某办公楼地源热泵系统运行能效测试与经济性分析

苏永强

（河北省地矿局第三水文工程地质大队，河北衡水053000）

某办公楼地源热泵系统运行能效测试与经济性分析

苏永强

（河北省地矿局第三水文工程地质大队，河北衡水053000）

对衡水市某地埋管地源热泵系统的运行性能进行了全年监测与分析，并对系统能效与经济性进行了评价.结果表明，制冷期与供暖期的整个热泵系统能效比分别为2.33与2.36，系统总成本费用及年运行费用分别为传统供热制冷方式的69.6%与48.3%，每年可节省制冷采暖费用约27.98万元，每年节能量折合为84.4 t标准煤，相当于减少排放二氧化碳220.1 t、二氧化硫1.78 t以及粉尘0.89 t.

地源热泵；监测；能效系数；经济性分析；实例分析

0 引言

地源热泵系统是当前浅层地热能利用技术中较为主要形式之一，在我国各地区应用较为广泛.但在工程实践中，工程地质勘查，系统设计、施工、监测等方面存在的缺陷与不足[1]对系统实际的能效及经济性产生较大影响.近年来，研究人员针对地源热泵系统的实际节能效果开展了较多测试工作.例如，陈焰华[2]针对武汉市某地下水源热泵及地埋管地源热泵系统运行情况进行分析.结果表明，该地下水地源热泵系统能效比高于地埋管地源热泵系统.赵冰[3]对唐山市某地源热泵系统夏季工况进行能效分析.结果表明，该系统能效比仅为2.6，且管理与运行模式对系统节能性有较大影响.白雪莲[4]测试了重庆地区某地表水地源热泵的运行性能，其机组平均能效比为4.33，系统平均能效比为2.5，并提出了改善系统能效比的方法.胡先芳[5]对武汉市某地源热泵运行状况进行测试，并进行了能效及经济性分析.结果表明，采暖工况系统能效系数高于制冷工况，系统每年单位面积节能量折合为6.66 kg标准煤.丁勇[6]针对重庆地区多个地源热泵夏季工况运行能效进行分析，结果表明，各系统节能效果均不明显，系统负荷率对能效水平有较大影响.王永镖[7]通过经济评价的方法，针对地源热泵系统采用不同驱动方式、辅助热源时的经济参数进行了分析.柴立龙[8]测试了北京地区某温室地下水地源热泵系统供暖期内的运行情况，其系统供热性能系数为3.83，比燃煤供暖节省42%能源消耗.杨宾等[9]针对河北迁安市某水源热泵系统建立了一套地源热泵数据监测系统，整个采暖季中的系统和机组能效比分别为3.7和4.3，采暖运行费用约9.1元/m2.上述研究均说明地源热泵在实际运行过程中能效比（COP）较传统供热、制冷方式较高，但经济性会因系统运行方式、设备配置、能源选择及地域不同而变化.基于以上背景，本文针对河北省衡水市某地埋管地源热泵系统制冷期及供热期的运行情况、系统实际运行能效及经济性进行测试分析，希望能够为寒冷地区可再生能源建筑应用系统设计与优化运行提供一定参考借鉴作用.

1 项目概况

1.1 工程概况

该项目位于河北省衡水市，采用复合式地埋管地源热泵系统.夏季制冷，冷源为地埋管换热孔群与冷却塔；冬季供暖，热源为地埋管换热孔群.室内末端为中央空调风机盘管与新风系统.采用该系统进行夏季制冷和冬季供暖的建筑包括：综合办公楼，建筑面积10 321 m2，其中1～6层商用，7～12层办公；宾馆面积约2 280 m2（仅冬季利用），即热泵系统制冷面积10 321 m2，供暖面积12 601 m2，建筑设计冷、热负荷见表1.

表1 建筑设计供热与制冷负荷Tab.1 Design heating and cooling load of buildings

1.2 地埋管换热系统

工程布置地埋管换热孔共95口，地埋管换热器孔深为140 m，孔径为150 mm，地埋管采用双U型DN32换热管，换热孔间距5 m，见图1.热泵机组选用三台克莱门特螺杆式地源热泵机组并行运行（机组型号为PSRHH1501，制热量620.4 kW，输入功率137.7 kW；制冷量577.7 kW，输入功率113.8 kW），其中1#热泵机组连接换热孔群；2#热泵机组连接换热孔群及冷却塔（额定流量100 m3/h），作为1#机组的备用机组；3#热泵机组连接冷却塔及地热尾水，冬季利用地热尾水补充供热.地源侧和用户侧各有循环泵3台（额定流量100 m3/h、扬程34 m，额定功率22 kW）.热泵机组在全年监测期运行期内，除系统调试外，均利用地埋管换热系统.

