某地埋管地源熱泵系統(tǒng)夏季運(yùn)行性能分析

趙 冰，湛文賢，趙 靈，王華軍

（1.唐山市建筑節(jié)能辦公室，河北 唐山 063000；2.河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

0 引言

近年來(lái)，地源熱泵系統(tǒng)作為一種建筑節(jié)能新技術(shù)，在我國(guó)北方地區(qū)應(yīng)用較為廣泛，尤其是單體工程規(guī)模日趨增大，這已成為我國(guó)地源熱泵應(yīng)用區(qū)別于國(guó)外的主要特征之一[1-2].但與此同時(shí)，一些實(shí)際工程問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)，主要表現(xiàn)在資源勘查、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工管理、運(yùn)行監(jiān)控等方面，嚴(yán)重者甚至出現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行失敗的情況[3].這種局面與我國(guó)地源熱泵系統(tǒng)的推廣發(fā)展速度十分不協(xié)調(diào)，行業(yè)內(nèi)也開始高度關(guān)注地源熱泵系統(tǒng)的實(shí)際節(jié)能效果[4].例如，白雪蓮[5]等實(shí)測(cè)結(jié)果表明，很多地表水源熱泵系統(tǒng)存在能效比低的問(wèn)題，系統(tǒng)能效比平均值為2.5左右，最低值僅為1.7.筆者在津冀地區(qū)的調(diào)研結(jié)果也表明，相當(dāng)數(shù)量的地源熱泵系統(tǒng)盡管在維持運(yùn)行，但其能效并不比常規(guī)的空調(diào)/供熱方式優(yōu)越，系統(tǒng)COP在2.0～2.8范圍變化[6].2010年，國(guó)土資源部在天津地區(qū)開展的淺層地?zé)崮苷{(diào)查工作報(bào)告也反映出類似的問(wèn)題.本文針對(duì)唐山市某大規(guī)模地埋管地源熱泵系統(tǒng)的夏季能效狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并從不同角度分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)的節(jié)能效果，總結(jié)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，為類似系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和節(jié)能運(yùn)行提供一定的警示和借鑒作用.

1 系統(tǒng)概況

本文地源熱泵系統(tǒng)位于唐山市某學(xué)校，建筑面積約9.56萬(wàn)m2.根據(jù)建筑群的使用功能，可分為教學(xué)區(qū)（教學(xué)樓1.46萬(wàn)m2、科學(xué)樓1萬(wàn)m2）、辦公區(qū)（行政樓1.4萬(wàn)m2）、公共活動(dòng)區(qū)（禮堂、報(bào)告廳、體育館、食堂等2.7萬(wàn)m2）以及宿舍區(qū)（學(xué)生及教師公寓3萬(wàn)m2）等部分，其中辦公區(qū)、教學(xué)區(qū)和宿舍區(qū)采用風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，公共活動(dòng)區(qū)采用全空氣系統(tǒng).由設(shè)計(jì)院提供數(shù)據(jù)可知，建筑總冷、熱負(fù)荷分別為6070 kW和4250 kW，冷熱負(fù)荷指標(biāo)分別為63W/m2和44W/m2.

前期勘查測(cè)試結(jié)果表明，整個(gè)校區(qū)淺層巖土以粉質(zhì)粘土、粉土為主，局部有中粗砂層，平均熱導(dǎo)率為1.65W/(m K)，土壤原始溫度為14.5℃.地埋管換熱器采用DN32型雙U形高密度聚乙烯管（PE100），同程連接方式.鉆孔數(shù)量為1 400口，深度為75m，鉆孔間距為4.5m，回填材料為細(xì)砂.地埋管換熱器分為6個(gè)管群，其中1#～4#和5#～6#管群的干管直徑分別為DN250和DN200.

