地源热泵数据监测系统在迁安市某住宅小区中的应用

杨宾，顾吉浩，王琳，左德功，齐承英

（河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300401）

地源热泵数据监测系统在迁安市某住宅小区中的应用

杨宾，顾吉浩，王琳，左德功，齐承英

（河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300401）

建立了一套地源热泵数据监测系统，采集并分析了2012～2013年采暖季的运行数据，对该地源热泵系统的实际运行情况有了更直观的了解．统计结果表明，整个采暖季中，该热泵系统和机组的平均能效比（COP）分别为3.7和4.3，采暖运行费用为9.1元/m2，小于市政管网的供热费用17元/m2，经济效益明显，为该地区地源热泵技术的应用和推广提供了一定的参考．

地源热泵；数据监测系统；运行能效；性能参数；应用

0 引言

近年来，随着地源热泵系统在国内的广泛应用，一些问题也逐渐暴露出来，主要体现在地质勘查、系统设计、施工管理及运行监控等方面，甚至出现了一些运行失败的情况[1]．《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2009）中对热响应实验、系统设计、工程施工等做了进一步的完善，但对运行数据的监控尚无说明．国内一些相关专业人员因此提出了建立能耗数据监测系统的技术路线和研究方法[2-3]，但实际应用或公开的数据并不多见．文献[4]对大型公建的分项能耗进行了长期的监测与统计，但地源热泵系统的运行数据并未涉及．文献[5-6]仅通过能效测评结合模拟分析的方法获得了地源热泵系统的运行数据．截止到目前为止，多家国家级能效测评机构已对可再生能源应用示范城市的地源热泵项目进行了检测，由于受测试时间和天气的限制，其测评结果仅能反映某一时间段的运行效果，并不能代表真实的运行情况．为解决以上问题，住房和城乡建设部于2009年编制了《可再生能源建筑应用示范项目数据监测系统技术导则》（试行版），在此框架下地源热泵数据监测系统才真正发展了起来．本课题组建立了一套地源热泵数据监测系统，并对实际运行数据进行了长期的监测与分析，为地源热泵数据监测系统的完善与发展提供一定的参考．

1 研究对象及方法

1.1 项目概况

该小区毗邻迁安市小营口村南侧，建于2008年，总建筑面积75106m2．前期的水文地质勘查结果表明，该区域的第4孔隙含水层厚度在10～15 m左右，分布广泛且发育较为稳定．由抽水试验结果可知，含水层发育地段的单井涌水量为1 300 m3/d，最大降深0.55 m，说明为该含水层富含水性中等，可为水源热泵系统提供可靠的热源．另外，该小区仅利用热泵技术供暖，设计热负荷为2 403 kW，末端为低温地面辐射采暖，热泵系统的主要配置见表1．

表1 地源热泵系统的主要设备配置Tab.1The main equipment of the GSHP

1.2 数据监测系统简介

地源热泵数据监测系统的主要设备如下：超声波冷/热量表、三相智能电功率表、电流互感器、环境温度采集器（Pt1000热电偶）、集中数据采集装置、PC、客户端软件等．超声波冷/热量表和电功率表的RS485通讯端口通过信号屏蔽线与数据采集装置相连，采集装置自动将采集的数据通过GPRS定时（一般为5～10 min）传输到中心数据库，数据库将数据分类并保存．用户利用已授权的账户和密码，通过Internet访问中心数据库，即时了解热泵系统的运行情况．

地源热泵子监测系统主要是由地源热泵抽水系统、热泵机组、地源侧/用户侧循环管道、循环水泵、空调水泵、集水器/分水器和控制系统、变送器、数据采集仪器等辅助设施组成．监测仪表主要包括流量变送器、温度变送器、湿度变送器、电能表等．

