上海地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)能效調(diào)研與節(jié)能量分析

寇 利，高世軒，王曉陽，李雷雷

（上海市地礦工程勘察院，上海 200072）

上海地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)能效調(diào)研與節(jié)能量分析

寇 利，高世軒，王曉陽，李雷雷

（上海市地礦工程勘察院，上海 200072）

通過對上海地區(qū)23個地源熱泵項目的測試和調(diào)研，得到了地源熱泵系統(tǒng)夏季的制冷能效比和冬季的制熱性能系數(shù)數(shù)據(jù)。按照建筑類型和建筑規(guī)模統(tǒng)計分析了地埋管地源熱泵項目的系統(tǒng)性能，并計算了地源熱泵常規(guī)能源替代量和經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益，供類似項目參考。

地源熱泵；性能系數(shù)；能效比；節(jié)能分析

近十年來，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)以節(jié)能顯著、一機(jī)多用等特點(diǎn)在綠色建筑中得到廣泛應(yīng)用，它利用淺部土層溫度穩(wěn)定的特點(diǎn)，將地層中的低位熱源轉(zhuǎn)化為可以利用的高位熱源，既可替代化石能源，又可減少溫室氣體的排放。在工程應(yīng)用中，地源熱泵系統(tǒng)的實際能耗情況備受關(guān)注[1～3]，而針對上海地區(qū)開展此研究的學(xué)者較少[4]。

為了全面了解上海地區(qū)現(xiàn)有地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，并對其能效水平、節(jié)能量進(jìn)行科學(xué)客觀的分析，本次通過對地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行能效測試，計算出工程項目實際的常規(guī)能源替代量和環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益，展示了地源熱泵系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)，并為類似項目提供實用參考依據(jù)。

1 調(diào)研項目介紹

由于上海地域的特殊性，對地下水開采的嚴(yán)格限制，地表水的使用又受限于河流和湖泊約束，對地表水和地下水換熱方式的應(yīng)用影響較大，目前以地埋管換熱方式最多[5～7]。本次調(diào)研的23個項目中，其中有22個采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)，1個采用水源熱泵系統(tǒng)，建筑類型涵蓋了居住建筑中的宿舍樓、公共建筑的辦公、會所、展示館和教學(xué)樓等，應(yīng)用廣泛，具有一定的代表性。

圖1為調(diào)研項目建筑規(guī)模比例和建筑類型比例。從中可以看出上海地區(qū)使用地源熱泵系統(tǒng)的建筑規(guī)模在1萬m2以下占30%，1～2萬m2占26%，2萬m2以上約占44%；公共建筑和酒店應(yīng)用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)較多，約占55%左右。

圖1 調(diào)研項目的建筑物類型Fig.1 Types of investigated buildings

2 地源熱泵項目能效水平分析

2.1 評價級別劃分依據(jù)

依據(jù)上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《可再生能源建筑應(yīng)用測試評價標(biāo)準(zhǔn)》（DG/TJ 08-2162-2015）中關(guān)于地源熱泵系統(tǒng)性能級別劃分相關(guān)規(guī)定，對所測試的項目進(jìn)行級別劃分。該級別劃分方案考慮了系統(tǒng)中機(jī)組的容量，與《可再生能源建筑應(yīng)用工程評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50801-2013）相比更加合理。系統(tǒng)性能級別劃分如表1所示，根據(jù)冬夏季測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和劃分。

表1 地源熱泵系統(tǒng)性能級別劃分Table 1 Performance level division of ground source heat pump system

2.2 系統(tǒng)性能系數(shù)分析

地源熱泵系統(tǒng)性能的高低直接影響系統(tǒng)的節(jié)能性和應(yīng)用推廣。根據(jù)系統(tǒng)性能測試相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，對23個項目進(jìn)行了現(xiàn)場測試。由于測試條件局限，測試的23個項目中，僅作冬季供暖測試的有2個，僅作夏季供冷測試的有3個，其他項目供暖供冷季均進(jìn)行了測試。測試主要內(nèi)容包括室內(nèi)外溫度、熱泵機(jī)組和熱泵系統(tǒng)三部分內(nèi)容，根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行計算分析。