集中機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置了3臺(tái)雙壓縮機(jī)螺桿式熱泵機(jī)組，單機(jī)制冷制/熱量分別為1 386 kW和1 443 kW，輸入功率分別為260.5 kW和309.9 kW.地源側(cè)配置4臺(tái)循環(huán)水泵（三用一備），額定流量和揚(yáng)程分別為220m3/h和28m，額定輸入功率為30 kW.空調(diào)側(cè)配置4臺(tái)循環(huán)水泵（三用一備），額定流量和揚(yáng)程分別為248m3/h和34m，額定輸入功率為45 kW.空調(diào)側(cè)水路干管直徑分別為DN200（辦公區(qū)+禮堂+體育館）、DN250（教學(xué)區(qū)）和DN300（宿舍區(qū)和食堂）.整個(gè)系統(tǒng)于2010年秋季建設(shè)完畢，冬季開始試運(yùn)行.此外，在唐山市建筑節(jié)能辦公室支持下，該系統(tǒng)于2011年4月安裝了一套基于GPRS技術(shù)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[7].表1給出了主要監(jiān)測(cè)儀表的性能參數(shù)，其中每套超聲波熱量表包括1個(gè)流量計(jì)、2個(gè)Pt1000熱電阻以及1個(gè)通訊主機(jī).所有儀表的運(yùn)行數(shù)據(jù)均以總線方式匯至現(xiàn)場(chǎng)集中器，然后通過(guò)GPRS遠(yuǎn)傳至固定IP通訊服務(wù)器中，以進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析.數(shù)據(jù)打包發(fā)送時(shí)間間隔為5 m in，用戶也可自行設(shè)定.時(shí)間間隔越小，數(shù)據(jù)傳輸量越大，所需的包月流量費(fèi)用也相應(yīng)增加.

表1 監(jiān)測(cè)儀表參數(shù)和精度一覽表Tab.1 Listofmonitoring parametersand accuracy

2 數(shù)據(jù)處理

空調(diào)側(cè)的累計(jì)供冷量計(jì)算如下

地埋管的累計(jì)排熱量計(jì)算如下

熱泵機(jī)組的累計(jì)總耗電量計(jì)算如下

空調(diào)側(cè)和地源側(cè)循環(huán)水泵的累計(jì)總耗電量計(jì)算如下

地源熱泵系統(tǒng)以及機(jī)組本身的平均性能系數(shù)分別計(jì)算如下

3 結(jié)果與討論

3.1 系統(tǒng)整體能效狀況

本文地源熱泵系統(tǒng)2011年夏季運(yùn)行從6月1日開始，9月20日結(jié)束，其中第13周（8月24～30日）和第15周（9月7日～13日）由于故障維修處于停機(jī)狀態(tài).因此，實(shí)際空調(diào)時(shí)間為14周（98天）.

表2給出了該系統(tǒng)的夏季累計(jì)能耗情況.由式 (3)計(jì)算可知，系統(tǒng)和機(jī)組COP分別為2.11和4.03.從能量平衡角度，系統(tǒng)應(yīng)滿足以下理論關(guān)系：累計(jì)排熱量=累計(jì)供冷量+累計(jì)耗電量.但實(shí)際計(jì)算表明，二者相對(duì)偏差約為13%，這主要源自管路熱量損失和測(cè)量誤差，尤其是后者占主要因素.實(shí)際上，由于設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理等方面原因，該系統(tǒng)空調(diào)側(cè)的供回水溫差常小于1℃，造成熱量表計(jì)量出現(xiàn)一定的誤差，導(dǎo)致結(jié)果偏小一些.相比之下，累計(jì)排熱量和累計(jì)耗電量結(jié)果較為準(zhǔn)確.在此以實(shí)際監(jiān)測(cè)的末端側(cè)進(jìn)出口溫度和流量為計(jì)算依據(jù)，來(lái)避免熱量表計(jì)量造成的誤差，得出系統(tǒng)和機(jī)組COP分別為2.6和4.93.

從經(jīng)濟(jì)角度，夏季累計(jì)運(yùn)行耗電量為55.4萬(wàn)元（電價(jià)為0.7元/kW·h），其中機(jī)組和水泵的耗電量分別為29.1萬(wàn)元和26.3萬(wàn)元.考慮同時(shí)使用的空調(diào)建筑面積折合約3.2萬(wàn)m2，這相當(dāng)于單位面積的供冷量和運(yùn)行費(fèi)分別為61.2 kW·h和17.3元.根據(jù)《中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告（2008）》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，北京地區(qū)公共建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗多在10～50 kW·h/m2之間.相比之下，本文的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)基本可以劃歸為高能耗范圍.

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)室內(nèi)的實(shí)際供冷效果，筆者還進(jìn)行了學(xué)生隨機(jī)問(wèn)卷調(diào)查，其中樣本數(shù)量為253份，有效回收率為100%.統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，只有約68%的學(xué)生對(duì)供冷效果表示“滿意”或“比較滿意”，其余均表示“不滿意”.這表明如果達(dá)到95%以上的滿意度，上述空調(diào)能耗會(huì)變得更大.由此可見，以學(xué)校為代表的公共建筑的節(jié)能潛力非常大.