图1 地埋管地源热泵系统换热孔平面布置图Fig.1 Layout of heat exchange boreholes of ground source heat pump system

1.3 监测系统

监测系统主要包括流量监测、温度监测、耗电量监测及室温监测等.各监测设备通过通讯线连接至数据采集模块，利用相关软件采集并分析数据，以监控热泵系统整体运行情况.流量监测设备为电磁流量计，型号为WP-EMF-A1501A2BB11T52（测量范围为4.5～635 m3/h，精度为0.5级），在地源热泵机组、冷水源热泵机组的机房侧与用户侧总管处各安装2套，共计4套，监测频率1次/10 min；温度监测设备为热电阻温度传感器，型号为WZPB-231G（精度为0.5级），在地源热泵机组、冷水源热泵机组、地热尾水源热泵机组的机房侧与用户侧的进/出水总管处各安装4套，共计12套，监测频率与流量监测一致；耗电量监测设备为智能单相综合电表，型号为WP-LECJ-1723H（精度为0.5级），用于计量热泵机组及循环泵用电量，采用人工记录电量数据；室温监测采用红外测温仪，定时采集该实验楼11楼1110室、1101室温度情况，人工记录并形成室温电子数据，数据采集频率2次/h，监测时间与热泵运行时间一致.

2 数据处理

用户侧供暖/制冷量：

地源侧取热/排热量：

热泵机组能效系数：

热泵系统能效系数：

式中：Q1，Q2为用户侧、地源侧供暖/制冷量，MW·h；ΔT为监测时间间隔，h；q1，q2为用户侧、地源侧水流量，m3/h；，为用户侧、地源侧进/出口水温，℃；tin2，tout2为用户侧、地源侧进/出口水温，℃；ρ为水密度，kg/m3；cp为水比热容，kJ/（kg·℃）；P1为热泵机组耗电量，kW·h；P2为热泵系统循环泵、风机盘管等辅助设备耗电量，MW·h.

3 结果与讨论

3.1 室内温度变化

图2与图3分别给出了夏季制冷与冬季供暖期间，实验楼1110及1101房间的室温变化曲线.可以看出，在整个夏季制冷期间，两者室温基本保持在24～26℃之间，而在整个冬季供暖期间，两者室温基本保持在20～24℃之间.《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）规定，设计采暖时，冬季民用建筑室内主要房间计算温度宜采用16～24℃，夏季室内温度宜取22～28℃.因此，该地源热泵系统运行过程中的实际室内温度满足规范要求，达到了设计室温效果.

图2 夏季制冷期室内温度变化曲线Fig.2 Variations of the indoor temperature during the cooling operation in summer

图3 冬季供暖期室内温度变化曲线Fig.3 Variations of the indoor temperature during the heating operation in winter

3.2 系统运行能效分析

表2给出了地埋管地源热泵系统运行期间的耗电量情况.可以看出，系统耗电主要包括热泵机组耗电与循环泵（6台）、补水泵（1台）、加压送风机（8台）、风机盘管（319台）等辅助设备耗电.全年日均耗电量为1 332.0 kW·h/d，其中冬夏运行季分别为1 741.7 kW·h/d和889.2 kW·h/d.制冷期和供暖期中机组与辅助设备耗电量之比分别为1.76∶1和2.05∶1.

表2 地埋管地源热泵系统运行期间耗电量Tab.2 Electricity consumption during operation of ground source heat pump system

3.2.1 夏季工况

热泵机组夏季运行模式为间歇运行和全天运行.在初夏和夏末阶段，仅在9∶00～20∶00开启，晚上关停.6月下旬～8月中旬，机组全天开启，白天7∶00～22∶00热泵机组为整栋综合实验楼制冷，晚上22∶00～次日7∶00为1～6层的商用楼层制冷，整个夏季运行时间约1 107 h.

图4和图5分别给出了制冷期内热泵机组地源侧及用户侧流量及供/回水总管水温的变化曲线.可以看出，6月21日开始系统运行时间增加，地源侧流量增大，地源侧供/回水温度下降，温差减小；8月13日运行时间减少，地源侧流量减小，地源侧供回水温度不再升高，呈降低趋势.热泵机组地源侧供水总管水温变化范围为20.5～25.5℃，回水总管的平均水温在24.0～29.5℃之间，供回水平均温差3.58℃，平均流量83.1 m3/h.用户侧室内供水总管的水温变化范围为8.0～14.5℃，回水总管的水温变化范围为11.0～16.5℃，供回水平均温差2.11℃，平均流量93.01 m3/h.