1.3 数据监测系统原理

地源热泵数据监测系统主要是由地源热泵抽水系统，地源侧/用户侧循环系统，循环水泵，集水/分水器和控制系统，数据手机系统等辅助设备组成，如图1所示．其检测仪器主要包括电能表，流量变送器，温度变送器等．主要监测数据如下：1）热泵侧供/回水温度t1、t2、瞬时流量G1、累计流量G1、累计热量Q1；2）用户侧供/回水温度t1'、t2'、瞬时流量G2、累计流量G2、累计热量Q2；3）热泵机组瞬时功率Pj、总电耗Nj；4）水泵瞬时功率Pb、总电耗Nb；5）环境温度T0．热泵系统和机组的COP值按下式进行计算：系统COP=Q2/(Nj+Nb)；机组COP =Q2/Nj（参数单位：温度为℃，瞬时流量为m3/h，累计流量为m3，累计热量为kW h，瞬时功率为kW，累计电耗单位为kW h）．

图1 数据监测系统原理图Fig.1Principle diagram of monitoring system

1.4测试要求

地源热泵供热系统的数据监测，必须在负荷稳定的条件下进行数据记录，机组的最大负荷不宜超过设计值的80%．为了便于分析不确定度，应该假设机组负荷值稳定，其各个测试仪器的精确度见表2．

根据地源热泵数据监测系统原理图，系统系统误差主要产生于系统的水温温度测量，热量测量和电表计数过程中．因此系统主要存在4种类型测量误差．水温温度测量误差，由于水银本身在不同温度段有不同的热膨胀系数以及毛细管现象，导致了温度计不可避免的误差．同时由于温度计在测量水温时，水银柱的升降落后于温度变化，因此温度计读数也有一定的滞后性．超声波热量表的误差来源主要来自本身采用的时差测量法，其容易导致在热量表内部的换能器物理和电气性能参数的变化，导致了计量误差．三相智能电功率表将电流信号通过内部的微处理器通过模/数通道转换成微处理器直接接收的数字量，在转换过程中由于存在时间差导致了误差．数字式智能电流表由于泵的电流波动较快，会造成数采回路中电流变换器的铁芯饱和，产生了电流测量误差．

表2 测试仪器Tab.2Accuracy of measurement instruments

图2 地源热泵数据监测系统现场局部图Fig.2The local map of monitoring system for GSHP

2 实例应用与分析

在迁安市住房和城乡建设局的支持下，笔者于2012年9月为上述地源热泵系统安装了一套数据监测系统，图2给出了现场监测装置的图片．

2.1 运行数据分析

数据监测系统自2012年供暖季开始自动采集运行数据，采集频率为1次/5 min．当用户热负荷需求不大时，仅开启一台热泵机组，水源侧3台潜水泵同时运行，用户侧运行1台水泵；随着供热负荷的增大，两台热泵机组同时开启，水源侧6台潜水泵同时运行，用户侧2台水泵并联运行．由于采暖季的数据量比较大，图3以某天（00:00～23:50）的数据为例，分别给出了水源侧和用户侧全天供回水温度和瞬时流量的变化曲线．

由图中可以看出，水源侧的供水温度基本不变，稳定在17.2℃左右，回水温度在13.1～14.8℃之间变化；而用户侧的供水温度在39.5～41.5℃之间变化，回水温度维持在35.5℃左右．数据表明，在同一时刻，用户侧供水温度的升高必然引起水源侧回水温度的下降，两者温度的变化与用户热负荷的需求密切相关．

图3 水源侧和用户侧全天供回水温度和流量变化（11月15日）Fig.3The all-day supply water temperature and flow rate change from the water source and user sides(Nov.15th)

由表1中水泵铭牌参数可知，水源侧3台潜水泵同时运行时的总流量应为189 m3/h，与实测值184～211m3/h基本吻合．用户侧实测流量的变化范围为169～179m3/h，略小于额定流量220m3/h，流量偏小的原因可能是由于用户侧管网的实际阻力大于设计值，因此造成了水泵的工作点向左上方偏移．

