地源熱泵系統(tǒng)的能效評估計算模型探討

楊海生，魏 韌，吳瑞濤

（1.河北省電力研究院，石家莊 050021；2.石家莊供電公司，石家莊 050091）

地源熱泵系統(tǒng)的運行成本分析是地源熱泵系統(tǒng)可行性研究的重要內容，而地源熱泵系統(tǒng)的能效值直接影響熱泵系統(tǒng)的運行成本。地源熱泵系統(tǒng)的能效評估結果直接影響地源熱泵系統(tǒng)的運行經濟效益評估及系統(tǒng)可行性研究結果。

目前地源熱泵系統(tǒng)的能效評估工作基本只限于系統(tǒng)投運后評估，對可行性研究階段的能效評估或測算，尚未得到足夠的關注。解決地源熱泵系統(tǒng)季節(jié)性能效評估的計算問題，有助于項目業(yè)主在不同階段準確判定熱泵系統(tǒng)運行經濟效益，進而推動地源熱泵系統(tǒng)的推廣應用。

1 現有熱泵系統(tǒng)能效評價體系及分析

國內與熱泵系統(tǒng)能效評估相關的文獻主要包括以下的標準及規(guī)程：GB/T 19409—2003《水源熱泵機組》、GB/T 10870—2001《容積式和離心式冷水（熱泵）機組性能試驗方法》、JGJ/T 177—2009《公共建筑節(jié)能檢測標準》、GB 50189—2005《公共建筑節(jié)能設計標準》、JGJ/T 132—2009《居住建筑節(jié)能檢測標準》、JGJ 134—2010《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》。

1.1 各標準規(guī)程中與熱泵系統(tǒng)能效相關的內容

JGJ/T 132—2009《居住建筑節(jié)能檢測標準》中，提出了耗電輸熱比的具體檢測方法，但此項指標的檢測僅針對采暖系統(tǒng)。耗電量的計算中，也僅考慮了采暖系統(tǒng)中循環(huán)水泵的耗電量。

JGJ 134—2010《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》中，僅規(guī)定了采用電動機驅動壓縮機的蒸汽壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機組的能效比（性能系數）應符合現場國家標準GB 50189—2005《公共建筑節(jié)能設計標準》的規(guī)定值。

GB/T 19409—2003《水源熱泵機組》中，對不同型式的冷熱水型熱泵機組的能效比及性能系數值作了規(guī)定，并規(guī)定了熱泵機組的試驗名義工況參數值要求及各種熱泵機組試驗的具體要求。

GB/T 10870—2001《容積式和離心式冷水（熱泵）機組性能試驗方法》中，對電動機驅動的容積式和離心式冷水（熱泵）機組性能試驗的試驗方法、試驗偏差、機組總輸入電功率及制冷性能系數的評定等內容作了規(guī)定。

GB 50189—2005《公共建筑節(jié)能設計標準》中，對電動機驅動壓縮機的蒸汽壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機組在額定制冷工況和規(guī)定條件下應達到的性能系數作了具體規(guī)定。針對機組在不同負荷下的綜合性能提出了機組綜合部分負荷性能系數的具體要求。

JGJ/T 177—2009《公共建筑節(jié)能檢測標準》中，對冷水（熱泵）機組及其水系統(tǒng)的性能檢測作了具體規(guī)定。性能檢測僅針對接近額定值的運行工況，且各項溫度參數接近熱泵機組性能的額定工況。

1.2 對現有標準中能效相關規(guī)定的評價

從JGJ/T 132—2009《居住建筑節(jié)能檢測標準》及JGJ 134—2010《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》的能效相關內容看，與熱泵系統(tǒng)能效評估關系并不大，參考價值也較低。

從GB/T 19409—2003《水源熱泵機組》及GB/T 10870—2001《容積式和離心式冷水（熱泵）機組性能試驗方法》的能效相關內容看，2個標準主要規(guī)定了針對冷熱水型熱泵機組的能效比及性能系數值的測試方法及測試參數的要求，但測試主要針對熱泵機組的額定工況。

