上海地区地源热泵系统能效调研与节能量分析

寇 利，高世轩，王晓阳，李雷雷

（上海市地矿工程勘察院，上海 200072）

上海地区地源热泵系统能效调研与节能量分析

寇 利，高世轩，王晓阳，李雷雷

（上海市地矿工程勘察院，上海 200072）

通过对上海地区23个地源热泵项目的测试和调研，得到了地源热泵系统夏季的制冷能效比和冬季的制热性能系数数据。按照建筑类型和建筑规模统计分析了地埋管地源热泵项目的系统性能，并计算了地源热泵常规能源替代量和经济环境效益，供类似项目参考。

地源热泵；性能系数；能效比；节能分析

近十年来，地源热泵空调系统以节能显著、一机多用等特点在绿色建筑中得到广泛应用，它利用浅部土层温度稳定的特点，将地层中的低位热源转化为可以利用的高位热源，既可替代化石能源，又可减少温室气体的排放。在工程应用中，地源热泵系统的实际能耗情况备受关注[1～3]，而针对上海地区开展此研究的学者较少[4]。

为了全面了解上海地区现有地源热泵系统的运行状况，并对其能效水平、节能量进行科学客观的分析，本次通过对地源热泵空调系统进行能效测试，计算出工程项目实际的常规能源替代量和环境、经济效益，展示了地源热泵系统的突出优点，并为类似项目提供实用参考依据。

1 调研项目介绍

由于上海地域的特殊性，对地下水开采的严格限制，地表水的使用又受限于河流和湖泊约束，对地表水和地下水换热方式的应用影响较大，目前以地埋管换热方式最多[5～7]。本次调研的23个项目中，其中有22个采用地埋管地源热泵系统，1个采用水源热泵系统，建筑类型涵盖了居住建筑中的宿舍楼、公共建筑的办公、会所、展示馆和教学楼等，应用广泛，具有一定的代表性。

图1为调研项目建筑规模比例和建筑类型比例。从中可以看出上海地区使用地源热泵系统的建筑规模在1万m2以下占30%，1～2万m2占26%，2万m2以上约占44%；公共建筑和酒店应用地源热泵空调系统较多，约占55%左右。

图1 调研项目的建筑物类型Fig.1 Types of investigated buildings

2 地源热泵项目能效水平分析

2.1 评价级别划分依据

依据上海市地方标准《可再生能源建筑应用测试评价标准》（DG/TJ 08-2162-2015）中关于地源热泵系统性能级别划分相关规定，对所测试的项目进行级别划分。该级别划分方案考虑了系统中机组的容量，与《可再生能源建筑应用工程评价标准》（GB/T 50801-2013）相比更加合理。系统性能级别划分如表1所示，根据冬夏季测试的数据进行计算和划分。

表1 地源热泵系统性能级别划分Table 1 Performance level division of ground source heat pump system

2.2 系统性能系数分析

地源热泵系统性能的高低直接影响系统的节能性和应用推广。根据系统性能测试相关技术标准要求，对23个项目进行了现场测试。由于测试条件局限，测试的23个项目中，仅作冬季供暖测试的有2个，仅作夏季供冷测试的有3个，其他项目供暖供冷季均进行了测试。测试主要内容包括室内外温度、热泵机组和热泵系统三部分内容，根据测试结果进行计算分析。

参照表1，根据项目的机组容量和测试的EER和COP对所测项目的制冷和制热性能系数进行统计如图2。从图中可以看出，不同项目间的应用效果差异较大，其中EER在2.8至3.8范围内约占87%，COP在2.8至3.8范围内约占78%。

参照表1，根据项目的机组容量和测试出的EER和COP，对所测项目进行性能级别划分如图3。从图中可以看出，达到3级及以上的项目数量占83%，2级及以上的项目占39%，不达标的项目占17%，被调研的项目中没有达到1级标准。通过以上数据可以看出，上海地区的地源热泵系统大部分处于三级水平，项目仍然存在较大的改进和节能空间。经仔细调研发现，一方面在于前期设计的不充分，不能对整个年度冬夏季运行过程中的累积吸排热量做出正确计算；另一方面在于缺乏地埋管换热器施工过程中的监管，使得地埋管换热器埋深不足、回填不实水平管路短接等问题出现，导致地源侧换热能力不足。此外，系统建成后的运行管理策略不合理等也直接影响到系统能效。

图2 不同项目的制冷和制热性能系数Fig.2 Refrigeration and thermal performance coeffcient of different projects

图3 不同系统能效级别比例Fig.3 Energy effciency rating scale of different systems

2.3 不同建筑类型的热泵系统性能分析

为了探究不同建筑类型地源热泵的系统性能，同时了解上海地区地源热泵在不同建筑类型中的使用效果，对调研的项目进行统计分类和计算分析。

如图4为不同建筑类型平均系统能效变化图，从图中可以看出医院系统性能最好，其冬夏季节的系统能效均达到3.5；商场的冬夏季系统能效均达到3.4，且值大小相当，因为医院和酒店项目一般使用频率较高且采用了热回收措施，减少了向土壤排热量，有利于系统的热平衡，所以提高了系统稳定性和运行性能。厂房和景观类建筑冬季系统性能较低且冬夏季系统性能差别较大，说明该类建筑地源热泵系统对土壤的热平衡性影响较大，在设计和运行时需要重点考虑。而本次测试的公建项目冬夏季系统性能差别较小，但整体系统性能系数较小，是因为建筑负荷率较低，使用不高所致，同时公建项目间歇使用的特点，有利于土壤温度的恢复，这势必对地埋管出水温度有利。因此，在上海地区医院、商场、公建类建筑，地源热泵系统应用存在较大优势，其次为酒店和住宅类建筑。