2.2 累计能耗与性能系数

图4给出了热泵系统的逐日累计耗电量和逐日累计负荷．可以看出，供暖初期和末期的电耗与热负荷均较小，两者的变化趋势基本一致．根据气象资料记载，自2013年1月3日开始，该地区正处于极端低温天气，室外最低温度为17～18℃，因此这段时间的热负荷和电耗比较大．统计数据表明，1月3日的累计热负荷和累计耗电量分别为52 519 kW h和14 450 kW h，系统COP平均值为3.63，用户侧平均热负荷为2 188 kW，与设计峰值负荷2 403 kW基本接近．

图5进一步给出了该热泵系统平均性能系数的变化曲线．可以看出，供暖初期和末期热泵系统和机组的COP值较高，供暖中期COP值则有所下降．热泵系统的COP值与用户的热负荷密切相关，由于外部参数和用户需求的变化，热泵机组往往需要改变压缩机转速变负荷运行．研究表明，随着压缩机转速的升高，热泵系统的制冷/热量和压缩机的耗功均不同程度的增大，而负荷变化对压缩机耗功的影响作用略大于热泵系统的制冷/热量的影响，因此当负荷增大时，热泵机组的COP值是有所下降的，但下降幅度较小，变化比较平缓，以保证系统在全年各种不同的负荷下，始终具有较高的能效比[7]．因此，当严寒季节用户热负荷需求较高时，热泵系统和机组的COP值均略有下降，采暖季两者COP的平均值分别为3.7和4.3．

图4 日累计耗电量与日累计热负荷Fig.4The power consumption and heating loadaccumulated in a day

图6为2012～2013年采暖季地源热泵系统各部分能耗的统计结果．通常而言，在地源热泵系统中，水泵的能耗不超过总能耗的30%[8]，故合理控制水泵的运行也是节能的重要手段之一．用户侧和水源侧水泵的能耗分别为150 230 kW h和36 988 kW h，占总能耗的14%．1#机组和2#机组的能耗分别为514 950 kW h和608 784 kW h，两者占总能耗的86%．由此可见，选择部分负荷性能系数（IPLV）较高的热泵机组是实现节能运行的关键．

由图6的2012～2013年采暖季耗电量统计结果可知，热泵系统总能耗为1 310 952 kW h，若该地区的电价按0.52元/(kW h)计算，则采暖季总运行费用为681.7万元，折合每平米建筑面积为9.1元，小于当地市政管网的供热费用17元/m2，经济效益明显．

图5 地源热泵系统的日均性能参数Fig.5 TheaverageperformanceparametersoftheGSHP

图62012 ～2013年采暖季耗电量统计Fig.6The power consumption in the heating season in 2012～2013

3 效益分析

3.1 经济效益

与常规供暖燃煤锅炉相比，表3为此地源热泵和水源热泵供暖系统在增量成本，增量投资回收期以及项目费效比．其中增量成本指的是与常规的供暖系统相比，利用热泵供暖增加的初投资．增量投资收期指的是增量成本与年节约费用之比；项目费效比为年节约费用与项目节电量之比，其具体指的是此地源热泵系统运行第1年每节电1 kW h所增加的所增加的初投资费用．

表3 增量成本与回收期对比图Tab.3The comparison of incremental cost and payback period

国家电网的相关规定，迁安市住宅建筑用电的平均价格为0.54元/kW h，考虑线损等因素，电价定为0.50元/kW h．从图上可以看出本系统的回收期值为4.64 a，比水源热泵系统的回收期少22%，地源热泵系统的费效比为4.21元/kW h，比土壤热泵系统的费效比低40%．地源热泵系统的单位面积的增量成本为98.3元/m2，而土壤热泵的单位面积的增量成本为134.6元/m2．从数据看出此工程采用的地源热泵供暖系统具有更高的经济性．