從GB 50189—2005《公共建筑節(jié)能設計標準》的能效相關內容看，雖提出了機組綜合部分負荷性能系數的具體要求，但僅針對熱泵機組的性能。從JGJ/T 177—2009《公共建筑節(jié)能檢測標準》的能效相關內容看，雖然提出了水系統(tǒng)的性能檢測規(guī)定，但性能檢測僅針對接近額定值的運行工況。

事實上，與項目業(yè)主的供暖與供冷運行成本直接相關的是熱泵整體系統(tǒng)在不同季節(jié)不同冷（熱）負荷下的綜合性能系數。熱泵整體系統(tǒng)中，除熱泵機組本身之外，還包括相關的冷卻水泵等輔助設備。上述的標準或規(guī)范中主要存在以下的問題：

（1）所有標準中，對熱泵整體系統(tǒng)整個供冷季節(jié)及供暖季節(jié)的能效評估問題未提出要求。

（2）熱泵系統(tǒng)的運行效益評估中，僅采用100%負荷工況下的能效數據是不全面的，必須綜合考慮系統(tǒng)在不同運行負荷下的綜合能效。

2 基于不同負荷下能效系數的地源熱泵系統(tǒng)的季節(jié)能效系數計算模型

2.1 不同負荷下的設計或實測能效值

對不同負荷下的熱泵機組及系統(tǒng)，可獲得以下設計或實測技術數據：不同負荷下熱泵機組的供熱量（或供冷量）Q0x，kW；不同負荷下熱泵機組的功率輸入Nix，kW；不同負荷下熱泵系統(tǒng)輔助設備（例如：室外循環(huán)泵）的功率輸入Naix，kW。

則各個負荷下的熱泵機組的性能系數

式中：x表示100%、75%、50%、25%不同的負荷工況。各個負荷下的熱泵系統(tǒng)整體的能效比

2.2 系統(tǒng)在供冷季節(jié)的綜合能效計算模型

對于熱泵機組，根據文獻[4]，在供冷季節(jié)的綜合部分負荷性能系數

式中：IPLVjz表示熱泵機組的季節(jié)綜合部分負荷性能系數；COPjz表示熱泵機組在供冷狀態(tài)下的性能系數，其數字下標表示熱泵機組的不同運行負荷。

在此基礎上將不同冷負荷的分布系數應用于熱泵整體系統(tǒng)，供冷季節(jié)的綜合部分負荷能效系數

式中：IPLVxt表示熱泵系統(tǒng)整體的綜合部分負荷能效系數；COPxt表示熱泵系統(tǒng)整體在供冷狀態(tài)下的性能系數，其數字下標表示熱泵機組的不同運行負荷。

2.3 系統(tǒng)在供暖季節(jié)的綜合能效計算模型

熱泵機組在供暖季節(jié)的綜合部分負荷性能系數，國內外目前尚無確定的資料。根據石家莊的相關氣象統(tǒng)計資料，根據采暖季節(jié)室外的平均溫度可以計算出不同采暖負荷的分布天數，然后可以計算獲得不同負荷下的分布系數，最終可給出熱泵機組的季節(jié)綜合部分負荷性能系數

式中：COPjz表示熱泵機組在供暖狀態(tài)下的性能系數，其數字下標表示熱泵機組的不同運行負荷。

熱泵整體系統(tǒng)在供暖季節(jié)的綜合部分負荷能效系數

式中：COPxt表示熱泵機組在供暖狀態(tài)下的性能系數，其數字下標表示熱泵機組的不同運行負荷。

需要指出的是，公式（5）、公式（6）中的系數并不具備普適性。如果熱泵應用地區(qū)與石家莊地區(qū)緯度存在顯著的不同，則這些系數不一定適用，但其它地區(qū)的系數也可采用與本文類似原則確定。

