地源熱泵數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)在遷安市某住宅小區(qū)中的應(yīng)用

楊賓，顧吉浩，王琳，左德功，齊承英

（河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

地源熱泵數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)在遷安市某住宅小區(qū)中的應(yīng)用

楊賓，顧吉浩，王琳，左德功，齊承英

（河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

建立了一套地源熱泵數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，采集并分析了2012～2013年采暖季的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對該地源熱泵系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況有了更直觀的了解．統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，整個采暖季中，該熱泵系統(tǒng)和機(jī)組的平均能效比（COP）分別為3.7和4.3，采暖運(yùn)行費(fèi)用為9.1元/m2，小于市政管網(wǎng)的供熱費(fèi)用17元/m2，經(jīng)濟(jì)效益明顯，為該地區(qū)地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供了一定的參考．

地源熱泵；數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)；運(yùn)行能效；性能參數(shù)；應(yīng)用

0 引言

近年來，隨著地源熱泵系統(tǒng)在國內(nèi)的廣泛應(yīng)用，一些問題也逐漸暴露出來，主要體現(xiàn)在地質(zhì)勘查、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工管理及運(yùn)行監(jiān)控等方面，甚至出現(xiàn)了一些運(yùn)行失敗的情況[1]．《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB50366-2009）中對熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工程施工等做了進(jìn)一步的完善，但對運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)控尚無說明．國內(nèi)一些相關(guān)專業(yè)人員因此提出了建立能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)路線和研究方法[2-3]，但實(shí)際應(yīng)用或公開的數(shù)據(jù)并不多見．文獻(xiàn)[4]對大型公建的分項(xiàng)能耗進(jìn)行了長期的監(jiān)測與統(tǒng)計(jì)，但地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)并未涉及．文獻(xiàn)[5-6]僅通過能效測評結(jié)合模擬分析的方法獲得了地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)．截止到目前為止，多家國家級能效測評機(jī)構(gòu)已對可再生能源應(yīng)用示范城市的地源熱泵項(xiàng)目進(jìn)行了檢測，由于受測試時間和天氣的限制，其測評結(jié)果僅能反映某一時間段的運(yùn)行效果，并不能代表真實(shí)的運(yùn)行情況．為解決以上問題，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2009年編制了《可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》（試行版），在此框架下地源熱泵數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)才真正發(fā)展了起來．本課題組建立了一套地源熱泵數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，并對實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了長期的監(jiān)測與分析，為地源熱泵數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的完善與發(fā)展提供一定的參考．

1 研究對象及方法

1.1 項(xiàng)目概況

該小區(qū)毗鄰遷安市小營口村南側(cè)，建于2008年，總建筑面積75106m2．前期的水文地質(zhì)勘查結(jié)果表明，該區(qū)域的第4孔隙含水層厚度在10～15 m左右，分布廣泛且發(fā)育較為穩(wěn)定．由抽水試驗(yàn)結(jié)果可知，含水層發(fā)育地段的單井涌水量為1 300 m3/d，最大降深0.55 m，說明為該含水層富含水性中等，可為水源熱泵系統(tǒng)提供可靠的熱源．另外，該小區(qū)僅利用熱泵技術(shù)供暖，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為2 403 kW，末端為低溫地面輻射采暖，熱泵系統(tǒng)的主要配置見表1．

表1 地源熱泵系統(tǒng)的主要設(shè)備配置Tab.1The main equipment of the GSHP

1.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)簡介

地源熱泵數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的主要設(shè)備如下：超聲波冷/熱量表、三相智能電功率表、電流互感器、環(huán)境溫度采集器（Pt1000熱電偶）、集中數(shù)據(jù)采集裝置、PC、客戶端軟件等．超聲波冷/熱量表和電功率表的RS485通訊端口通過信號屏蔽線與數(shù)據(jù)采集裝置相連，采集裝置自動將采集的數(shù)據(jù)通過GPRS定時（一般為5～10 min）傳輸?shù)街行臄?shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)分類并保存．用戶利用已授權(quán)的賬戶和密碼，通過Internet訪問中心數(shù)據(jù)庫，即時了解熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行情況．

