严寒地区某示范工程土壤源热泵系统综合评估

武思彤，白 莉，刘伟娟

(吉林建筑大学市政与环境工程学院，长春 130118)

严寒地区某示范工程土壤源热泵系统综合评估

武思彤，白 莉，刘伟娟

(吉林建筑大学市政与环境工程学院，长春 130118)

通过实时监测严寒地区某教学楼示范工程土壤源热泵系统运行的各项参数，从技术性、节能性、环保性及经济性各自不同的角度全面进行综合评估。为严寒地区土壤源热泵系统的高效运行提供参考。

土壤源热泵；监测；能效；投资；评估

0 引言

地源热泵作为一种高效、环保的先进技术，是改善大气环境和节约能源的一种有效途径。我国关于地源热泵的技术应用研究从20世纪80年代开始[1]，土壤源热泵系统由于其不破坏地下水资源、不受地下水位影响、无污染等特点而广泛受到人们的关注[2]。2016年，作为“十三五”的开局之年，第一次把地能开发列入全国总规划[3]，土壤源热泵系统的发展迎来了一个新的历史阶段。严寒地区土壤源热泵系统的监测及综合性评估尚处于初步发展阶段，本文通过对土壤源热泵系统示范工程进行监测，对土壤源热泵系统进行综合评估。

1 工程概况

该工程是国家“十二五”科技支撑项目中的示范工程，总建筑面积为27 492 m3，层数6层，1层、2层层高4.2 m，3层至6层3.6 m，总高度23.95 m。土壤源热泵系统的原理如图1所示，根据建筑物的负荷，示范工程选择大金空调生产的土壤源热泵CUWD80A5Y—HC，机房设备如图2所示，主要参数详见表1。

2 数据监测及分析

2.1 数据监测系统

示范工程土壤源热泵系统的监测系统主要由两部分组成，分别是室外监测系统和室内监测系统，监测内容如图3所示。

图1 土壤源热泵系统原理

图2 示范工程机房设备图

设备名称型号技术参数数量热泵机组AQSW0612—H制热量:186.6kW制热功率:50.3kW制冷量:211.8kW制冷功率:39.4kW一用一备

表1(续)

该系统于2013年10月开始投入运行使用，本文通过对土壤源热泵系统2013年、2014年、2015年、2016年冬季工况和夏季工况两种工况进行监测，进而完成土壤热泵系统综合性评估。

2.2 监测结果分析

本文通过对该系统进行实时监测，采取每隔1个小时监测1次，根据监测得到的结果统计，汇总见2。

图3 监测系统图

表2 监测结果记录

3 综合评估

3.1 技术评估

3.1.1 机组性能分析

热泵机组制热性能系数:

(1)

(2)

式中：COP为土壤源热泵制热(制冷)性能系数；Q为监测期间土壤源热泵机组的平均制热量(制冷量)，kW；Ni为监测期间土壤源热泵机组的平均输入功率，kW；V为土壤源热泵机组用户侧平均流量，m3/h；ρ为水的平均密度，kg/m3；C为水的定压比热容，kJ/(kg·℃)；Δt为土壤源热泵机组用户侧供回水温差，℃。

3.1.2 系统性能分析

(3)

式中：COPsys为土壤源热泵系统的制热(制冷)能效比；Qs为监测期间土壤源热泵系统的总制热量(制冷量)，kW·h；P为监测期间土壤源热泵系统所消耗的总电量，kW·h。

通过表2记录到的数据，以2015年—2016年冬季工况为例，将机组能效值及系统能效值绘制成图线如图4～5所示。

图4 2015年—2016年冬季机组能效值

图5 2015年—2016年冬季系统能效值

由图4～5可以看出，2015年—2016年冬季工况下热泵机组能效值在2.37～5.66之间，平均能效比为3.78，系统运行能效值在2～4.49之间，平均能效比为3.21。将4年以来土壤源热泵系统的机组能效值及系统能效值汇总见表3。

