寒區(qū)隧道地源熱泵型供熱系統(tǒng)運(yùn)行能效測試研究

黃文豐，吳 濤，夏才初

(1.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092；2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075)

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寒區(qū)隧道地源熱泵型供熱系統(tǒng)運(yùn)行能效測試研究

黃文豐1，吳 濤2，夏才初1

(1.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092；2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075)

文章以某寒區(qū)隧道地源熱泵型供熱系統(tǒng)工程為例，選取不同的控制溫度(8℃、10℃和12℃)對該隧道熱泵機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場運(yùn)行測試，以分析不同控制溫度下熱泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和能效，并與鍋爐型供熱系統(tǒng)運(yùn)行測試結(jié)果進(jìn)行比較。分析結(jié)果表明地源熱泵型供熱系統(tǒng)應(yīng)用于寒區(qū)隧道凍害治理具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。

能源地下工程是把地下連續(xù)墻、底板、圍護(hù)樁，樁基，隧道中的錨桿、襯砌結(jié)構(gòu)等作為熱交換構(gòu)件，利用熱泵，冬天把低位熱源中的熱量泵送到需要供熱或加溫的地方，夏天將室內(nèi)的余熱轉(zhuǎn)換到低位熱源中，達(dá)到對建筑物本身和附近建筑物的取暖或者制冷的目的。寒區(qū)某隧道進(jìn)口右幅首次應(yīng)用了寒區(qū)隧道地源熱泵型供熱系統(tǒng)，從周圍地層中獲取能量，實(shí)現(xiàn)了對隧道洞口襯砌和保溫水溝的供熱。

國外在能源地下工程運(yùn)行能效測試方面的主要研究有：奧地利維也納技術(shù)大學(xué)的H.Brand(2006)[1]在明挖法隧道中用6臺地源熱泵將提取的地溫能用來為附近的一所學(xué)校供暖，監(jiān)測結(jié)果表明：該試驗(yàn)工程能提供150 kW功率的熱能；一個(gè)供暖季度可提供214 MWh的能量。此后，奧地利研究學(xué)者(H.Brandl，2006[2]；Adam.D，2009[3])發(fā)現(xiàn)維也納地鐵U2延伸線四個(gè)地鐵車站的深基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)年平均可獲得能量175 MWh，年平均制冷能力437 MWh。國內(nèi)在能源地下工程尤其是能源隧道工程方面的運(yùn)行能效測試研究十分缺乏。國內(nèi)學(xué)者在傳統(tǒng)地埋管地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行測試方面開展了大量的試驗(yàn)研究(張銀安，2007[4]；劉文學(xué)，2008[5]；於仲義，2008[6]；江章寧，2009[7]；胡平放，2009[8]；馮建江，2009[9]；謝運(yùn)生，2009[10]；袁萌萌，2013[11]；孟祥來，2013[12])，給出了傳統(tǒng)地埋管換熱器在冬季運(yùn)行時(shí)的測試分析結(jié)果，地源熱泵不同運(yùn)行模式下的運(yùn)行特點(diǎn)，地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用在建筑住宅中運(yùn)行測試的分析結(jié)果等。

上述研究為寒區(qū)隧道地源熱泵型供熱系統(tǒng)運(yùn)行能效測試研究提供了借鑒作用。本文在上述試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，對某寒區(qū)隧道地源熱泵型供熱系統(tǒng)運(yùn)行能效進(jìn)行了測試分析，并與電鍋爐型供熱系統(tǒng)運(yùn)行測試結(jié)果進(jìn)行比較，以分析地源熱泵型供熱系統(tǒng)應(yīng)用在寒區(qū)隧道凍害治理中是否具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。

某寒區(qū)隧道進(jìn)口右幅首次應(yīng)用地源熱泵型供熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)的取熱段位于YK226+535～YK226+735；襯砌加熱段位于YK225+971～YK226+046保溫水溝加熱段位于YK225+971～YK226+071；熱泵機(jī)組等設(shè)備位于YK226+471位置的設(shè)備洞內(nèi)；系統(tǒng)各組集、回水管道連接安裝在隧道右側(cè)共同溝內(nèi)。圖1為某寒區(qū)隧道地源熱泵型供熱系統(tǒng)布置圖。

