組進行能效等級劃分。

通過計算該工程的水源熱泵機組的名義全年綜合性能系數（ACOP）為5.79，該工程單臺水源熱泵機組的名義制冷量（CC）775.6kW，因此該工程的水源熱泵機組名義能效等級為1級。

3.1.2 實際能效

根據2022年5月31日—7月16日的監測數據，機組的實際制冷能效比日平均值為3.91～10.13（圖3）。從圖中還可以看出，運行的初期（2022年5月31日—6月11日）機組制冷能效比較高，平均7.57，且變化幅度較大，由于機組運行尚未穩定，其能效不具有代表性；6月12日—6月21日機組制冷能效比平均5.53，先有所減小之后逐漸升高，且變化幅度隨著機組使用時間逐漸減小；2022年6月22—29日，醫院開始大規模搬遷工作，地源熱泵系統開始大規模使用，機組制冷能效比有一定的提高，當負荷增大至一定數值時（負荷約916kWh，負荷率約39%）機組制冷能效比再無明顯增加，平均6.26，與機組的名義制冷能效比6.53相差不大，說明此時機組運行達到了較好的狀態；之后隨著醫院搬遷工作的逐漸完成，系統運行負荷降低，機組制冷能效比也隨著降低，可見機組制冷能效比與負荷存在一定的正相關關系。由于系統負荷率［16］較低，機組能效總體不高，平均2.42。

3.2 系統能效

3.2.1 名義能效

該工程地源熱泵系統主要的能耗設備除了水源熱泵機組外，還有循環水泵和定壓補水裝置。其中循環水泵有8臺（空調側和地源側各4臺），6臺使用2臺備用，單臺水泵功率30kW；定壓補水裝置共2臺（空調側和地源側各1臺），每臺分別配備2臺補水泵，1臺使用1臺備用，單臺水泵功率空調側0.55kW，地源側0.75kW。地源熱泵系統制冷能效比、制熱性能系數按公式4—公式7計算：

EERSYS= QSC ∑Ni+∑Nj ?（式4）

COPSYS= QSH ∑Ni+∑Nj ?（式5）

QSC=∑ni=1qciΔTi （式6）

QSH=∑ni=1qhiΔTi （式7）

式中： EERSYS —地源熱泵系統的制冷能效比；

COPSYS —地源熱泵系統的制熱性能系數；

QSC —地源熱泵系統累計制冷量（kWh）；

QSH —地源熱泵系統累計制熱量（kWh）；

∑Ni —地源熱泵系統所有熱泵機組消耗的電量（kWh）；

∑Nj —地源熱泵系統其他設備消耗的電量（kWh）；

qci —地源熱泵系統第 i 時段制冷量（負荷）（kW）；

qhi —地源熱泵系統第 i 時段制熱量（負荷）（kW）；

ΔTi —第 i 時段持續時間（h）；

n —地源熱泵系統采集數組數。

通過計算，理論上該工程地源熱泵系統滿負荷運行時系統制冷能效比（ EERSYS ）為4.33，系統制熱性能系數（ COPSYS ）為3.51。

按照表3對地源熱泵系統性能級別進行劃分［13］，該工程地源熱泵系統性能級別夏季為1級，冬季為1級，綜合級別為1級。

3.2.2 實際能效

根據2022年5月31日—7月16日的監測數據，系統的每日實際制冷能效比0.09～6.19，平均2.20（圖4）。已知系統的名義制冷能效比為4.33，可以看出系統的制冷能效比前期大部分時間低于其名義值，說明系統早期運行未達到穩定狀態，造成系統制冷能效較低。從系統制冷能效曲線圖中可以看出，系統制冷能效比與系統運行負荷存在明顯的正相關關系，開始時系統制冷能效比隨著系統運行負荷的增加而增加，當負荷增大至一定數值時（負荷約916kWh，負荷率約39%）系統制冷能效比便不明顯增加，而是趨于穩定，此時平均值為4.39，已達到夏季系統性能1級級別，并略大于系統名義制冷能效比，進一步說明系統制冷運行狀態良好，并逐漸達到了最佳狀態并趨于穩定。之后隨著系統負荷的降低，系統制冷能效比也隨之降低。

