某图书馆地源热泵冬季两端供暖性能测试与分析

王文晶 刘 刚 孟祥来

东华大学环境科学与工程学院

某图书馆地源热泵冬季两端供暖性能测试与分析

王文晶 刘 刚 孟祥来

东华大学环境科学与工程学院

本文以上海地区学校图书馆地源热泵系统为研究对象，通过对初寒期与末寒期的供暖性能测试并进行分析，得出地源热泵系统比空气源热泵系统制热性能系数要高46.21%，而空气源热泵系统耗能却要比地源热泵系统起码高46.17%。地源热泵一次能源利用率为E=1.096，要优于锅炉供暖。对于学校图书馆这种冬季存在寒假不开系统的建筑，地源热泵系统在初寒期以及末寒期的供暖优势十分明显。

地源热泵 冬季两端 供暖性能 节能分析

1 工程概况

某图书馆位于上海市长宁区东华大学内，为东华大学延安路校区图书馆，图书馆共有地上三层，二层书库空调面积为1050m2，三楼外文书库空调面积为525m2，总空调面积为1575m2。图书馆地源热泵空调系统于2010年9月10日建成投入运行，主要由三部分组成：地下埋管换热器系统、热泵机组以及空调末端循环系统。

冷热源主机采用4台水-水热泵机组，其中3台机组型号相同，为WPWE200型，单台制热量为67kW，1台机组型号为WPWE240型（1号机），制热量为78kW；地下埋管换热器系统采用单U型地埋管换热器并垂直敷设，钻孔直径为130mm，井深为100m，共有45口，其中三口为监测井，管间距为3.5m；末端采用6台空气处理机组，水循环共设3台循环泵，2用1备。管材均采用高密度聚乙烯塑料管（HDPE），回填材料为原浆土。同时，系统设置一个冷却塔，用以控制冬夏冷热的不均衡性。系统图详见图1。

图1 地源热泵系统流程图

自控系统采用JOHNSON CONTROLS公司的METASYS系统，可以实时切换地源热泵自动/手动运行，并实现采集检测室内外侧进出水的温度、流量、机组设备的功率、室内外温湿度等参数；土壤温度测试数据的采集采用组态王6.52软件，其中土壤温度的测量采用自制式带不锈金属外壳保护的PT100铂电阻热电偶。采集数据的仪器型号见表1。

表1 仪器类型及参数

2 地源热泵机组的测试与结果分析

2.1 实验数据处理方法

1）冬季地下埋管换热器换热量

式中：Qd为冬季地下埋管换热器换热量，kW；wd为埋管水侧流量，kg/s；cp为水的比热容，kg/(kg℃)；tin、tout为埋管水侧进、出水温度，℃。

2）冬季空调供热水侧换热量

式中：Qk为冬季空调供热水侧换热量，kW；wk为空调供热水侧流量，kg/s；t'in、t'out为空调供热水侧进、出口温度，℃。

3）冬季地源热泵机组的性能参数

式中：COP为冬季空调机组的性能参数；Pac为地源热泵机组输入功率，kW。

4）冬季地源热泵系统能效比

式中：EER为冬季地源热泵系统能效比；Pin为地源热泵系统输入功率，kW；Pp为循环水泵输入功率，kW。

2.2 初寒期与末寒期供暖性能测试结果及分析

为了得到地源热泵系统在供暖高峰期（初寒期与末寒期，学校寒假图书馆不开放），空调机组的运行性能系数COP、整个机房的能效比EER。2012年11月29日（初寒期）和2013年3月1日（末寒期）分别对机房的设备运行指标和空调机组的各项指标进行了测试。由于刚开机时水温有一定的不稳定时间，等到运行一段时间后，测出的数据才会比较准确。笔者选取的是相对比较稳定的一段时间各状态点的性能参数，取平均值得到表2。

表2 初寒期和末寒期制热性能系数

表2的数据是在初寒期（2012年11月29日）时，1号机组和2号机组同时开启，空调侧、地源侧分别开启一台水泵；末寒期（2013年3月1日）时，2、3、4号机组同时开启，空调侧、地源侧分别开启一台水泵的运行情况下测得的。

由表2可以看出，初寒期的制热量为额定工况的78.9%的运行状态，所以机组的COP值比较高，达到了4.56；在末寒期时，制热量为额定工况的44.5%的运行状态，所以机组的COP值相对较低，只有3.15。很明显能够看出，不管是在初寒期还是在末寒期，机组都没有在满负荷的条件下运行，而当机组运行负荷较低时，COP值也降低了许多，与以往的经验相同。因此，为了保证地源热泵的高效率，就要尽量使系统保持在一个高负荷的条件下，这样才能真正体现地源热泵系统的高效性。

2.3 地源热泵机组进出口水温测试结果和分析

地源热泵采用地下浅层土壤作为冷热源，由于地下岩土温度比较稳定，它的冬季温度远远高于大气温度，因此地源热泵系统供暖，其性能系数远高于空气源热泵，这是地源热泵系统节能的根本原因[3]。