參照表1，根據(jù)項目的機(jī)組容量和測試的EER和COP對所測項目的制冷和制熱性能系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計如圖2。從圖中可以看出，不同項目間的應(yīng)用效果差異較大，其中EER在2.8至3.8范圍內(nèi)約占87%，COP在2.8至3.8范圍內(nèi)約占78%。

參照表1，根據(jù)項目的機(jī)組容量和測試出的EER和COP，對所測項目進(jìn)行性能級別劃分如圖3。從圖中可以看出，達(dá)到3級及以上的項目數(shù)量占83%，2級及以上的項目占39%，不達(dá)標(biāo)的項目占17%，被調(diào)研的項目中沒有達(dá)到1級標(biāo)準(zhǔn)。通過以上數(shù)據(jù)可以看出，上海地區(qū)的地源熱泵系統(tǒng)大部分處于三級水平，項目仍然存在較大的改進(jìn)和節(jié)能空間。經(jīng)仔細(xì)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，一方面在于前期設(shè)計的不充分，不能對整個年度冬夏季運(yùn)行過程中的累積吸排熱量做出正確計算；另一方面在于缺乏地埋管換熱器施工過程中的監(jiān)管，使得地埋管換熱器埋深不足、回填不實水平管路短接等問題出現(xiàn)，導(dǎo)致地源側(cè)換熱能力不足。此外，系統(tǒng)建成后的運(yùn)行管理策略不合理等也直接影響到系統(tǒng)能效。

圖2 不同項目的制冷和制熱性能系數(shù)Fig.2 Refrigeration and thermal performance coeffcient of different projects

圖3 不同系統(tǒng)能效級別比例Fig.3 Energy effciency rating scale of different systems

2.3 不同建筑類型的熱泵系統(tǒng)性能分析

為了探究不同建筑類型地源熱泵的系統(tǒng)性能，同時了解上海地區(qū)地源熱泵在不同建筑類型中的使用效果，對調(diào)研的項目進(jìn)行統(tǒng)計分類和計算分析。

如圖4為不同建筑類型平均系統(tǒng)能效變化圖，從圖中可以看出醫(yī)院系統(tǒng)性能最好，其冬夏季節(jié)的系統(tǒng)能效均達(dá)到3.5；商場的冬夏季系統(tǒng)能效均達(dá)到3.4，且值大小相當(dāng)，因為醫(yī)院和酒店項目一般使用頻率較高且采用了熱回收措施，減少了向土壤排熱量，有利于系統(tǒng)的熱平衡，所以提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和運(yùn)行性能。廠房和景觀類建筑冬季系統(tǒng)性能較低且冬夏季系統(tǒng)性能差別較大，說明該類建筑地源熱泵系統(tǒng)對土壤的熱平衡性影響較大，在設(shè)計和運(yùn)行時需要重點(diǎn)考慮。而本次測試的公建項目冬夏季系統(tǒng)性能差別較小，但整體系統(tǒng)性能系數(shù)較小，是因為建筑負(fù)荷率較低，使用不高所致，同時公建項目間歇使用的特點(diǎn)，有利于土壤溫度的恢復(fù)，這勢必對地埋管出水溫度有利。因此，在上海地區(qū)醫(yī)院、商場、公建類建筑，地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用存在較大優(yōu)勢，其次為酒店和住宅類建筑。

圖4 不同建筑類型平均系統(tǒng)能效變化Fig.4 Changes in the average system energy effciency for different building types

3 地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能減排效果分析

依據(jù)《可再生能源建筑應(yīng)用測試評價標(biāo)準(zhǔn)》（DG/TJ 08-2162-2015）中地源熱泵系統(tǒng)測評標(biāo)準(zhǔn)，對地源熱泵系統(tǒng)相對于常規(guī)供暖（冷）系統(tǒng)的一次能源節(jié)能率，參照消耗一次能源所產(chǎn)生的溫室氣體和污染氣體量，對應(yīng)用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的項目所帶來的環(huán)保效益進(jìn)行分析評價。