表2 夏季工況的累計(jì)能耗數(shù)據(jù)Tab.2 Accumulated energy consum ption during the summer operation

3.2 空調(diào)側(cè)與地源側(cè)水溫變化規(guī)律

圖1和圖2分別給出了整個(gè)夏季運(yùn)行期間空調(diào)側(cè)和地源側(cè)的水溫變化曲線.可以看出，空調(diào)側(cè)水溫初期呈逐漸下降趨勢(shì)，而地源側(cè)水溫整體上呈逐漸升高趨勢(shì).其中，7月10日以后，由于學(xué)校大部分放假，僅有少數(shù)班級(jí)上課，因此空調(diào)負(fù)荷大幅減小，地源側(cè)水溫升高速度也相應(yīng)有所減慢.8月10日之后，學(xué)校夏季假期結(jié)束，隨著空調(diào)負(fù)荷增加，地源側(cè)水溫升高速度開始增加.

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，整個(gè)夏季空調(diào)側(cè)供回水平均溫差約為1.2℃，平均流量為492.7m3/h；地源側(cè)供回水溫差約為1.8℃，平均流量為567.8 m3/h.這相當(dāng)于系統(tǒng)的平均供冷量?jī)H為709.3 kW，處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，這是造成上述整體能效偏低的原因之一.

圖3以8月20日為例，給出了地源側(cè)和空調(diào)側(cè)換熱量的全天變化曲線.可以看出，在0∶00-7∶00時(shí)間段，屬于夜間工況范圍，只有學(xué)生宿舍和教師公寓使用空調(diào)，平均供冷量為805.3 kW.早晨7∶00之后，空調(diào)負(fù)荷開始逐漸增加，至10∶00左右時(shí)出現(xiàn)第1次峰值（供冷量為1382.4 kW），之后空調(diào)負(fù)荷開始回落，供冷量基本穩(wěn)定在1154.2 kW.中午12∶00以后，由于食堂等空調(diào)開啟，大約在13∶00時(shí)迎來(lái)第2次空調(diào)高峰（供冷量為1455.2 kW）.之后，空調(diào)供冷量基本保持在1 323.5 kW.下午17∶30以后，供冷量又開始逐漸增加，至19∶00左右出現(xiàn)第3次峰值（1 516.7 kW）.然后，供冷量開始逐漸回落，23∶00之后進(jìn)入夜間運(yùn)行狀態(tài).地下排熱量的變化趨勢(shì)與空調(diào)供冷量基本相同.根據(jù)該典型天中的最大運(yùn)行負(fù)荷，可計(jì)算得出單位面積的冷負(fù)荷為47.4W/m2，低于設(shè)計(jì)負(fù)荷指標(biāo).由此可見，該地源熱泵系統(tǒng)的夏季設(shè)計(jì)負(fù)荷相對(duì)較為保守.

圖2 地源側(cè)供回水溫度變化曲線Fig.2 Fluid temperatureof theground side

圖3 空調(diào)供冷量和地下排熱量的全天變化曲線（8月20日）Fig.3 Daily variation of the cooling capacity and heat injection into theground(August20)

3.2 影響因素分析

圖4 進(jìn)一步給出了該系統(tǒng)平均性能系數(shù)的變化曲線.可以看出，在夏季運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)組COP總體上呈下降趨勢(shì)，最大值和最小值分別為5.5和3.1.相比之下，系統(tǒng)COP變化不大，最大值和最小值分別為2.5和1.6.上述變化趨勢(shì)與地源側(cè)和空調(diào)側(cè)的水溫變化密切相關(guān).如圖2和圖5所示，隨著地下累計(jì)排熱量的增大，地溫場(chǎng)總體上呈升高趨勢(shì)，這使得地埋管換熱器的進(jìn)出水溫度也有所升高，從而導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行能效比下降.特別是在夏季運(yùn)行初期（如6月1日～10日），系統(tǒng)COP很低（小于2.0），這主要與系統(tǒng)運(yùn)行模式有關(guān).實(shí)際上，此時(shí)建筑空調(diào)負(fù)荷較小，且地溫也較低（5月末采用空轉(zhuǎn)試驗(yàn)測(cè)得的平均地溫約為12.5℃），可以采取不啟動(dòng)機(jī)組而直接通過(guò)地埋管換熱器進(jìn)行建筑供冷，以節(jié)省部分運(yùn)行費(fèi)用.例如，鄭茂余[8]等開展了土壤冷源直接供冷實(shí)驗(yàn)，初步證實(shí)了此運(yùn)行方式的節(jié)能潛力.本文統(tǒng)計(jì)表明，上述10天內(nèi)的機(jī)組累計(jì)耗電量為18.8MW·h，折合運(yùn)行費(fèi)1.32萬(wàn)元，約占機(jī)組夏季總耗電量的5%.但是，該系統(tǒng)的運(yùn)行人員以管路切換復(fù)雜為由，采取直接啟動(dòng)熱泵機(jī)組進(jìn)行空調(diào).