地源熱泵子監(jiān)測系統(tǒng)主要是由地源熱泵抽水系統(tǒng)、熱泵機(jī)組、地源側(cè)/用戶側(cè)循環(huán)管道、循環(huán)水泵、空調(diào)水泵、集水器/分水器和控制系統(tǒng)、變送器、數(shù)據(jù)采集儀器等輔助設(shè)施組成．監(jiān)測儀表主要包括流量變送器、溫度變送器、濕度變送器、電能表等．

1.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)原理

地源熱泵數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)主要是由地源熱泵抽水系統(tǒng)，地源側(cè)/用戶側(cè)循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)水泵，集水/分水器和控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)手機(jī)系統(tǒng)等輔助設(shè)備組成，如圖1所示．其檢測儀器主要包括電能表，流量變送器，溫度變送器等．主要監(jiān)測數(shù)據(jù)如下：1）熱泵側(cè)供/回水溫度t1、t2、瞬時流量G1、累計(jì)流量G1、累計(jì)熱量Q1；2）用戶側(cè)供/回水溫度t1'、t2'、瞬時流量G2、累計(jì)流量G2、累計(jì)熱量Q2；3）熱泵機(jī)組瞬時功率Pj、總電耗Nj；4）水泵瞬時功率Pb、總電耗Nb；5）環(huán)境溫度T0．熱泵系統(tǒng)和機(jī)組的COP值按下式進(jìn)行計(jì)算：系統(tǒng)COP=Q2/(Nj+Nb)；機(jī)組COP =Q2/Nj（參數(shù)單位：溫度為℃，瞬時流量為m3/h，累計(jì)流量為m3，累計(jì)熱量為kW h，瞬時功率為kW，累計(jì)電耗單位為kW h）．

圖1 數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)原理圖Fig.1Principle diagram of monitoring system

1.4測試要求

地源熱泵供熱系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測，必須在負(fù)荷穩(wěn)定的條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，機(jī)組的最大負(fù)荷不宜超過設(shè)計(jì)值的80%．為了便于分析不確定度，應(yīng)該假設(shè)機(jī)組負(fù)荷值穩(wěn)定，其各個測試儀器的精確度見表2．

根據(jù)地源熱泵數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)原理圖，系統(tǒng)系統(tǒng)誤差主要產(chǎn)生于系統(tǒng)的水溫溫度測量，熱量測量和電表計(jì)數(shù)過程中．因此系統(tǒng)主要存在4種類型測量誤差．水溫溫度測量誤差，由于水銀本身在不同溫度段有不同的熱膨脹系數(shù)以及毛細(xì)管現(xiàn)象，導(dǎo)致了溫度計(jì)不可避免的誤差．同時由于溫度計(jì)在測量水溫時，水銀柱的升降落后于溫度變化，因此溫度計(jì)讀數(shù)也有一定的滯后性．超聲波熱量表的誤差來源主要來自本身采用的時差測量法，其容易導(dǎo)致在熱量表內(nèi)部的換能器物理和電氣性能參數(shù)的變化，導(dǎo)致了計(jì)量誤差．三相智能電功率表將電流信號通過內(nèi)部的微處理器通過模/數(shù)通道轉(zhuǎn)換成微處理器直接接收的數(shù)字量，在轉(zhuǎn)換過程中由于存在時間差導(dǎo)致了誤差．?dāng)?shù)字式智能電流表由于泵的電流波動較快，會造成數(shù)采回路中電流變換器的鐵芯飽和，產(chǎn)生了電流測量誤差．

表2 測試儀器Tab.2Accuracy of measurement instruments

圖2 地源熱泵數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場局部圖Fig.2The local map of monitoring system for GSHP

2 實(shí)例應(yīng)用與分析

在遷安市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局的支持下，筆者于2012年9月為上述地源熱泵系統(tǒng)安裝了一套數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，圖2給出了現(xiàn)場監(jiān)測裝置的圖片．