圖1 寒區(qū)某隧道地源熱泵型供熱系統(tǒng)布置圖

本文以熱泵機(jī)組不同的控制溫度來開展不同的測試；根據(jù)測試期間環(huán)境大氣溫度，選取熱泵機(jī)組的控制溫度分別為8 ℃、10 ℃和12 ℃，每組測試工況的運(yùn)行時(shí)間為24 h，分別進(jìn)行現(xiàn)場運(yùn)行測試，以分析不同控制溫度下熱泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和能效。

1 地源熱泵型供熱系統(tǒng)運(yùn)行能效測試結(jié)果分析

1.1 系統(tǒng)總管內(nèi)流量變化

由下頁圖2可得，三個(gè)測試工況下，取熱側(cè)總管內(nèi)循環(huán)介質(zhì)的流量都大于加熱側(cè)總管內(nèi)循環(huán)介質(zhì)的流量，并且加熱側(cè)總管內(nèi)循環(huán)介質(zhì)的流量波動變化都比取熱側(cè)總管內(nèi)循環(huán)介質(zhì)的流量波動變化大。兩側(cè)管道內(nèi)循環(huán)介質(zhì)的流量變化都圍繞一個(gè)均值在波動。為便于分析，取機(jī)組每次開機(jī)運(yùn)行期間流量的平均值作為該次運(yùn)行時(shí)管內(nèi)循環(huán)介質(zhì)的流量值，具體數(shù)值如表1所示。

表1 不同測試工況總管內(nèi)循環(huán)介質(zhì)流量值表

(a)8 ℃工況

(b)10 ℃工況

(c)12 ℃工況

1.2 地源熱泵機(jī)組及系統(tǒng)能效分析

(1)供熱負(fù)荷

不同測試工況下，系統(tǒng)加熱段所需的供熱負(fù)荷具體數(shù)值如表2所示；系統(tǒng)加熱段所需的供熱負(fù)荷隨熱泵機(jī)組運(yùn)行的變化情況如圖3所示。由圖3可知，不同測試工況，隧道洞口加熱段所需的供熱負(fù)荷也不同，當(dāng)機(jī)組按照測試工況三(12 ℃)運(yùn)行時(shí)，洞口加熱段所需的供熱負(fù)荷最多，即熱泵機(jī)組的控制溫度越高，洞口加熱段所需的供熱負(fù)荷越多。

同一測試工況下，熱泵機(jī)組不同開機(jī)運(yùn)行期間，洞口加熱段所需的供熱負(fù)荷也不同，呈現(xiàn)上下波動變化，運(yùn)行期間，供熱負(fù)荷不是一個(gè)定值，而會伴隨著各個(gè)影響因素有所變化。

表2 不同測試工況時(shí)的供熱負(fù)荷值表(kW)

圖3 不同工況供熱負(fù)荷隨熱泵機(jī)組運(yùn)行變化曲線圖

(2)地源熱泵機(jī)組的性能系數(shù)

同測試工況下，地源熱泵機(jī)組性能系數(shù)的具體數(shù)值如表3所示；地源熱泵機(jī)組的性能系數(shù)隨熱泵機(jī)組運(yùn)行的變化情況如圖4所示。

表3 不同測試工況時(shí)熱泵機(jī)組的性能系數(shù)表

圖4 不同工況熱泵機(jī)組性能系數(shù)COP變化曲線圖

由圖4可知，不同測試工況，熱泵機(jī)組的COP不同，當(dāng)機(jī)組按照測試工況三(12 ℃)運(yùn)行時(shí)，熱泵機(jī)組的COP相對高于測試工況二(10 ℃)和測試工況一(8 ℃)。這主要是因?yàn)闊岜脵C(jī)組的控制溫度越高，取熱段提取的熱量越多，單位時(shí)間機(jī)組的耗能基本一致，因而熱泵機(jī)組的COP會相對高些。此外，熱泵機(jī)組某些運(yùn)行次數(shù)時(shí)，測試工況三(12 ℃)運(yùn)行對應(yīng)的COP反而低于測試工況二(10 ℃)運(yùn)行的COP，這是因?yàn)閷τ诓煌瑴y試工況，機(jī)組運(yùn)行次數(shù)所對應(yīng)一天內(nèi)的時(shí)間段不同，即外界環(huán)境不同，因而有可能測試工況三(12 ℃)某些時(shí)段機(jī)組的COP反而會小于測試工況二(10 ℃)某些時(shí)段機(jī)組的COP。但是整個(gè)運(yùn)行期間，測試工況三(12 ℃)熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)COP的平均值肯定會高于測試工況二(10 ℃)對應(yīng)機(jī)組運(yùn)行COP的平均值。

