地源热泵系统的能效评估计算模型探讨

杨海生，魏 韧，吴瑞涛

（1.河北省电力研究院，石家庄 050021；2.石家庄供电公司，石家庄 050091）

地源热泵系统的运行成本分析是地源热泵系统可行性研究的重要内容，而地源热泵系统的能效值直接影响热泵系统的运行成本。地源热泵系统的能效评估结果直接影响地源热泵系统的运行经济效益评估及系统可行性研究结果。

目前地源热泵系统的能效评估工作基本只限于系统投运后评估，对可行性研究阶段的能效评估或测算，尚未得到足够的关注。解决地源热泵系统季节性能效评估的计算问题，有助于项目业主在不同阶段准确判定热泵系统运行经济效益，进而推动地源热泵系统的推广应用。

1 现有热泵系统能效评价体系及分析

国内与热泵系统能效评估相关的文献主要包括以下的标准及规程：GB/T 19409—2003《水源热泵机组》、GB/T 10870—2001《容积式和离心式冷水（热泵）机组性能试验方法》、JGJ/T 177—2009《公共建筑节能检测标准》、GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》、JGJ/T 132—2009《居住建筑节能检测标准》、JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》。

1.1 各标准规程中与热泵系统能效相关的内容

JGJ/T 132—2009《居住建筑节能检测标准》中，提出了耗电输热比的具体检测方法，但此项指标的检测仅针对采暖系统。耗电量的计算中，也仅考虑了采暖系统中循环水泵的耗电量。

JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中，仅规定了采用电动机驱动压缩机的蒸汽压缩循环冷水（热泵）机组的能效比（性能系数）应符合现场国家标准GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》的规定值。

GB/T 19409—2003《水源热泵机组》中，对不同型式的冷热水型热泵机组的能效比及性能系数值作了规定，并规定了热泵机组的试验名义工况参数值要求及各种热泵机组试验的具体要求。

GB/T 10870—2001《容积式和离心式冷水（热泵）机组性能试验方法》中，对电动机驱动的容积式和离心式冷水（热泵）机组性能试验的试验方法、试验偏差、机组总输入电功率及制冷性能系数的评定等内容作了规定。

GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》中，对电动机驱动压缩机的蒸汽压缩循环冷水（热泵）机组在额定制冷工况和规定条件下应达到的性能系数作了具体规定。针对机组在不同负荷下的综合性能提出了机组综合部分负荷性能系数的具体要求。

JGJ/T 177—2009《公共建筑节能检测标准》中，对冷水（热泵）机组及其水系统的性能检测作了具体规定。性能检测仅针对接近额定值的运行工况，且各项温度参数接近热泵机组性能的额定工况。

1.2 对现有标准中能效相关规定的评价

从JGJ/T 132—2009《居住建筑节能检测标准》及JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》的能效相关内容看，与热泵系统能效评估关系并不大，参考价值也较低。

从GB/T 19409—2003《水源热泵机组》及GB/T 10870—2001《容积式和离心式冷水（热泵）机组性能试验方法》的能效相关内容看，2个标准主要规定了针对冷热水型热泵机组的能效比及性能系数值的测试方法及测试参数的要求，但测试主要针对热泵机组的额定工况。

从GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》的能效相关内容看，虽提出了机组综合部分负荷性能系数的具体要求，但仅针对热泵机组的性能。从JGJ/T 177—2009《公共建筑节能检测标准》的能效相关内容看，虽然提出了水系统的性能检测规定，但性能检测仅针对接近额定值的运行工况。

事实上，与项目业主的供暖与供冷运行成本直接相关的是热泵整体系统在不同季节不同冷（热）负荷下的综合性能系数。热泵整体系统中，除热泵机组本身之外，还包括相关的冷却水泵等辅助设备。上述的标准或规范中主要存在以下的问题：

（1）所有标准中，对热泵整体系统整个供冷季节及供暖季节的能效评估问题未提出要求。

（2）热泵系统的运行效益评估中，仅采用100%负荷工况下的能效数据是不全面的，必须综合考虑系统在不同运行负荷下的综合能效。

2 基于不同负荷下能效系数的地源热泵系统的季节能效系数计算模型

2.1 不同负荷下的设计或实测能效值

对不同负荷下的热泵机组及系统，可获得以下设计或实测技术数据：不同负荷下热泵机组的供热量（或供冷量）Q0x，kW；不同负荷下热泵机组的功率输入Nix，kW；不同负荷下热泵系统辅助设备（例如：室外循环泵）的功率输入Naix，kW。