图4 制冷期热泵机组地源侧流量与供回水温度变化曲线Fig.4 Variations of flow rate and supply and return water temperature of heat pump unit on the ground side during cooling period

图5 制冷期热泵机组用户侧流量与供回水温度变化曲线Fig.5 Variations of flow rate and supply and return water temperature of heat pump unit on the user side during cooling period

表3给出了地源热泵系统的夏季工况总能耗数据.由式（3）、式（4）可知，热泵机组能效系数为3.65，系统能效系数为2.33，系统运行实际平均制冷负荷为206.1 kW，而设计冷负荷为1 060 kW，系统负荷率仅为19.4%，处于低负荷运行状态，致使系统能效系数较低[6].理论上来说，系统应满足：排热量=供冷量+系统总耗电量的能量守恒原则[3]，由表3可以看出，两者相对偏差为2.8%，表明测试结果较为准确，能够满足能量守恒关系.

3.2.2 冬季工况

冬季供暖期机组共运行120 d，总运行时间约1 898 h，图6和图7分别给出了供暖期热泵机组地源侧、用户侧流量与供回水温度变化.由图可知，热泵机组地源侧供水总管水温变化范围为13.5～18.0℃，回水总管的平均水温变化范围为11.5～15.8℃，供回水平均温差2.14℃，平均流量78.5 m3/h.用户侧室内供水总管的水温变化范围为31.5～42.5℃，回水总管的水温变化范围为28.5～39.5℃，供回水平均温差2.44℃，平均流量93.49 m3/h，需要注意的是，2月9日用户侧流量达到了120.26 m3/h，较之前流量平均值（84.07 m3/h）增加了42.8%，随后基本保持稳定，供回水管温差降低至1.81℃，较之前温差平均值（2.69℃）减小了32.7%.2月9日—3月15日间热泵系统用户侧保持“大流量，小温差”状态.

表4给出了地源热泵系统冬季工况总能耗数据.由式（3）、式（4）式可知，热泵机组能效系数为3.51，系统能效系数为2.36，系统实际供热负荷为259.9 kW，设计冷负荷为819 kW，负荷率为31.7%，处于低负荷运行状态，因此系统能效系数较低.冬季工况中，依据能量守恒原则应满足：供热量=取热量+系统耗电量，计算表明，两者相对偏差为10.9%，这是由于冬季工况下，系统循环水温度较低，机组换热效率较低，同时2月9日后系统处于“大流量，小温差”的运行状态，致使水泵耗电量增加，系统能效偏低[4]，机组、管路等处能量损失较为严重.同时，数据的测量与计算也存在一定误差.

表3 地源热泵系统夏季工况总能耗数据Tab.3 Total energy consumption of ground source heat pump system in summer

地下热平衡是维持地源热泵系统长期稳定运行的条件之一[3].根据表3和表4数据可知，该系统制冷期排热量为336.3 MW·h，供暖期内取热量为344.4 MW·h，两者相对偏差约为2.4%，监测期内基本满足地下热平衡条件.

表4 地源热泵系统冬季工况总能耗数据Tab.4 Total energy consumption of ground source heat pump system in winter

图6 供暖期热泵机组地源侧流量与供回水温度变化曲线Fig.6 Variations of flow rate and supply and return water temperature of heat pump unit on the ground side during heating period

图7 供暖期热泵机组用户侧流量与供回水温度变化曲线Fig.7 Variations of flow rate and supply and return water temperature of heat pump unit on the user side during heating period

4 系统效益分析

4.1 经济效益

本节将对比分析地埋管地源热泵系统与传统供热制冷系统（集中供热+常规冷水机组空调）两者的经济性.经济性分析主要包括系统的初始投资及年运行费用.因不同系统的各个组成设备使用寿命均不一致，为使经济性评价具有可比性，选择对比50年建筑利用期内两系统的周期成本率.

4.1.1 初始投资

该地源热泵工程初投资总计389万元，主要包括3大部分，其中机房设备及安装部分82.73万元、室外地埋管换热系统施工部分117.4万元、室内空调末端系统188.87万元.各部分使用寿命长短不一，地埋管换热系统、热泵机组、室内空调末端寿命分别为50年、20年、15年，折算每年的设备总投资为19.1万元/a，单位面积初始投资为16.6元/（m2·a）.

如采用集中供热和传统空调供暖制冷，冬季供暖面积为12 601 m2，当地供热初装费40元/m2、地板采暖铺设费100元/m2，共176.4万元；夏季制冷面积为10 321 m2，采用传统空调，共需2.5P空调177台，当地单价4 000元/台，共70.8万元.因此，集中供热与传统空调初始投资费用为247.2万元.地板采暖的使用寿命为50年、传统空调的使用寿命约为10年，折算每年的设备总投资为10.61万元/a，单位面积初始投资为9.66元/（m2·a）.