圖5和圖6分別為不同建筑類型地源熱泵系統(tǒng)相對于常規(guī)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)煤年節(jié)約量和CO2、SO2以及粉塵的年減排量圖。從圖中可以看出，不同建筑類型其節(jié)能減排效果差別較大。其中，商場和醫(yī)院的標(biāo)準(zhǔn)煤年節(jié)約量和CO2、SO2以及粉塵的年減排量均比較大；而住宅類建筑的標(biāo)準(zhǔn)煤年節(jié)約量和CO2、SO2以及粉塵的年減排量均較小，表明地源熱泵系統(tǒng)在商場和醫(yī)院類建筑中應(yīng)用效果比較好。因此，有條件的此類建筑物在選用空調(diào)系統(tǒng)時可優(yōu)先考慮使用地源熱泵系統(tǒng)。

圖5 不同建筑類型標(biāo)準(zhǔn)煤和CO2年節(jié)約量Fig.5 Standard coal and CO2emissions for different types of buildings

圖6 不同建筑類型粉塵和SO2年減排量Fig.6 Dust and SO2reductions for different types of buildings

4 結(jié)論

本文通過對上海地區(qū)23個具有代表性的地源熱泵工程項目進(jìn)行現(xiàn)場能效測試，并依據(jù)最新發(fā)布的《可再生能源建筑應(yīng)用測試評價標(biāo)準(zhǔn)》能效測試標(biāo)準(zhǔn)，按照不同建筑類型從系統(tǒng)性能級別、節(jié)能、環(huán)保角度對項目進(jìn)行評價分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）通過對上海地區(qū)23個地源熱泵項目性能測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，得出夏季EER在2.8～3.8范圍內(nèi)約占87%，冬季COP在2.8～3.8范圍內(nèi)約占78%；

（2）系統(tǒng)能效劃分達(dá)到3級及以上的項目數(shù)量占83%，2級及以上的項目占39%，不達(dá)標(biāo)的項目占17%?？梢钥闯?，上海地區(qū)的地源熱泵系統(tǒng)大部分處于三級水平，項目仍然存在較大的改進(jìn)空間；

（3）上海地區(qū)商場、醫(yī)院類高能耗建筑的系統(tǒng)能效和節(jié)能減排效果明顯高于其他類型建筑，在進(jìn)行綜合評定后，有條件的此類建筑在選用空調(diào)系統(tǒng)時可優(yōu)先考慮地源熱泵系統(tǒng)。

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Energy effciency investigation and energy saving analysis of ground-source heat pumps in Shanghai

KOU Li, GAO Shi-Xuan, WANG Xiao-Yang, LI Lei-Lei
(Shanghai Institute of Geological Engineering Exploration, Shanghai 200072, China)

The energy effciency ratio of ground-source heat pump (GSHP) systems in summer, and the coeffcient in winter, was obtained by testing 23 GSHP projects in areas with hot summers and cold winters. The coeffcient of performance was analyzed. According to the architectural type and size of structures, calculations were done to estimate the contribution of ground source heat pumps to the quantity of conventional alternative energy, and to estimate the economic and environmental benefts of GSHP systems. This is expected to provide a reference for similar projects.

ground-source heat pump; coeffcient of performance; energy effciency ratio; energy saving analysis

P314

A

2095-1329(2016)04-0069-03

10.3969/j.issn.2095-1329.2016.04.019

2016-08-04

2016-10-26

寇利(1984-),女,碩士,工程師,主要從事地源熱泵系統(tǒng)研究.

電子郵箱: kevinkouli@163.com

聯(lián)系電話: 021-66110693

中國地質(zhì)調(diào)查局地調(diào)項目(水[2014] 02-001-014-03)