胡先芳，李玉云，馬 勇，胡貴華，趙亞洲

(武漢科技大學(xué)，湖北 武漢 430070)

0 引言

熱泵系統(tǒng)是利用低溫?zé)嵩催M(jìn)行供熱、制冷的新型能源利用方式，與使用煤、氣、油等常規(guī)能源供熱方式相比，具有清潔、高效、節(jié)能的特點(diǎn)。因地制宜的發(fā)展地源熱泵系統(tǒng)，有利于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高能源利用效率。但由于國內(nèi)發(fā)展較晚，地埋管地源熱泵技術(shù)在工程應(yīng)用上還有很多待解決的問題，而且地源熱泵系統(tǒng)受工程所在地地質(zhì)、氣象環(huán)境的影響較大，在設(shè)計(jì)和施工中不能單一而論，所以需要類似工程經(jīng)驗(yàn)的分析。另外，在實(shí)際應(yīng)用中采用地源熱泵系統(tǒng)的具體節(jié)能情況如何，需要結(jié)合工程實(shí)例去進(jìn)行分析［1］。

本文所討論的辦公樓是一座集辦公、實(shí)驗(yàn)、對外接待的辦公大樓?？偨ㄖ娣e27 242 m2，共計(jì)19層，地下一層為車庫及設(shè)備用房(2 413.54 m2);1～4層為實(shí)驗(yàn)室用房、單身公寓及餐廳(主樓+裙樓); 5～19層為辦公用房，其中9層為計(jì)算機(jī)用房。主樓1～4層、5～19層以及餐廳(21 000 m2)采用地源熱泵為空調(diào)采暖冷熱源，地源熱泵生產(chǎn)的熱水供應(yīng)單身公寓、實(shí)驗(yàn)室、餐廳及洗手間。熱泵為地埋管地源熱泵。文章主要是通過夏季短期測試以及全年長期監(jiān)測來分析討論地源熱泵系統(tǒng)在該樓中的實(shí)際應(yīng)用能效。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況

1.1 負(fù)荷

建筑物空調(diào)冷熱負(fù)荷［2］。夏季空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷綜合最大值:主樓夏季冷負(fù)荷為1 800 kW，冬季熱負(fù)荷為1 350 kW，衛(wèi)生熱水負(fù)荷為400 kW。全年空調(diào)系統(tǒng)動態(tài)累計(jì)冷負(fù)荷為630 000 kWh(6月1日～9月30日)，全年空調(diào)系統(tǒng)動態(tài)累計(jì)熱負(fù)荷總值: 240 000 kWh(12月15日～3月15日)?？照{(diào)累計(jì)熱負(fù)荷+衛(wèi)生熱水累計(jì)熱負(fù)荷約占冷負(fù)荷的63%。

1.2 系統(tǒng)

(1)地源熱泵系統(tǒng)。為解決土壤源的冷熱平衡，保證地下?lián)Q熱器常年穩(wěn)定運(yùn)行，項(xiàng)目的冷熱源為熱回收+輔助冷卻源復(fù)合系統(tǒng)［3］，1#～2#部分熱回收機(jī)組為空調(diào)采暖系統(tǒng)的冷熱源，3#為全熱回收機(jī)組，主要提供冬季及過渡季節(jié)的衛(wèi)生熱水。地源熱泵系統(tǒng)夏季提供7/12℃冷水，冬季提供45/40℃熱水，至空調(diào)末端使用;同時(shí)通過熱回收提供50/55℃衛(wèi)生熱水。系統(tǒng)冷卻塔與地源泵串聯(lián)，當(dāng)回水溫度高于35℃(設(shè)計(jì)工況點(diǎn))時(shí)，冷卻塔運(yùn)行。夏季，多余的冷凝熱負(fù)荷一部分通過冷卻塔散發(fā)到大氣，另一部分冷凝熱負(fù)荷提供單身公寓、餐廳衛(wèi)生熱水。地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)備見表1。從表中可知，冷熱源機(jī)組的COP值達(dá)到《公共建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［4］與《冷水機(jī)組能效限定值及能源效率等級》［5］的二級要求。

(2)地埋管熱工性能測試。根據(jù)項(xiàng)目巖土熱物性測試報(bào)告，項(xiàng)目原始地溫18.7℃。散熱運(yùn)行模式下單位井深換熱量為61.5～60.1 W/m，進(jìn)水溫度35.35℃，回水溫度31.8～32.4℃。取熱運(yùn)行模式下單位井深換熱量為35.1～35.9 W/m，進(jìn)水溫度9.2℃，回水溫度11.5～11.9℃。