为了得到机组运行的稳定数据，测试了初寒期（9:30~16:30）和末寒期（9:30~16:30）空调侧和地埋侧进出口水温及温差，如图2。

图2 地源热泵机组进出口水温及温差

由图2可知，整个地源热泵系统，空调侧和地埋侧进出口水温均未出现异常，都属于可以控制的范围内。空调侧进出口水温几乎都在35℃～45℃之间，地埋侧进出口水温都在10℃～18℃之间，空调侧温差在4℃左右，地埋侧温差在3℃左右，可以看出空调侧和地埋侧换热都很稳定，说明地源热泵系统稳定性明显高于空气源热泵。

同时从图中又发现，末寒期地埋侧进出口水温低于初寒期地埋侧进出口水温，说明经过一个冬天的供暖，地埋管周围土壤温度下降，影响了整个系统的制热性能，对一些大型建筑，就需要一些辅助设备进行供热，以保持土壤温度的平衡。

3 地源热泵系统初寒期与末寒期节能分析

3.1 地源热泵与空气源热泵性能比较

根据东华大学延安路校区图书馆地源热泵系统的运行情况，地源热泵系统在供暖期的平均制热系数COP值为3.86；而普通的螺杆式空气源热泵机组，冬季取COP值为2.64。两种方式对该图书馆初寒期及末寒期供暖进行比较（表3）。

表3 相同负荷两种系统输入功率比较

由于冬季空气源热泵运行时室外机会有结霜影响，所以实际的耗电量会更大。因此，地源热泵系统比空气源热泵系统制热性能系数要高46.21%，而空气源热泵系统耗能却要比地源热泵系统起码高46.17%。

3.2 地源热泵与锅炉性能比较

地源热泵系统消耗的是电能，而锅炉消耗的却是一次能源，两者消耗的不是同等能源，所以需要利用能量利用率，对这两个系统进行比较。

一次能利用率计算公式：

式中：E为一次能利用率；TQ为供暖季总制热量，kWh；TP为供暖季总电能消耗，kWh；β为发电厂的发配电效率；COP为地源热泵平均制热性能系数。

根据规定，全国平均发配电效率为β=0.284。此时，算出该图书馆地源热泵一次能源利用率为E=1.096。

目前中国普通锅炉房取暖E值为0.65～0.7。因此能够得出地源热泵在初寒期和末寒期供暖要优于锅炉供暖。

4 结论

通过本文研究：可得出如下结论：

1）初寒期的制热量为额定工况的78.9%的运行状态，所以机组的COP值比较高，达到了4.56；在末寒期时，制热量为额定工况的44.5%的运行状态，所以机组的COP值相对较低，只有3.15。很明显能够看出，不管是在初寒期还是在末寒期，机组都没有在满负荷的条件下运行，而当机组运行负荷较低时，COP值也降低了许多。

2）空调侧进出口水温几乎都在35℃～45℃之间，地埋侧进出口水温都在10℃～18℃之间，空调侧温差在4℃左右，地埋侧温差在3℃左右，可以看出空调侧和地埋侧换热都很稳定，说明地源热泵系统稳定性明显高于其它系统。

3）末寒期地埋侧进出口水温低于初寒期地埋侧进出口水温，说明经过一个冬天的供暖，地埋管周围土壤温度下降，影响了整个系统的制热性能，此时对一些大型建筑，就需要一些辅助设备进行供热，以保持土壤温度的平衡。

4）地源热泵系统比空气源热泵系统制热性能系数要高46.21%，而空气源热泵系统耗能却要比地源热泵系统高46.17%。地源热泵一次能源利用率为E=1.069，要优于锅炉供暖。

5）对于学校图书馆这种冬季存在寒假不开系统的建筑，地源热泵系统在初寒期以及末寒期的供暖优势十分明显。

[1] 江亿.我国建筑能耗状况及有效的节能途径[J].暖通空调,2005, (5):30-40

[2] 徐伟.地源热泵技术指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2011

[3] 孙恒虎,崔建强,毛信理.地源热泵的节能机理[J].太阳能学报, 2001,25(1):24-27

The Analysis of Heating Performance and Energy Saving of One Library GSHP System at Winter Begin and End

WANG Wen-jing,LIU Gang,MENG Xiang-lai
College of Environmental Science and Engineering,Donghua University

This paper analysis the heating performance of a GSHP system in a library through the testing data at the early and the end of the winter.Results show that the heating coefficient of GSHP is 46.21%higher than air source heat pump,while its energy consumption will be 46.17%lower than ASHP.Besides,GSHP is better than heating boiler with a primary energy ratio of 1.096.The advantage of GSHP in school library is more obvious because it only runs at the early and the end of the winter.

GSHP,winter ends,heating performance,energy saving analysis

1003-0344（2015）04-061-4

2014-3-6

王文晶（1990～），男，硕士研究生；上海市松江区人民北路2999号东华大学4号学院楼3137室（201620）；E-mail:15021662912@163.com