2.1 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)自2012年供暖季開始自動采集運(yùn)行數(shù)據(jù)，采集頻率為1次/5 min．當(dāng)用戶熱負(fù)荷需求不大時，僅開啟一臺熱泵機(jī)組，水源側(cè)3臺潛水泵同時運(yùn)行，用戶側(cè)運(yùn)行1臺水泵；隨著供熱負(fù)荷的增大，兩臺熱泵機(jī)組同時開啟，水源側(cè)6臺潛水泵同時運(yùn)行，用戶側(cè)2臺水泵并聯(lián)運(yùn)行．由于采暖季的數(shù)據(jù)量比較大，圖3以某天（00:00～23:50）的數(shù)據(jù)為例，分別給出了水源側(cè)和用戶側(cè)全天供回水溫度和瞬時流量的變化曲線．

由圖中可以看出，水源側(cè)的供水溫度基本不變，穩(wěn)定在17.2℃左右，回水溫度在13.1～14.8℃之間變化；而用戶側(cè)的供水溫度在39.5～41.5℃之間變化，回水溫度維持在35.5℃左右．?dāng)?shù)據(jù)表明，在同一時刻，用戶側(cè)供水溫度的升高必然引起水源側(cè)回水溫度的下降，兩者溫度的變化與用戶熱負(fù)荷的需求密切相關(guān)．

圖3 水源側(cè)和用戶側(cè)全天供回水溫度和流量變化（11月15日）Fig.3The all-day supply water temperature and flow rate change from the water source and user sides(Nov.15th)

由表1中水泵銘牌參數(shù)可知，水源側(cè)3臺潛水泵同時運(yùn)行時的總流量應(yīng)為189 m3/h，與實(shí)測值184～211m3/h基本吻合．用戶側(cè)實(shí)測流量的變化范圍為169～179m3/h，略小于額定流量220m3/h，流量偏小的原因可能是由于用戶側(cè)管網(wǎng)的實(shí)際阻力大于設(shè)計(jì)值，因此造成了水泵的工作點(diǎn)向左上方偏移．

2.2 累計(jì)能耗與性能系數(shù)

圖4給出了熱泵系統(tǒng)的逐日累計(jì)耗電量和逐日累計(jì)負(fù)荷．可以看出，供暖初期和末期的電耗與熱負(fù)荷均較小，兩者的變化趨勢基本一致．根據(jù)氣象資料記載，自2013年1月3日開始，該地區(qū)正處于極端低溫天氣，室外最低溫度為17～18℃，因此這段時間的熱負(fù)荷和電耗比較大．統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，1月3日的累計(jì)熱負(fù)荷和累計(jì)耗電量分別為52 519 kW h和14 450 kW h，系統(tǒng)COP平均值為3.63，用戶側(cè)平均熱負(fù)荷為2 188 kW，與設(shè)計(jì)峰值負(fù)荷2 403 kW基本接近．

圖5進(jìn)一步給出了該熱泵系統(tǒng)平均性能系數(shù)的變化曲線．可以看出，供暖初期和末期熱泵系統(tǒng)和機(jī)組的COP值較高，供暖中期COP值則有所下降．熱泵系統(tǒng)的COP值與用戶的熱負(fù)荷密切相關(guān)，由于外部參數(shù)和用戶需求的變化，熱泵機(jī)組往往需要改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變負(fù)荷運(yùn)行．研究表明，隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，熱泵系統(tǒng)的制冷/熱量和壓縮機(jī)的耗功均不同程度的增大，而負(fù)荷變化對壓縮機(jī)耗功的影響作用略大于熱泵系統(tǒng)的制冷/熱量的影響，因此當(dāng)負(fù)荷增大時，熱泵機(jī)組的COP值是有所下降的，但下降幅度較小，變化比較平緩，以保證系統(tǒng)在全年各種不同的負(fù)荷下，始終具有較高的能效比[7]．因此，當(dāng)嚴(yán)寒季節(jié)用戶熱負(fù)荷需求較高時，熱泵系統(tǒng)和機(jī)組的COP值均略有下降，采暖季兩者COP的平均值分別為3.7和4.3．