3.3 規律分析

通過以上能效分析可以看出，該套系統機組、系統制冷能效比與系統負荷存在正相關關系，可以采用建筑使用率最大的2022年6月19日—29日的監測資料來研究二者的相關關系。首先以系統負荷為X軸、以系統能效比為Y軸將監測數據繪制與直角坐標系中，利用EXCEL趨勢線功能［17］，為各坐標點添加趨勢線，通過對不同趨勢線類型對比發現，對數型的趨勢線擬合程度最高（R2=0.8137），最終得到擬合曲線公式8。

EERSYS=0.701 ln （qci）-0.1546 （式8）

4 效益潛力分析

4.1 實際效益

以常規能源代替量的熱源價值為指標來評價地源熱泵系統的制冷季經濟效益。

制冷季常規能源代替量按公式9進行計算：

Qsc=Qtc-Qrc （式9）

式中： Qsc —制冷季常規能源代替量（kgce）；

Qtc —制冷季傳統系統的總能耗（kgce）；

Qrc —制冷季地源熱泵系統的總能耗（kgce）。

系統相對于常規供冷方式的一次能源節能率按公式10計算：

ηc= Qsc Qtc ?（式10）

式中： ηc —制冷季一次能源節能率（%）；

對于空調系統，傳統系統的總能耗 Qtc 可按公式11計算：

Qtc= DQc EERt ?（式11）

式中： QC —制冷季累計冷負荷（kWh）；

D —每度電折合所耗標準煤量（kgce/kWh）；

EERt —傳統制冷空調方式的系統能效比，可按表4確定，取2.8。

制冷季地源熱泵系統的總能耗 Qrc 可按公式12計算：

Qrc=DNC （式12）

式中： NC —制冷季地源熱泵系統累計耗電量（kWh）。

制冷季地源熱泵系統常規能源代替量的熱源價值按公式13：

Vc=P Qscq 3.6 ?（式13）

式中： Cs —地源熱泵系統的年節約費用（元/年）；

P —常規能源的價格（元/kWh）；

q —標準煤熱值（MJ/kgce），取29.307MJ/kgce。

常規能源價格 P 按公式14計算：

P= Pr R ?（式14）

式中： Pr —當地煤的價格（元/kg），取當地當前煤炭價格0.900元/kg；

R—煤的熱值（kWh/kg），取8.14kWh/kg；

地源熱泵系統的二氧化硫減排量應按公式15計算：

QCO2=QsVCO2 （式15）

式中： QSO2 —二氧化碳減排量（kg/年）；

VCO2 —標準煤的二氧化碳排量因子，取2.47。

地源熱泵系統的二氧化硫減排量應按公式16計算：

QSO2=QsVSO2 （式16）

式中： QCO2 —二氧化硫減排量（kg/年）；

VSO2 —標準煤的二氧化硫排量因子，取0.02。

地源熱泵系統的粉塵減排量應按公式17計算：

Qfc=QsVfc （式17）

式中： Qfc —粉塵減排量（kg/年）；

Vfc —標準煤的粉塵排量因子，取0.02。

根據本次監測數據，2022年5月31日—7月16日地源熱泵系統累計耗電量 NC 為107191kWh，累計冷負荷 QC 為281659kWh，每度電折合所耗標準煤量為0.32kgce/kWh，代入以上公式可以計算出制冷季常規能源代替量 Qsc 為 2111.52kgce。可見，系統實際的效益較差，總體上未能達到節能效果。

根據前文分析，該系統制冷能效比與系統負荷呈正相關的關系，由于在監測期間大多時間室內末端系統使用率較低，造成系統負荷較低，進而使得系統制冷能效比降低。根據公式8可知，系統制冷能效比與系統耗電量呈反比，系統制冷能效比低，對應的系統相對耗電量增加，從而降低了系統的節能效果。

4.2 系統效益潛力分析

地源熱泵系統效益潛力，即為在當地氣候條件下，建筑物室內用戶側全部使用時的地源熱泵系統最大可節能的經濟效益和環境效益。

對于一套地源熱泵系統來說，在當地氣候條件下，當地最高氣溫時系統冷負荷不得大于機組最大制冷量，以此為條件，采用溫頻法［18］來計算制冷季系統最大累計冷負荷。制冷季累計冷負荷按公式18計算：