则各个负荷下的热泵机组的性能系数

式中：x表示100%、75%、50%、25%不同的负荷工况。各个负荷下的热泵系统整体的能效比

2.2 系统在供冷季节的综合能效计算模型

对于热泵机组，根据文献[4]，在供冷季节的综合部分负荷性能系数

式中：IPLVjz表示热泵机组的季节综合部分负荷性能系数；COPjz表示热泵机组在供冷状态下的性能系数，其数字下标表示热泵机组的不同运行负荷。

在此基础上将不同冷负荷的分布系数应用于热泵整体系统，供冷季节的综合部分负荷能效系数

式中：IPLVxt表示热泵系统整体的综合部分负荷能效系数；COPxt表示热泵系统整体在供冷状态下的性能系数，其数字下标表示热泵机组的不同运行负荷。

2.3 系统在供暖季节的综合能效计算模型

热泵机组在供暖季节的综合部分负荷性能系数，国内外目前尚无确定的资料。根据石家庄的相关气象统计资料，根据采暖季节室外的平均温度可以计算出不同采暖负荷的分布天数，然后可以计算获得不同负荷下的分布系数，最终可给出热泵机组的季节综合部分负荷性能系数

式中：COPjz表示热泵机组在供暖状态下的性能系数，其数字下标表示热泵机组的不同运行负荷。

热泵整体系统在供暖季节的综合部分负荷能效系数

式中：COPxt表示热泵机组在供暖状态下的性能系数，其数字下标表示热泵机组的不同运行负荷。

需要指出的是，公式（5）、公式（6）中的系数并不具备普适性。如果热泵应用地区与石家庄地区纬度存在显著的不同，则这些系数不一定适用，但其它地区的系数也可采用与本文类似原则确定。

3 地源热泵系统的综合能效评估应用示例

某办公建筑总建筑面积为35 000 m2，其采暖及空调采用地源热泵技术方案，设计单位提供的数据如下：建筑空调冷负荷3 000 kW，建筑热负荷2 503 kW。其采暖及空调选用2台地源热泵主机，单台热泵的主要参数制冷量1 586 kW，消耗功率252 kW，制热量为1 895 kW，耗电功率378 kW。选用3台地耦合换热器循环水泵，正常运行2运1备，单台水泵耗功为45 kW。夏季机组主要以地埋管系统内循环的水作为冷却水进行制冷运转，冬季使用机组以地耦合换热系统内循环水为热源作为系统的采暖运行热源。

根据厂家提供的资料，热泵机组在各负荷情况下的能效比数据如表1所示。

表1 单台热泵机组在不同负荷下性能系数

根据上述设计参数，可以对系统在供冷及供暖季节的综合部分负荷能效系数进行计算。

3.1 供冷季节的综合能效及运行成本计算

首先计算热泵系统在不同供冷负荷下的能效系数，计算结果如表2所示。

根据式（4），可计算得到热泵整体系统在供冷季节的综合部分负荷能效系数。即

由此，可计算得到热泵系统供冷季节的总耗用电量为403 642 kWh。考虑电价为0.95元/kWh，则总供冷成本为383 460元，折合单位面积供冷成本为10.95元/m2。

3.2 供暖季节的综合能效及运行成本计算

首先计算热泵系统在不同供暖负荷下的能效系数。计算结果如表2所示。

根据式（6），可计算得到热泵整体系统在供暖季节的综合部分负荷能效系数。即

以供暖季节4个月计算，每天供暖10 h，则总供暖小时数为1 200 h。供暖季节的总累计热负荷

由此，可计算得到热泵系统供暖季节的总耗用电量为392 025 kWh。考虑电价为0.95元/kWh，则总供暖成本为372 424元，折合单位面积供暖成本为10.64元/m2。

表2 热泵系统在不同负荷下的整体能效比

4 结论及建议

本文对国内现有的热泵系统能效评价的标准体系进行了分析和评价。现有标准或体系主要侧重于对冷负荷或热负荷接近设计值的工况进行测试或计算，而对热泵系统整个供冷季节及供暖季节的能效问题未提出具体的要求，但与项目单位的供暖与供冷运行成本直接相关的是热泵整体系统在不同冷（热）负荷下的综合能效性能系数。

针对热泵系统，本文提出了基于不同负荷下能效系数的地源热泵系统的季节能效系数计算模型，并给出了应用的示例。利用提出的模型，可方便地对热泵系统整个供冷或供暖季节的运行成本进行核算，便于在可行性研究阶段或系统投运后准确测算系统的运行成本。

［1］ GB/T 19409—2003，水源热泵机组[S].

［2］ GB/T 10870—2001，容积式和离心式冷水（热泵）机组性能试验方法[S].

［3］ JGJ/T 177—2009，公共建筑节能检测标准[S].

［4］ GB 50189—2005，公共建筑节能设计标准[S].

［5］ JGJ/T 132—2009，居住建筑节能检测标准[S].

［6］ JGJ 134—2010，夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准[S].