圖4 日累計(jì)耗電量與日累計(jì)熱負(fù)荷Fig.4The power consumption and heating loadaccumulated in a day

圖6為2012～2013年采暖季地源熱泵系統(tǒng)各部分能耗的統(tǒng)計(jì)結(jié)果．通常而言，在地源熱泵系統(tǒng)中，水泵的能耗不超過總能耗的30%[8]，故合理控制水泵的運(yùn)行也是節(jié)能的重要手段之一．用戶側(cè)和水源側(cè)水泵的能耗分別為150 230 kW h和36 988 kW h，占總能耗的14%．1#機(jī)組和2#機(jī)組的能耗分別為514 950 kW h和608 784 kW h，兩者占總能耗的86%．由此可見，選擇部分負(fù)荷性能系數(shù)（IPLV）較高的熱泵機(jī)組是實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行的關(guān)鍵．

由圖6的2012～2013年采暖季耗電量統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，熱泵系統(tǒng)總能耗為1 310 952 kW h，若該地區(qū)的電價(jià)按0.52元/(kW h)計(jì)算，則采暖季總運(yùn)行費(fèi)用為681.7萬元，折合每平米建筑面積為9.1元，小于當(dāng)?shù)厥姓芫W(wǎng)的供熱費(fèi)用17元/m2，經(jīng)濟(jì)效益明顯．

圖5 地源熱泵系統(tǒng)的日均性能參數(shù)Fig.5 TheaverageperformanceparametersoftheGSHP

圖62012 ～2013年采暖季耗電量統(tǒng)計(jì)Fig.6The power consumption in the heating season in 2012～2013

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

與常規(guī)供暖燃煤鍋爐相比，表3為此地源熱泵和水源熱泵供暖系統(tǒng)在增量成本，增量投資回收期以及項(xiàng)目費(fèi)效比．其中增量成本指的是與常規(guī)的供暖系統(tǒng)相比，利用熱泵供暖增加的初投資．增量投資收期指的是增量成本與年節(jié)約費(fèi)用之比；項(xiàng)目費(fèi)效比為年節(jié)約費(fèi)用與項(xiàng)目節(jié)電量之比，其具體指的是此地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行第1年每節(jié)電1 kW h所增加的所增加的初投資費(fèi)用．

表3 增量成本與回收期對比圖Tab.3The comparison of incremental cost and payback period

國家電網(wǎng)的相關(guān)規(guī)定，遷安市住宅建筑用電的平均價(jià)格為0.54元/kW h，考慮線損等因素，電價(jià)定為0.50元/kW h．從圖上可以看出本系統(tǒng)的回收期值為4.64 a，比水源熱泵系統(tǒng)的回收期少22%，地源熱泵系統(tǒng)的費(fèi)效比為4.21元/kW h，比土壤熱泵系統(tǒng)的費(fèi)效比低40%．地源熱泵系統(tǒng)的單位面積的增量成本為98.3元/m2，而土壤熱泵的單位面積的增量成本為134.6元/m2．從數(shù)據(jù)看出此工程采用的地源熱泵供暖系統(tǒng)具有更高的經(jīng)濟(jì)性．

3.2 環(huán)境效益

以常規(guī)的供暖燃煤鍋爐相比，地源熱泵供暖系統(tǒng)沒有任何的污染，不排放污染物質(zhì)，不需要堆放燃料廢物的場地，并且熱效率高，不用遠(yuǎn)距離輸送熱量，適應(yīng)社會對能源的發(fā)展要求．通過相關(guān)計(jì)算本項(xiàng)目可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤13 318.2 t/a，并且減少二氧化碳排放量32 895.9 t/a，二氧化硫266.4 t/a，其環(huán)境效益顯著．