圖4 系統(tǒng)平均能效變化曲線Fig.4 Variation of average COP

圖5 地源側(cè)和空調(diào)側(cè)水溫變化曲線Fig.5 Fluid temperatureof theuserand ground side

圖5 還反映出該系統(tǒng)經(jīng)常處于“大流量、小溫差”運(yùn)行狀態(tài).前述統(tǒng)計(jì)表明，地源側(cè)和空調(diào)側(cè)的平均換熱溫差分別為1.8℃和1.2℃，導(dǎo)致此狀況的主要原因在于不合理的機(jī)組和水泵運(yùn)行模式.在本例中，運(yùn)行人員不能按照實(shí)際空調(diào)負(fù)荷狀況去合理調(diào)節(jié)機(jī)組和水泵運(yùn)行，經(jīng)常出現(xiàn)“1臺(tái)機(jī)組+2臺(tái)空調(diào)泵+3臺(tái)地源泵”或“2臺(tái)機(jī)組+3臺(tái)空調(diào)泵+3臺(tái)地源泵”的運(yùn)行情況.尤其是調(diào)查發(fā)現(xiàn)，管理人員為了簡(jiǎn)化操作，在空調(diào)負(fù)荷較低（僅學(xué)生和教工公寓使用）的夜間仍開啟兩臺(tái)機(jī)組，造成機(jī)組頻繁啟停.此外，系統(tǒng)末端存在部分堵塞現(xiàn)象，導(dǎo)致循環(huán)不暢，這也在一定程度上促使操作人員增加水泵的開啟數(shù)量.由此可見，嚴(yán)格施工也是保證地源熱泵系統(tǒng)實(shí)際節(jié)能效果的重要因素之一.

圖6給出了系統(tǒng)實(shí)際供冷量的變化曲線.可以看出，供冷量與圖4中系統(tǒng)COP的變化規(guī)律基本相同，即當(dāng)供冷量增加時(shí)，系統(tǒng)COP呈較高狀態(tài)，反之亦反.但實(shí)際上，該系統(tǒng)總傾向于50%～60%甚至更低的低負(fù)荷比狀態(tài)運(yùn)行，造成能效整體上偏低.因此，在地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際供冷參數(shù)進(jìn)行運(yùn)行調(diào)節(jié)，盡量保持機(jī)組在高負(fù)荷比狀態(tài)下工作.

圖7進(jìn)一步給出了夏季運(yùn)行過(guò)程中水泵耗電量比例的變化情況.可以看出，在該系統(tǒng)中，水泵耗電量占相當(dāng)大比例，變化范圍為35.5%～67.7%，平均值為49.2%.通常而言，在地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，水泵耗電量比例不宜超過(guò)30%.因此，合理控制水泵運(yùn)行是地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能的重要技術(shù)手段.必要時(shí)，還可以考慮采取水泵變頻控制方式以達(dá)到節(jié)省運(yùn)行能耗的目的.

由于上述水泵和地下管群調(diào)節(jié)的缺失，還使得地埋管的換熱效率變差（圖5中最高進(jìn)口溫度約21℃），這迫使運(yùn)行人員通過(guò)增大流速來(lái)滿足地下的換熱要求.如此形成惡性循環(huán)，加劇導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行能耗不斷增大的局面.