3 地源熱泵系統(tǒng)的綜合能效評估應用示例

某辦公建筑總建筑面積為35 000 m2，其采暖及空調采用地源熱泵技術方案，設計單位提供的數據如下：建筑空調冷負荷3 000 kW，建筑熱負荷2 503 kW。其采暖及空調選用2臺地源熱泵主機，單臺熱泵的主要參數制冷量1 586 kW，消耗功率252 kW，制熱量為1 895 kW，耗電功率378 kW。選用3臺地耦合換熱器循環(huán)水泵，正常運行2運1備，單臺水泵耗功為45 kW。夏季機組主要以地埋管系統(tǒng)內循環(huán)的水作為冷卻水進行制冷運轉，冬季使用機組以地耦合換熱系統(tǒng)內循環(huán)水為熱源作為系統(tǒng)的采暖運行熱源。

根據廠家提供的資料，熱泵機組在各負荷情況下的能效比數據如表1所示。

表1 單臺熱泵機組在不同負荷下性能系數

根據上述設計參數，可以對系統(tǒng)在供冷及供暖季節(jié)的綜合部分負荷能效系數進行計算。

3.1 供冷季節(jié)的綜合能效及運行成本計算

首先計算熱泵系統(tǒng)在不同供冷負荷下的能效系數，計算結果如表2所示。

根據式（4），可計算得到熱泵整體系統(tǒng)在供冷季節(jié)的綜合部分負荷能效系數。即

由此，可計算得到熱泵系統(tǒng)供冷季節(jié)的總耗用電量為403 642 kWh。考慮電價為0.95元/kWh，則總供冷成本為383 460元，折合單位面積供冷成本為10.95元/m2。

3.2 供暖季節(jié)的綜合能效及運行成本計算

首先計算熱泵系統(tǒng)在不同供暖負荷下的能效系數。計算結果如表2所示。

根據式（6），可計算得到熱泵整體系統(tǒng)在供暖季節(jié)的綜合部分負荷能效系數。即

以供暖季節(jié)4個月計算，每天供暖10 h，則總供暖小時數為1 200 h。供暖季節(jié)的總累計熱負荷

由此，可計算得到熱泵系統(tǒng)供暖季節(jié)的總耗用電量為392 025 kWh。考慮電價為0.95元/kWh，則總供暖成本為372 424元，折合單位面積供暖成本為10.64元/m2。

表2 熱泵系統(tǒng)在不同負荷下的整體能效比

4 結論及建議

本文對國內現有的熱泵系統(tǒng)能效評價的標準體系進行了分析和評價?，F有標準或體系主要側重于對冷負荷或熱負荷接近設計值的工況進行測試或計算，而對熱泵系統(tǒng)整個供冷季節(jié)及供暖季節(jié)的能效問題未提出具體的要求，但與項目單位的供暖與供冷運行成本直接相關的是熱泵整體系統(tǒng)在不同冷（熱）負荷下的綜合能效性能系數。

針對熱泵系統(tǒng)，本文提出了基于不同負荷下能效系數的地源熱泵系統(tǒng)的季節(jié)能效系數計算模型，并給出了應用的示例。利用提出的模型，可方便地對熱泵系統(tǒng)整個供冷或供暖季節(jié)的運行成本進行核算，便于在可行性研究階段或系統(tǒng)投運后準確測算系統(tǒng)的運行成本。

［1］ GB/T 19409—2003，水源熱泵機組[S].

［2］ GB/T 10870—2001，容積式和離心式冷水（熱泵）機組性能試驗方法[S].

［3］ JGJ/T 177—2009，公共建筑節(jié)能檢測標準[S].

［4］ GB 50189—2005，公共建筑節(jié)能設計標準[S].

［5］ JGJ/T 132—2009，居住建筑節(jié)能檢測標準[S].

［6］ JGJ 134—2010，夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準[S].