4 結(jié)論

1）基于地源熱泵數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，對采暖季的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集與分析，更直觀的了解了該熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行性能及能耗狀況．整個采暖季中，熱泵系統(tǒng)和機(jī)組的COP值分別為4.3和3.7，采暖運(yùn)行費(fèi)用為9.1元/m2，小于市政管網(wǎng)供熱費(fèi)用17元/m2，具有明顯的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益．

2）從經(jīng)濟(jì)效益角度分析，與常規(guī)供暖燃煤鍋爐相比，通過比較地源熱泵和水源熱泵供暖系統(tǒng)在增量成本，增量投資回收期以及項(xiàng)目費(fèi)效比，地源熱泵系統(tǒng)系統(tǒng)的回收期值比水源熱泵系統(tǒng)的回收期少22%，其費(fèi)效比土壤熱泵系統(tǒng)低40%．地源熱泵系統(tǒng)的單位面積的增量成本為98.3元/m2，而土壤熱泵的單位面積的增量成本為134.6元/m2．可以看出地源熱泵供暖系統(tǒng)比水源熱泵系統(tǒng)更具有經(jīng)濟(jì)效益．

3）可以預(yù)見，地源熱泵技術(shù)將會進(jìn)入規(guī)模化的推廣和應(yīng)用，為推動該技術(shù)健康、有序的發(fā)展，建議有關(guān)部門盡快組織和完善地源熱泵數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)體系，使節(jié)能效果逐漸透明化，以實(shí)現(xiàn)真正的建筑節(jié)能．

[1]汪訓(xùn)昌．關(guān)于發(fā)展地源熱泵系統(tǒng)的若干思考[J]．暖通空調(diào)，2007，37（3）：38-43．

[2]唐桂忠，張廣明．公共建筑能耗監(jiān)測與管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J]．建筑科學(xué)，2009，25（10）：27-31．

[3]王磊，于軍琪，馬媛．大型公共建筑能耗無線遠(yuǎn)程監(jiān)測與節(jié)能管理系統(tǒng)研究[J]．建筑節(jié)能，2011，39（241）：65-67．

[4]孫峙峰，孟沖．某典型公用建筑地下水源熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況的測試評價(jià)研究[J]．建筑科學(xué)，2011，27（12）：49-52．

[5]牛利敏，孟沖．辛集市以地?zé)釛壦疄闊嵩吹臒岜霉┡绞教接慬J]．暖通空調(diào)，2011，41（3）：120-123．

[6]李毅，生曉燕，趙云峰．青島市某大型公建能耗分項(xiàng)計(jì)量監(jiān)測及能耗指標(biāo)分析[J]．綠色建筑，2010（2）：39-42．

[7]邱林．變負(fù)荷運(yùn)行對熱泵性能系數(shù)影響的分析[J]．節(jié)能技術(shù)，2006，24（5）：419-421．

[8]趙冰，湛文賢，趙靈．某地埋管地源熱泵系統(tǒng)夏季運(yùn)行性能分析[J]．河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，41（4）：49-54．

[責(zé)任編輯 田豐]

Application of ground-source heat pump data monitoring system of a residence in Qian'An

YANG Bin，GU Jihao，WANG Lin，ZUO Degong，QI Chengying

(School of Energy and Environment Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

Based on the ground-source heat pump(GSHP)data monitoring system,the author collected and analysed the operating data of heat season in 2012～2013 which helps the author have more understanding about the actual operation of GSHP.Results show that the average COP of systems and units was respectively 3.7 and 4.3.The operating cost was 9.1 yuan/m2which was less than the heat cost 17 yuan/m2of municipal heating pipe network in the heating season. Hence,its remarkable economic effect will help widen the use of GSHP in this area.

ground-source heat pump;data monitoring systems;operation performance;coefficient of performance; applying

TU83

A

1007-2373(2015)03-0079-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.03.015

2014-12-29

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃（2012BAJ06B04）；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（QN20131118，QN2015028）

楊賓（1980-），男（漢族），講師，博士，yangbin0720@126.com．

數(shù)字出版日期：2015-06-17數(shù)字出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20150617.0941.001.html