4.1.2 地埋管地源热泵系统运行费用

热泵工程年运行费用主要包括热泵机组与循环泵、风机盘管等辅助设备的耗电费用.当地城区一般工商业电价标准为0.861元/kW·h，地埋管地源热泵系统年运行费用见表5.

4.1.3 传统供热制冷方式运行费用

根据地埋管热泵系统服务面积，估算集中供热和传统空调供暖制冷费用.夏季制冷面积为10 321 m2，冷负荷为1 060 kW，若采用传统空调，按一级能效取3.4，需输入功率311.8 kW.夏季工作时长1 107 h，时间折算系数取0.65，共计耗电224.4 MW·h，电费为19.31万元；冬季供暖面积为12 601 m2，根据衡水市非居民供热价格27.9元/m2计算，冬季取暖费用为35.16万元.表6给出了传统供热制冷方式的运行费用计算情况.

4.1.4 经济效益对比

表7给出了两种供热制冷方式成本费用对比.由表可知，地埋管地源热泵系统总成本费用为集中供暖和空调系统的69.6%，其夏季运行成本仅为传统空调的44.0%，每年可节约电费10.82万元；冬季运行成本为集中供暖的51.2%，每年可节约采暖费用17.16万元.全年总运费用为传统空调和集中采暖的48.3%，每年可节约制冷采暖费用约27.98万元.由此可见地埋管地源热泵系统的经济性十分可观.

表5 地埋管地源热泵系统年运行费用Tab.5 Annual operating cost of ground source heat pump system

表6 集中供热与传统空调年运行费用Tab.6 Annual operation cost of central heating and traditional air conditioning

表7 不同供热制冷方式总成本费用对比表Tab.7 Comparison of total cost and cost of different heating and cooling modes

4.2 环境效益

系统夏季制冷期间，地源热泵系统相对传统制冷方式节约电能共计125.7 MW·h，折合标准煤57.2 t.冬季供热期间，系统供热量为493.3 MW·h，耗电量209.0 MW·h，电能与一次能源（标准煤）转换率取0.31[10]，折合标准煤为82.8 t；若采用传统供热方式，一次能源利用率取50%[11]，则共需标准煤114.7 t，即冬季供热期间节省标准煤31.9 t，较传统供热方式节省能源38.5%.全年共计节省标准煤89.1 t，折合向大气中减少排放二氧化碳220.1 t、二氧化硫1.78 t、悬浮物粉尘量0.89 t，其中标准煤的二氧化碳排放因子取2.47，二氧化硫排放因子取0.02，粉尘排放因子取0.01[10-11].

5 结论

1）对衡水市某办公楼地埋管地源热泵系统全年运行状况进行监测分析.结果表明，由于监测期内系统处于低负荷运行状态，能效系数相对较低.夏季制冷期间，热泵机组与系统的能效系数分别为3.65和2.33；冬季供暖期间，热泵机组与系统的能效系数分别为3.51和2.36.待热泵系统负荷率正常运行后，能效系数有望有所提高.

2）该地源热泵系统总成本费用为传统供热制冷方式的69.6%，年运行费用为48.3%，每年可节约制冷采暖费用约27.98万元.在一个全年运行周期中，系统节能量折合为标准煤89.1 t，相当于减少排放二氧化碳220.1 t、二氧化硫1.78 t、粉尘0.89 t.

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[责任编辑 田丰]

Energy efficiency test and economic analysis of a ground source heat pump system for an office building

SU Yongqiang
（No.3 Hydrological and Engineering Geology Team，Hebei Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources，Hebei Hengshui 053000）

Based on the monitoring data of a ground source heat pump system in Hengshui，the annual energy efficiency and economy of the system were evaluated.The results show that the coefficient of performance（COP）of the whole system in summer and winter was 2.33 and 2.36，respectively.The full cost and annual operating cost of the heat pump system were 69.6%and 48.3%lower than that of the traditional heating and cooling mode.About 84.4 t standard coal can be saved each year，which means the reduction of emissions of 220.1 t carbon dioxide，1.78 t sulfur dioxide，and 0.89 t dust.

ground source heat pump；monitoring；coefficient of performance；economic analysis；case analysis

TU83

A

1007-2373（2017）04-0069-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.04.012

2017-03-15

河北省地矿局项目（冀地地审[2014]37号）

苏永强（1979-），男，高级工程师，785143157@qq.com.

数字出版日期：2017-07-21数字出版网址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T20170721.1559.002.html