(3)項(xiàng)目按冬季熱負(fù)荷1 300 kW進(jìn)行埋管，采用豎直雙U型地埋管，井深95 m，總鉆井?dāng)?shù)量289。

(4)系統(tǒng)能效。設(shè)計(jì)工況下熱泵系統(tǒng)的制冷能效比為3.21，制熱能效比部分熱回收系統(tǒng)為2.79，全熱回收系統(tǒng)為3.24。

表1 設(shè)備表

2 測試與全年實(shí)際運(yùn)行分析

2.1 測試

測試方法及測點(diǎn)布置依據(jù)《公共建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)》［6］第八章及《可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目測評導(dǎo)則》［7］第四章地源熱泵部分進(jìn)行。

2.1.1 測試儀器

測試儀器見表2。表中儀器經(jīng)過湖北省計(jì)量測試技術(shù)研究院標(biāo)校。

表2 測試儀器參數(shù)一覽表

2.1.2 測試方案與測試工況

根據(jù)測試期間，空調(diào)冷負(fù)荷的大小，分別測試兩種工況。

工況一:二機(jī)二泵。主機(jī)1#～2#、地源水泵1#～2#、冷凍水泵1#～2#、熱水泵1#運(yùn)行，對應(yīng)的閥門開度100%，各水泵均為工頻控制;

工況二:一機(jī)一泵。2#主機(jī)、1#冷凍水泵、1#～2#地源水泵運(yùn)行。1#主機(jī)冷凍水閥門關(guān)閉，水泵均為工頻控制。

2.1.3 測點(diǎn)布置

冷凍水與熱水的流量、溫度測點(diǎn)均布置在母管上。電量表分別布置在主機(jī)、水泵對應(yīng)的控制柜。測點(diǎn)布置見圖1。

2.2 測試記錄與數(shù)據(jù)分析

測試期間室外平均溫度 36.47℃，相對濕度84.4%RH;空調(diào)區(qū)域平均溫度24.22℃，相對濕度73.53%RH。流量、溫度、電量測試記錄見圖2、圖3、圖4。根據(jù)測試記錄分析計(jì)算的機(jī)組能效與系統(tǒng)能效分別見表3、表4。測試結(jié)果表明:

(1)兩臺機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行冷凍水平均流量為355.47 m3/h(圖2上)，高于機(jī)組額定流量之和的9.7%;單臺機(jī)組運(yùn)行冷凍水平均流量為216.7 m3/ h(圖2下)，高于機(jī)組額定流量33.8%。

(2)工況一(圖3上):冷卻水進(jìn)、出口平均溫度為31.2℃、34.1℃，溫差為2.9℃;冷凍水進(jìn)、出口平均溫度為12.1℃、14.8℃，溫差2.7℃。工況二(圖3下):冷卻水進(jìn)、出口平均溫度為30.3℃、32.4℃，溫差為2.1℃;冷凍水進(jìn)、出口平均溫度為12.7℃、15.7℃，溫差3.0℃。

(3)由表3可知，主機(jī)的平均性能系數(shù)［8］低于額定工況下的性能系數(shù)。由表4可知，二機(jī)二泵的系統(tǒng)能效COP為2.6，一機(jī)一泵的系統(tǒng)能效COP為2.4。

(4)測試期間主機(jī)耗電量約占系統(tǒng)耗電量61.8%，水泵耗電量約占38.2%。工況一冷凍水系統(tǒng)輸送系數(shù)為22.7，工況二冷凍水系統(tǒng)輸送系數(shù)29.4。系統(tǒng)輸送系數(shù)=系統(tǒng)輸送冷量(熱量)/水系統(tǒng)(泵)消耗功率。

(5)地源泵進(jìn)出口平均壓差為0.22 MPa，冷凍泵進(jìn)出口平均壓差為0.46 MPa。

圖1 測點(diǎn)布置圖

表3 地源熱泵系統(tǒng)機(jī)組能效

表4 系統(tǒng)平均能效系數(shù)

圖2 測試期間冷凍水流量變化曲線

圖3 測試期間冷凍(卻)水溫度變化曲線

圖4 測試期間機(jī)組及水泵功率變化曲線

2.3 長期監(jiān)測

(1)通過長期監(jiān)測記錄，全年耗電量如表5所示。單位面積耗電量低于2007年武漢市辦公建筑空調(diào)采暖能源審計(jì)值30.37 kWh/m2。