表3 能效分析表

通过计算结果可以看出，4年中冬季工况机组能效值和系统能效值均大于夏季工况，这是由于在严寒地区夏季所需要的冷量小于冬季需要的热量及学生放假导致夏季运行天数较少，因而冬季工况机组能效值和系统能效值明显大于夏季工况。

3.2 节能评估

3.2.1 能源利用系数

能源利用系数指对一次能源的利用率，能源利用系数越大，表明对一次能源的利用越充分[4]。

(4)

式中：E为能源利用系数；Q1为热用户利用的热量；Q2为一次能源投入量；ηtn为热网效率；η1为发电效率；η2为输电效率。

通过查阅相关文献资料了解到了几种供热方案的热网效率、发电效率及输电效率[5]。地源热泵供暖的热网效率为0.98，供电效率为0.35。η1与η2的乘积即为供电效率。取该示范工程土壤源热泵的机组平均制热系数3.96，计算得到该系统的能源利用率为1.36，而普通的电热供暖的能源利用率为0.34，燃煤锅炉集中供热的能源利用率为0.64，因此，可以明确看出，土壤源热泵系统将一次能源得到了更加充分的利用。

3.2.2 常规能源替代量

根据土壤源热泵系统的耗能量以及常规供暖方式的耗能量，可以计算出该系统的常规能源替代量。

(5)

式中：Q为常规能源替代量，kgce；QC为常规供暖方式耗能量，kgce；QH为供暖季累计热负荷和供冷季累计冷负荷，MJ；η为以传统能源为热源时的运行效率，取锅炉效率0.7；q为标准煤热值，取29.307 MJ/kgce[6]；D为每度电折合所耗的标准煤量，取0.33 kgce/(kw·h)。

3.2.3 节能率

(6)

根据计算得到该土壤源热泵系统在2015年冬季工况的节能率为23%，在2016年夏季工况的节能率为27%。

将计算得到的常规能源替代量和节能率汇总见表4。

表4 节能性评估表

由表4数据分析可以得到，13年冬季，土壤源热泵系统刚刚运行，因此节能率较高，且随着运行时间的增长，土壤源热泵系统的节能率逐渐下降，但下降幅度较小，在6%的范围内波动。节能率平均值为47.3%。节能效果显著。

3.3 环境评估

主要通过对二氧化碳减排量、二氧化硫减排量、烟尘减排这3项指标来完成环境评估。

二氧化碳减排量：LCO2=MCO2×Q，

(7)

二氧化硫减排量：LSO2=MSO2×Q，

(8)

烟尘减排量：L烟尘=M烟尘×Q，

(9)

式中：MCO2为每吨煤的二氧化碳排放因子，取2.47 t/tce[7]；MSO2为每吨煤的二氧化硫排放因子，取0.02 t/tce；M烟尘为每吨煤的烟尘排放因子，取0.01t/tce。

将计算得到的结果汇总见表5。

表5 减排量评估分析表

由表5可以看出，该系统所带来的环境效益明显，CO2平均减排量为1.02×105kg/a；SO2平均减排量为821.29kg/a；烟尘平均减排量为410.65kg/a。

3.4 经济评估

3.4.1 运算模型

通过对系统相关参数的监测，建立初投资与运行费用的计算模型。

初投资=设备费用+设备安装费用+钻孔费+土建费用，

(10)

年运营费用=电费+燃料费+维修费+人工费用。

(11)

根据查阅该示范工程在建立初期的相关资料了解到，初投资费用总计279万元。年运营费用见表6。

表6 年运营费用 单位：万元

3.4.2 投资回收期

在对土壤源热泵系统进行经济性分析时，需要借助投资回收期这一经济指标来评价经济效益的好坏。

(12)

式中：m为静态投资回收年限，a；Yg为土壤源热泵系统的初投资，万元；Yk为水冷机组系统的初投资，万元；Ed为土壤源热泵系统的年运营费用，万元；Eg为水冷机组系统的年运营费用，万元。