圖6 系統(tǒng)平均供冷量的變化曲線Fig.6 Variation of theaverage cooling capacity

圖7 循環(huán)水泵的耗電量比例變化曲線Fig.7 Electricity consumption of circulating pumps

此外，末端設(shè)置不合理也是導(dǎo)致本文系統(tǒng)能效比較低的原因之一，尤其是在教室中此現(xiàn)象比較明顯.如圖8所示，教室內(nèi)空調(diào)末端采取臥式明裝風(fēng)機(jī)盤管，送風(fēng)方式為側(cè)送下回.但是，由于送風(fēng)射流距離有限，遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)盤管的地方熱舒適度較差，學(xué)生們往往采取開窗的方式進(jìn)行散熱（圖9）.調(diào)查問(wèn)卷結(jié)果表明，在空調(diào)期間，31%的學(xué)生愿意開窗，48%的學(xué)生愿意時(shí)開時(shí)關(guān)窗戶其余21%的學(xué)生愿意關(guān)閉窗戶.調(diào)研還發(fā)現(xiàn)，由于室內(nèi)冷凍水管沒有可靠的保溫措施，當(dāng)供冷溫度較低時(shí)，管道表面凝水下滴情況比較嚴(yán)重.管理人員則經(jīng)常采取提高冷凍水溫度的方法來(lái)減少滴漏問(wèn)題，這使得教室熱舒適性更加惡化，同時(shí)更加劇了開窗現(xiàn)象.

對(duì)于地埋管地源熱泵系統(tǒng)而言，維持全年地下熱平衡是保證系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性的重要條件之一.根據(jù)唐山市熱力公司的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，市區(qū)住宅建筑每平方米冬季耗熱量平均為90 kW·h.若以此為計(jì)算依據(jù) (忽略室內(nèi)采暖末端形式、水溫等因素差異)，預(yù)計(jì)本文地源熱泵系統(tǒng)冬季耗熱量為7 200MW·h，其中預(yù)計(jì)采暖面積為8萬(wàn)m2.若系統(tǒng)冬季平均COP按2.5計(jì)算，需要從地下提取4 320MW·h熱量，而目前夏季儲(chǔ)熱量只有2842.3MW·h.如果考慮過(guò)渡季熱量損失，上述儲(chǔ)熱量會(huì)更小一些.因此，該地源熱泵系統(tǒng)很可能存在冬季取熱不足的情況.詳細(xì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)仍在進(jìn)行之中，相關(guān)結(jié)果將會(huì)另文報(bào)導(dǎo).截至目前，上述的相關(guān)監(jiān)測(cè)分析結(jié)果已經(jīng)匯總至唐山市建筑節(jié)能辦公室，并反饋?lái)?xiàng)目單位.項(xiàng)目單位正在積極采取一些改善措施，以最大程度保證系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行.

圖9 空調(diào)期間的窗戶關(guān)閉情況Fig.9 On/off statusofw indowsduring the AC period

4 結(jié)論與建議

1）對(duì)唐山市某地埋管地源熱泵系統(tǒng)的夏季運(yùn)行能效進(jìn)行了監(jiān)測(cè).結(jié)果分析表明，該系統(tǒng)夏季能效狀況欠佳，系統(tǒng)COP約為2.6，累計(jì)運(yùn)行耗電量為55.4萬(wàn)元，折合單位面積運(yùn)行費(fèi)為17.3元，其中水泵耗電量比例平均為49.2%.問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果表明，32%學(xué)生對(duì)空調(diào)效果表示不滿意，且在空調(diào)期間79%的學(xué)生存在開窗行為.

2）本文系統(tǒng)運(yùn)行是低效的，其經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)表明：除了設(shè)計(jì)和施工因素之外，地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能性在很大程度上還取決于管理和運(yùn)行模式.管理人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際參數(shù)變化合理調(diào)節(jié)運(yùn)行模式，盡量保證系統(tǒng)在高負(fù)荷比狀態(tài)下運(yùn)行，避免不必要的水泵和機(jī)組電耗量.從此角度而言，建立并完善地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)管理規(guī)范很有必要，對(duì)于促進(jìn)運(yùn)行節(jié)能具有實(shí)際的指導(dǎo)意義.

3）本文能效監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)表明，在夏季空調(diào)初期，可以考慮采用地埋管直接供冷方式，以節(jié)省部分運(yùn)行耗電量.對(duì)于大規(guī)模地埋管地源熱泵系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)合理設(shè)置地溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)，及時(shí)調(diào)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況，這對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行性能診斷，保證長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要的實(shí)際意義.

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