(2)采暖季節(jié):主機(jī)平均COP為3.61，系統(tǒng)COP為2.50;制冷季節(jié):主機(jī)平均COP為4.42，系統(tǒng)COP為2.74;過渡季節(jié):主機(jī)平均COP為4.52，系統(tǒng)COP為2.87。

(3)由于制冷季節(jié)地源熱泵機(jī)組出水溫度(冷卻水)小于35℃，冷卻塔從未運(yùn)行。根據(jù)對系統(tǒng)的長期監(jiān)測，采暖熱負(fù)荷約占制冷負(fù)荷的95.44%;采暖熱負(fù)荷+衛(wèi)生熱水(過渡季節(jié)熱泵制取)稍大于冷負(fù)荷，冷負(fù)荷約占熱負(fù)荷的85.84%。

(4)冬季未運(yùn)行全熱回收機(jī)組制取熱水，僅運(yùn)行部分熱回收機(jī)組。

表5 全年累計(jì)耗電量

2.4 項(xiàng)目投資回收期

項(xiàng)目采用地源熱泵系統(tǒng)的增量成本為291萬元，預(yù)測每年運(yùn)行費(fèi)用為41.45萬元，比燃?xì)忮仩t+電制冷系統(tǒng)節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用39.57萬元，估計(jì)7年可回收增量投資。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，靜態(tài)投資回收期為11.6年，高于預(yù)測時(shí)間［9］。

3 結(jié)論

(1)主機(jī)制冷性能系數(shù)低于額定值，系統(tǒng)能效略高于文獻(xiàn)［7］的下限值2.4(常規(guī)機(jī)組系統(tǒng)能效)，主要原因是地源水的溫度高于機(jī)組額定值，其次是水泵耗電量所占比例較大，降低了系統(tǒng)能效比;原因之三是冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)溫差均小于3.5℃，系統(tǒng)“大流量、小溫差”運(yùn)行;

(2)室內(nèi)溫度偏低，相對濕度偏高。相對濕度偏高的原因是供水溫度偏高;

(3)由于實(shí)際運(yùn)行的能效、負(fù)荷均低于理論計(jì)算值，實(shí)際投資回收期高于預(yù)測回收期;

(4)夏熱冬冷地區(qū)，常規(guī)空調(diào)采暖系統(tǒng)，制冷負(fù)荷大于采暖負(fù)荷，但采用熱泵作為制冷、采暖、衛(wèi)生熱水的冷熱源時(shí)，熱負(fù)荷有可能大于冷負(fù)荷。因此，要注意兩點(diǎn)，一是全年負(fù)荷模擬參數(shù)的取值要盡可能逼近實(shí)際情況，避免輔助冷卻系統(tǒng)閑置;二是動態(tài)觀測全年累計(jì)冷熱負(fù)荷，根據(jù)實(shí)際情況投入輔助冷卻系統(tǒng)［10］。

［1］姚遠(yuǎn).基于實(shí)測的地埋管地源熱泵空調(diào)技術(shù)的節(jié)能與應(yīng)用分析［D］.武漢:武漢科技大學(xué)，2010.

［2］張銀安，李斌，章蘭，等.湖北檢驗(yàn)檢疫局辦公樓地?zé)釕?yīng)用［J］.建設(shè)科技，2009(24).

［3］姚靈峰，蔡龍俊.地源熱泵熱平衡問題的研究及工程應(yīng)用［J］.節(jié)能技術(shù)，2009，27(2):140－144.

［4］公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):GB50189－2005［S］.2005.

［5］冷水機(jī)組能效限定值及能源效率等級:GB19577－2004［S］.2004.

［6］公共建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn):JGJ/T177－2009［S］.2009.

［7］可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目測評導(dǎo)則［S］.2008.

［8］徐偉，孫峙峰，等.檢測程序·測評標(biāo)準(zhǔn)·測試方法［J］.建設(shè)科技，2009.

［9］謝厚禮，林學(xué)山，等.若干地表水水源熱泵示范工程投資回收期分析［J］.節(jié)能技術(shù)，2011，29(5):429－431.

［10］張華，吳宏宇，等.太陽能與地源熱泵供應(yīng)生活熱水方案比較［J］.節(jié)能技術(shù)，2011，29(3):167－171.