QO= tN-tO tN-tE QE （式18）

式中： QO —室外溫度為 tO 時的建筑物冷負荷（kW）；

tN —建筑物夏季室內設計溫度（℃）；

tO —建筑物夏季室外溫度（℃）；

tE —建筑物夏季室外監測溫度（℃）；

QE —供室外溫度為 tE 時的建筑物冷負荷（kW）。

室外溫度按典型年數據選取（參考《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》），聊城市室外最高溫度37.2℃，室內設計溫度24℃，對應的建筑物冷負荷就是機組最大制冷量2326.8kW。根據公式求出每一溫頻下的冷負荷，再將冷負荷與對應溫頻下的小時數相乘并累加即可算出制冷季累計冷負荷 QC 。不同冷負荷對于的系統制冷能效比參與公式8計算，具體計算結果見表5。

通過計算，該系統典型年制冷季累計冷負荷為2019797.94kWh，系統累計能耗426348.1kWh。代入公式9～15，系統制冷季地源熱泵系統的總能耗136431kgce，制冷季傳統系統的總能耗230834kgce，制冷季常規能源代替量94403kgce，熱源價值84971元，節能的熱源價值制冷季一次能源節能率40.90%，供冷期二氧化碳減排量233175kg，二氧化硫減排量1888kg，粉塵減排量944kg。

5 討論

（1）由于建筑工程機房電力系統故障，系統制熱季（冬季）未取的監測數據，本次僅對制冷季（夏季）系統效益進行初步分析研究。對于系統供熱季的能效分析和效益潛力評價亦可采用本次方法開展。

（2）本次工作對系統效益潛力的分析未考慮場地地下巖土體冷熱均衡問題［19 20］，該工程已建立了場地地溫場的監測系統，下一步根據其長期監測資料，開展場地地下巖土體冷熱動態均衡狀態下系統能效及效益潛力的分析評價工作，為其淺層地熱能的科學高效利用提供依據。

6 結論

（1）該套系統機組名義制冷能效比為6.53，名義制熱性能系數為4.81，水源熱泵機組的全年綜合性能系數為5.78，機組能效等級為1級。系統名義制冷能效比為4.33，系統制熱性能系數為3.51，系統性能級別夏季為1級，冬季為1級，綜合級別為1級。

（2）該套系統機組、系統制冷能效比與系統負荷存在正相關關系。由于建筑物室內用戶側使用率較低，系統負荷不高，實際機組和系統制冷能效比較低，系統實際制冷效果和效益不佳。

（3）按照典型年計算系統的效益潛力，即制冷季常規能源代替量94403 kgce，熱源價值84971元，節能的熱源價值制冷季一次能源節能率40.90%，供冷期二氧化碳減排量233175kg，二氧化硫減排量1888kg，粉塵減排量944kg。

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Study on Energy Efficiency and Benefit Potential Evaluation of ??Ground Source Heat Pump System under Low Load Operation

KONG Fandu， SHAO Yinchuan， ZOU Shuangying， LIU Zhu， LIU Qimin， MA Yadi， LIANG Xingguang， LI Qingling

（No.1 Exploration Brigade of Shandong Coalfield Geology Bureau，Research Center for Low Carbon Energy and Carbon Neutralization Engineering，Shandong Qingdao 266500， China）

Abstract： For shallow geothermal energy development and utilization projects with low utilization rate on the user side of buildings， the ground source heat pump system is in low-load operation， which is often not energy efficient and has poor benefits. In order to provide a basis for the management and maintenance of ground source heat pump system， the evaluation of energy saving and emission reduction effects of shallow geothermal energy development and utilization projects， and the promotion of shallow geothermal energy development and utilization， taking Jiaming branch hospital of Dongchangfu Maternal and Child Health Care Hospital as an example， the energy efficiency of ground source heat pump system under low load operation has been analyzed by using the monitored ground source heat pump system energy efficiency monitoring system， and the benefit potential has been evaluated. According to refrigeration season energy efficiency monitoring in 2022， the energy efficiency ratio of this system unit and system refrigeration has a positive correlation with the system load. Due to the low utilization rate of the indoor user side of the building， the system load is not high， the actual unit and system cooling energy efficiency is relatively low， and the actual use of the system is not good. In this paper， the cooling season benefit potential of the system has been calculated by using the temperature frequency method according to the typical year， that is， the conventional energy substitution amount in the cooling season is 94403kgce， the heat source value is 84971 yuan， the energy-saving heat source value is 40.90% in the primary energy saving rate in the cooling season， the carbon dioxide emission reduction is 233175kg， the sulfur dioxide emission reduction is 1888kg， and the dust emission reduction is 944kg.

Key words： Shallow geothermal energy; ground source heat pump system; low load; benefit potential