在查阅了相关水冷机组的资料了解到，常规水冷机组约为0.7元/W，因此，冷水机组的价格约为15万元/台[8]，两台共30万元，冷却塔、冷却泵、水泵及冷却塔共计18.5万元，设备安装费取设备费用的15%，约为7.27万元，市政热网并网费用40万。管道施工费用17.14万元，末端安装费用60万元，总计共172.91万元[9]。水冷机组年运营费用为23.5万元，计算出静态投资回收期为11.7a。

4 结语

1)文本通过对严寒地区某示范工程土壤源热泵项目进行技术性评估，得到该土壤源热泵系统在2013年—2016年冬季机组平均能效值为4.37、3.73、3.78，系统平均能效值为3.22、2.87、3.21；夏季机组平均能效值为3.69、2.95、3.29，系统平均能效值为3.02、2.86、2.91。符合机组的性能系数(COP)不应该小于2.8的国家规定。

2)通过对土壤源热泵系统进行节能性评估，计算得到该系统的能源利用率为1.36，节能率平均达到47.3%。

3)通过对土壤源热泵系统进行环境性评估，得到CO2平均减排量为1.02×105kg/a；SO2平均减排量为821.29kg/a；烟尘平均减排量为410.65kg/a。

4)通过对土壤源热泵系统进行经济性评估，得到静态投资回收期为11.7a。

5)利用上述4年数据对示范工程进行运行分析，得到土壤源热泵系统在技术上可行，得到的能效值符合国家标准；从节能角度看，4年中共节煤246.39t；从环保角度来看，避免了酸雨的形成，温室气体的排放；从经济性角度来看，静态投资回收期为11.7a，而机组的寿命值为30a。

综上所述，我们可以看出土壤源热泵系统可以在严寒地区作为一种新型的能源方式进行利用，起到良好的节能减排作用，对土壤源热泵系统的发展具有现实指导意义。

[1] 毕彤，徐光，王嘉璐.未来建筑节能的领军技术热泵技术在我国的发展[J].环境保护与循环经济，2008(1)：5.

[2] 徐伟，刘志坚.中国地源热泵技术发展与展望[J].地热能，2014(6)：9-16.

[3] 国家能源局.国家能源局2016年能源工作指导意见[R/OL].(2016-03-22)[2017-12-22].http://zfxxgk.nea.gov.cn/aut082/201604/t20160401_2219.htm.

[4] 胡先放，李玉云，马勇，等.武汉地源热泵制热工况能效测评与效益分析[J].可再生能源，2013，31(9)：118-123.

[5] 徐伟，刘志坚.中国地源热泵技术发展与展望[J].建筑科学，2013(10)：26-33.

[6] 褚林配.地热供热系统综合效益指标评价体系研究—地埋管地源热泵[D].天津：河北工业大学，2014.

[7] 国家发展和改革委员会能源研究所.GB/T2589-2008，综合能耗计算通则[S].北京：中国标准出版社，2008.

[8] 卫万顺，李宁波，冉伟彦.浅层低温能开发利用的关键问题研究[J].理论探讨，2009，4(3)：3-7.

[9] 付大义.地源热泵系统的应用及经济性分析[D].西安：西安建筑科技大学，2009.

JilinJianzhuUniversity，Changchun130118，China)

The Comprehensive Evaluation to Ground Source Heat Pump System in a Certain Model Project in Severe Cold Area

WU Si-tong，et al.

(SchoolofMunicipal&EnvironmentalEngineering，

From different aspects of technology，energy saving，environmental protection and economy，this paper makes a comprehensive evaluation to the parameters by real-time monitoring to each parameter of ground source heat pump system operation in a project of a teaching building in severe cold area to provide reference for the efficient operation of ground source heat pump system in severe cold area.

ground source heat pump；monitor；energy efficiency；investment；evaluation

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.01.021

2017-01-08

武思彤(1993-)，女(汉)，吉林省永吉县，在读硕士 主要研究土壤源热泵系统能效分析。

U467.48

A

1009-8984(2017)01-0082-04