武汉某办公楼地源热泵系统能效测评

胡先芳，李玉云，马 勇，胡贵华，赵亚洲

(武汉科技大学，湖北 武汉 430070)

0 引言

热泵系统是利用低温热源进行供热、制冷的新型能源利用方式，与使用煤、气、油等常规能源供热方式相比，具有清洁、高效、节能的特点。因地制宜的发展地源热泵系统，有利于优化能源结构，提高能源利用效率。但由于国内发展较晚，地埋管地源热泵技术在工程应用上还有很多待解决的问题，而且地源热泵系统受工程所在地地质、气象环境的影响较大，在设计和施工中不能单一而论，所以需要类似工程经验的分析。另外，在实际应用中采用地源热泵系统的具体节能情况如何，需要结合工程实例去进行分析［1］。

本文所讨论的办公楼是一座集办公、实验、对外接待的办公大楼。总建筑面积27 242 m2，共计19层，地下一层为车库及设备用房(2 413.54 m2);1～4层为实验室用房、单身公寓及餐厅(主楼+裙楼); 5～19层为办公用房，其中9层为计算机用房。主楼1～4层、5～19层以及餐厅(21 000 m2)采用地源热泵为空调采暖冷热源，地源热泵生产的热水供应单身公寓、实验室、餐厅及洗手间。热泵为地埋管地源热泵。文章主要是通过夏季短期测试以及全年长期监测来分析讨论地源热泵系统在该楼中的实际应用能效。

1 系统设计工况

1.1 负荷

建筑物空调冷热负荷［2］。夏季空调逐时冷负荷综合最大值:主楼夏季冷负荷为1 800 kW，冬季热负荷为1 350 kW，卫生热水负荷为400 kW。全年空调系统动态累计冷负荷为630 000 kWh(6月1日～9月30日)，全年空调系统动态累计热负荷总值: 240 000 kWh(12月15日～3月15日)。空调累计热负荷+卫生热水累计热负荷约占冷负荷的63%。

1.2 系统

(1)地源热泵系统。为解决土壤源的冷热平衡，保证地下换热器常年稳定运行，项目的冷热源为热回收+辅助冷却源复合系统［3］，1#～2#部分热回收机组为空调采暖系统的冷热源，3#为全热回收机组，主要提供冬季及过渡季节的卫生热水。地源热泵系统夏季提供7/12℃冷水，冬季提供45/40℃热水，至空调末端使用;同时通过热回收提供50/55℃卫生热水。系统冷却塔与地源泵串联，当回水温度高于35℃(设计工况点)时，冷却塔运行。夏季，多余的冷凝热负荷一部分通过冷却塔散发到大气，另一部分冷凝热负荷提供单身公寓、餐厅卫生热水。地源热泵系统的设备见表1。从表中可知，冷热源机组的COP值达到《公共建筑设计标准》［4］与《冷水机组能效限定值及能源效率等级》［5］的二级要求。

(2)地埋管热工性能测试。根据项目岩土热物性测试报告，项目原始地温18.7℃。散热运行模式下单位井深换热量为61.5～60.1 W/m，进水温度35.35℃，回水温度31.8～32.4℃。取热运行模式下单位井深换热量为35.1～35.9 W/m，进水温度9.2℃，回水温度11.5～11.9℃。

(3)项目按冬季热负荷1 300 kW进行埋管，采用竖直双U型地埋管，井深95 m，总钻井数量289。

(4)系统能效。设计工况下热泵系统的制冷能效比为3.21，制热能效比部分热回收系统为2.79，全热回收系统为3.24。

表1 设备表

2 测试与全年实际运行分析

2.1 测试

测试方法及测点布置依据《公共建筑节能检测标准》［6］第八章及《可再生能源建筑应用示范项目测评导则》［7］第四章地源热泵部分进行。

2.1.1 测试仪器

测试仪器见表2。表中仪器经过湖北省计量测试技术研究院标校。

表2 测试仪器参数一览表

2.1.2 测试方案与测试工况

根据测试期间，空调冷负荷的大小，分别测试两种工况。

工况一:二机二泵。主机1#～2#、地源水泵1#～2#、冷冻水泵1#～2#、热水泵1#运行，对应的阀门开度100%，各水泵均为工频控制;

工况二:一机一泵。2#主机、1#冷冻水泵、1#～2#地源水泵运行。1#主机冷冻水阀门关闭，水泵均为工频控制。

2.1.3 测点布置

冷冻水与热水的流量、温度测点均布置在母管上。电量表分别布置在主机、水泵对应的控制柜。测点布置见图1。

2.2 测试记录与数据分析

测试期间室外平均温度 36.47℃，相对湿度84.4%RH;空调区域平均温度24.22℃，相对湿度73.53%RH。流量、温度、电量测试记录见图2、图3、图4。根据测试记录分析计算的机组能效与系统能效分别见表3、表4。测试结果表明:

(1)两台机组并联运行冷冻水平均流量为355.47 m3/h(图2上)，高于机组额定流量之和的9.7%;单台机组运行冷冻水平均流量为216.7 m3/ h(图2下)，高于机组额定流量33.8%。

(2)工况一(图3上):冷却水进、出口平均温度为31.2℃、34.1℃，温差为2.9℃;冷冻水进、出口平均温度为12.1℃、14.8℃，温差2.7℃。工况二(图3下):冷却水进、出口平均温度为30.3℃、32.4℃，温差为2.1℃;冷冻水进、出口平均温度为12.7℃、15.7℃，温差3.0℃。

(3)由表3可知，主机的平均性能系数［8］低于额定工况下的性能系数。由表4可知，二机二泵的系统能效COP为2.6，一机一泵的系统能效COP为2.4。

(4)测试期间主机耗电量约占系统耗电量61.8%，水泵耗电量约占38.2%。工况一冷冻水系统输送系数为22.7，工况二冷冻水系统输送系数29.4。系统输送系数=系统输送冷量(热量)/水系统(泵)消耗功率。

(5)地源泵进出口平均压差为0.22 MPa，冷冻泵进出口平均压差为0.46 MPa。

图1 测点布置图

表3 地源热泵系统机组能效

表4 系统平均能效系数

图2 测试期间冷冻水流量变化曲线

图3 测试期间冷冻(却)水温度变化曲线

图4 测试期间机组及水泵功率变化曲线

2.3 长期监测

(1)通过长期监测记录，全年耗电量如表5所示。单位面积耗电量低于2007年武汉市办公建筑空调采暖能源审计值30.37 kWh/m2。

(2)采暖季节:主机平均COP为3.61，系统COP为2.50;制冷季节:主机平均COP为4.42，系统COP为2.74;过渡季节:主机平均COP为4.52，系统COP为2.87。

(3)由于制冷季节地源热泵机组出水温度(冷却水)小于35℃，冷却塔从未运行。根据对系统的长期监测，采暖热负荷约占制冷负荷的95.44%;采暖热负荷+卫生热水(过渡季节热泵制取)稍大于冷负荷，冷负荷约占热负荷的85.84%。

(4)冬季未运行全热回收机组制取热水，仅运行部分热回收机组。

表5 全年累计耗电量

2.4 项目投资回收期

项目采用地源热泵系统的增量成本为291万元，预测每年运行费用为41.45万元，比燃气锅炉+电制冷系统节约运行费用39.57万元，估计7年可回收增量投资。实际运行结果表明，静态投资回收期为11.6年，高于预测时间［9］。

3 结论

(1)主机制冷性能系数低于额定值，系统能效略高于文献［7］的下限值2.4(常规机组系统能效)，主要原因是地源水的温度高于机组额定值，其次是水泵耗电量所占比例较大，降低了系统能效比;原因之三是冷冻水系统、冷却水系统温差均小于3.5℃，系统“大流量、小温差”运行;

(2)室内温度偏低，相对湿度偏高。相对湿度偏高的原因是供水温度偏高;

(3)由于实际运行的能效、负荷均低于理论计算值，实际投资回收期高于预测回收期;

(4)夏热冬冷地区，常规空调采暖系统，制冷负荷大于采暖负荷，但采用热泵作为制冷、采暖、卫生热水的冷热源时，热负荷有可能大于冷负荷。因此，要注意两点，一是全年负荷模拟参数的取值要尽可能逼近实际情况，避免辅助冷却系统闲置;二是动态观测全年累计冷热负荷，根据实际情况投入辅助冷却系统［10］。

［1］姚远.基于实测的地埋管地源热泵空调技术的节能与应用分析［D］.武汉:武汉科技大学，2010.

［2］张银安，李斌，章兰，等.湖北检验检疫局办公楼地热应用［J］.建设科技，2009(24).

［3］姚灵峰，蔡龙俊.地源热泵热平衡问题的研究及工程应用［J］.节能技术，2009，27(2):140－144.

［4］公共建筑节能设计标准:GB50189－2005［S］.2005.

［5］冷水机组能效限定值及能源效率等级:GB19577－2004［S］.2004.

［6］公共建筑节能检测标准:JGJ/T177－2009［S］.2009.

［7］可再生能源建筑应用示范项目测评导则［S］.2008.

［8］徐伟，孙峙峰，等.检测程序·测评标准·测试方法［J］.建设科技，2009.

［9］谢厚礼，林学山，等.若干地表水水源热泵示范工程投资回收期分析［J］.节能技术，2011，29(5):429－431.

［10］张华，吴宏宇，等.太阳能与地源热泵供应生活热水方案比较［J］.节能技术，2011，29(3):167－171.