图4 不同建筑类型平均系统能效变化Fig.4 Changes in the average system energy effciency for different building types

3 地源热泵系统节能减排效果分析

依据《可再生能源建筑应用测试评价标准》（DG/TJ 08-2162-2015）中地源热泵系统测评标准，对地源热泵系统相对于常规供暖（冷）系统的一次能源节能率，参照消耗一次能源所产生的温室气体和污染气体量，对应用地源热泵空调系统的项目所带来的环保效益进行分析评价。

图5和图6分别为不同建筑类型地源热泵系统相对于常规系统的标准煤年节约量和CO2、SO2以及粉尘的年减排量图。从图中可以看出，不同建筑类型其节能减排效果差别较大。其中，商场和医院的标准煤年节约量和CO2、SO2以及粉尘的年减排量均比较大；而住宅类建筑的标准煤年节约量和CO2、SO2以及粉尘的年减排量均较小，表明地源热泵系统在商场和医院类建筑中应用效果比较好。因此，有条件的此类建筑物在选用空调系统时可优先考虑使用地源热泵系统。

图5 不同建筑类型标准煤和CO2年节约量Fig.5 Standard coal and CO2emissions for different types of buildings

图6 不同建筑类型粉尘和SO2年减排量Fig.6 Dust and SO2reductions for different types of buildings

4 结论

本文通过对上海地区23个具有代表性的地源热泵工程项目进行现场能效测试，并依据最新发布的《可再生能源建筑应用测试评价标准》能效测试标准，按照不同建筑类型从系统性能级别、节能、环保角度对项目进行评价分析，可以得出以下结论：

（1）通过对上海地区23个地源热泵项目性能测试数据进行统计，得出夏季EER在2.8～3.8范围内约占87%，冬季COP在2.8～3.8范围内约占78%；

（2）系统能效划分达到3级及以上的项目数量占83%，2级及以上的项目占39%，不达标的项目占17%。可以看出，上海地区的地源热泵系统大部分处于三级水平，项目仍然存在较大的改进空间；

（3）上海地区商场、医院类高能耗建筑的系统能效和节能减排效果明显高于其他类型建筑，在进行综合评定后，有条件的此类建筑在选用空调系统时可优先考虑地源热泵系统。

References)

[1] 陈焰华,於仲义,胡平放. 武汉地区地源热泵系统的运行测试与分析[J]. 暖通空调,2009,39(6):12-17. Chen Y H, Yu Z Y, Hu P F. Testing and analysis of ground source heat pump system in Wuhan area[J]. Heating Ventilating & Air Conditioning, 2009,39(6):12-17.

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[5] 王小清,王万忠. 地埋管地源热泵系统运行期地温监测与分析[J].上海国土资源,2013,34(2):76-79. Wang X Q, Wang W Z. Soil-temperature monitoring and analysis of a ground source heat pump system during the operating period[J]. Shanghai Land & Resources, 2013,34(2):76-79.

[6] 高世轩. 上海地源热泵系统对地质环境的热影响分析[J]. 上海国土资源,2012,33(1):67-70. Gao S X. Analyzing the influence of heat on the geological environment surrounding ground source heat pump system in Shanghai[J]. Shanghai Land & Resources, 2012,33(1):67-70.

[7] 陆惠泉. 地源热泵系统技术规程关键技术问题探讨[J]. 上海地质,2010,31(3):64-67. Lu H Q. Key technical issues of ground source heat pump system technical specifcation[J]. Shanghai Geology, 2010,31(3):64-67.

Energy effciency investigation and energy saving analysis of ground-source heat pumps in Shanghai

KOU Li, GAO Shi-Xuan, WANG Xiao-Yang, LI Lei-Lei
(Shanghai Institute of Geological Engineering Exploration, Shanghai 200072, China)

The energy effciency ratio of ground-source heat pump (GSHP) systems in summer, and the coeffcient in winter, was obtained by testing 23 GSHP projects in areas with hot summers and cold winters. The coeffcient of performance was analyzed. According to the architectural type and size of structures, calculations were done to estimate the contribution of ground source heat pumps to the quantity of conventional alternative energy, and to estimate the economic and environmental benefts of GSHP systems. This is expected to provide a reference for similar projects.

ground-source heat pump; coeffcient of performance; energy effciency ratio; energy saving analysis

P314

A

2095-1329(2016)04-0069-03

10.3969/j.issn.2095-1329.2016.04.019

2016-08-04

2016-10-26

寇利(1984-),女,硕士,工程师,主要从事地源热泵系统研究.

电子邮箱: kevinkouli@163.com

联系电话: 021-66110693

中国地质调查局地调项目(水[2014] 02-001-014-03)