3.2 环境效益

以常规的供暖燃煤锅炉相比，地源热泵供暖系统没有任何的污染，不排放污染物质，不需要堆放燃料废物的场地，并且热效率高，不用远距离输送热量，适应社会对能源的发展要求．通过相关计算本项目可以节约标准煤13 318.2 t/a，并且减少二氧化碳排放量32 895.9 t/a，二氧化硫266.4 t/a，其环境效益显著．

4 结论

1）基于地源热泵数据监测系统，对采暖季的运行数据进行了采集与分析，更直观的了解了该热泵系统的运行性能及能耗状况．整个采暖季中，热泵系统和机组的COP值分别为4.3和3.7，采暖运行费用为9.1元/m2，小于市政管网供热费用17元/m2，具有明显的节能效果和经济效益．

2）从经济效益角度分析，与常规供暖燃煤锅炉相比，通过比较地源热泵和水源热泵供暖系统在增量成本，增量投资回收期以及项目费效比，地源热泵系统系统的回收期值比水源热泵系统的回收期少22%，其费效比土壤热泵系统低40%．地源热泵系统的单位面积的增量成本为98.3元/m2，而土壤热泵的单位面积的增量成本为134.6元/m2．可以看出地源热泵供暖系统比水源热泵系统更具有经济效益．

3）可以预见，地源热泵技术将会进入规模化的推广和应用，为推动该技术健康、有序的发展，建议有关部门尽快组织和完善地源热泵数据监测系统的标准体系，使节能效果逐渐透明化，以实现真正的建筑节能．

[1]汪训昌．关于发展地源热泵系统的若干思考[J]．暖通空调，2007，37（3）：38-43．

[2]唐桂忠，张广明．公共建筑能耗监测与管理系统关键技术研究[J]．建筑科学，2009，25（10）：27-31．

[3]王磊，于军琪，马媛．大型公共建筑能耗无线远程监测与节能管理系统研究[J]．建筑节能，2011，39（241）：65-67．

[4]孙峙峰，孟冲．某典型公用建筑地下水源热泵系统实际运行工况的测试评价研究[J]．建筑科学，2011，27（12）：49-52．

[5]牛利敏，孟冲．辛集市以地热弃水为热源的热泵供暖方式探讨[J]．暖通空调，2011，41（3）：120-123．

[6]李毅，生晓燕，赵云峰．青岛市某大型公建能耗分项计量监测及能耗指标分析[J]．绿色建筑，2010（2）：39-42．

[7]邱林．变负荷运行对热泵性能系数影响的分析[J]．节能技术，2006，24（5）：419-421．

[8]赵冰，湛文贤，赵灵．某地埋管地源热泵系统夏季运行性能分析[J]．河北工业大学学报，2012，41（4）：49-54．

[责任编辑 田丰]

Application of ground-source heat pump data monitoring system of a residence in Qian'An

YANG Bin，GU Jihao，WANG Lin，ZUO Degong，QI Chengying

(School of Energy and Environment Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

Based on the ground-source heat pump(GSHP)data monitoring system,the author collected and analysed the operating data of heat season in 2012～2013 which helps the author have more understanding about the actual operation of GSHP.Results show that the average COP of systems and units was respectively 3.7 and 4.3.The operating cost was 9.1 yuan/m2which was less than the heat cost 17 yuan/m2of municipal heating pipe network in the heating season. Hence,its remarkable economic effect will help widen the use of GSHP in this area.

ground-source heat pump;data monitoring systems;operation performance;coefficient of performance; applying

TU83

A

1007-2373(2015)03-0079-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.03.015

2014-12-29

国家“十二五”科技支撑计划（2012BAJ06B04）；河北省高等学校科学技术研究项目（QN20131118，QN2015028）

杨宾（1980-），男（汉族），讲师，博士，yangbin0720@126.com．

数字出版日期：2015-06-17数字出版网址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20150617.0941.001.html