(3)地源熱泵型供熱系統(tǒng)的性能系數(shù)

不同測試工況地源熱泵型供熱系統(tǒng)的性能系數(shù)如表4所示。對應(yīng)的不同熱泵機(jī)組控制溫度下系統(tǒng)的性能系數(shù)如圖5所示。

表4 不同測試工況時(shí)地源熱泵型供熱系統(tǒng)的性能系數(shù)表

圖5 不同控制溫度下的地源熱泵型供熱系統(tǒng)性能系數(shù)COP示意圖

由圖5可知，地源熱泵型供熱系統(tǒng)性能系數(shù)的變化趨勢和熱泵機(jī)組性能系數(shù)的變化趨勢相同，即熱泵機(jī)組的控制溫度越高，整個(gè)地源熱泵型供熱系統(tǒng)所對應(yīng)的性能系數(shù)也相應(yīng)越高。另一方面，對于同一測試工況，即相同的熱泵機(jī)組控制溫度情況下，地源熱泵型供熱系統(tǒng)的性能系數(shù)小于相應(yīng)熱泵機(jī)組的性能系數(shù)。

2 電鍋爐型供熱系統(tǒng)與地源熱泵型供熱系統(tǒng)運(yùn)行能效對比分析

2.1 電鍋爐型加熱段總管內(nèi)流量變化

電鍋爐加熱運(yùn)行時(shí)，加熱側(cè)總管內(nèi)循環(huán)介質(zhì)流量的測試數(shù)據(jù)如圖6所示。由圖6可知。雖然管內(nèi)循環(huán)介質(zhì)的流量上下波動，但是這種波動圍繞著某一均值波動。取總管內(nèi)循環(huán)介質(zhì)流量測試數(shù)據(jù)的平均值作為電鍋爐加熱運(yùn)行期間總管內(nèi)循環(huán)介質(zhì)的流量，即循環(huán)介質(zhì)流量均值約4.21 m3/h。

圖6 鍋爐供熱系統(tǒng)加熱工況下總管水流量變化曲線圖

2.2 與地源熱泵型供熱系統(tǒng)運(yùn)行能效對比分析

電鍋爐供熱系統(tǒng)采用性能系數(shù)COP來表示系統(tǒng)運(yùn)行的能效，即隧道洞口所獲供熱負(fù)荷與所消耗電能之比。因此，計(jì)算分析電鍋爐的運(yùn)行性能系數(shù)之前，需要計(jì)算隧道洞口加熱段損耗的供熱負(fù)荷。

(1)電鍋爐型供熱系統(tǒng)與地源熱泵型供熱系統(tǒng)能效比較

為與熱泵機(jī)組運(yùn)行的性能參數(shù)進(jìn)行對比分析，取兩種加熱方式對應(yīng)測試工況下各參數(shù)的平均值來進(jìn)行對比分析。由于電鍋爐加熱時(shí)，將加熱側(cè)的回水溫度基本控制在10 ℃左右，所以，熱泵機(jī)組按照測試工況二(即熱泵機(jī)組的控制溫度為10 ℃)時(shí)的運(yùn)行參數(shù)，并與電鍋爐運(yùn)行時(shí)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行對比分析。兩種加熱方式下各參數(shù)如表5所示。

表5 兩種加熱方式下的運(yùn)行參數(shù)表

由表5所示可知，當(dāng)采用兩種加熱方式對隧道洞口進(jìn)行加熱并讓回水溫度達(dá)到10 ℃時(shí)，利用電鍋爐進(jìn)行加熱時(shí)的性能系數(shù)COP僅達(dá)到2.25，采用熱泵機(jī)組進(jìn)行加熱時(shí)的性能系數(shù)達(dá)到5.89。與電鍋爐供熱系統(tǒng)相比，地源熱泵型供熱系統(tǒng)節(jié)能近60%。因而，地源熱泵型供熱系統(tǒng)具有比常規(guī)的電加熱方法能耗小和運(yùn)營成本低等優(yōu)點(diǎn)。

(2)燃煤鍋爐型供熱系統(tǒng)與地源熱泵型供熱系統(tǒng)能效比較

寒區(qū)隧道主動供暖方式除了使用電鍋爐型供熱系統(tǒng)外，還可以使用燃煤鍋爐型供熱系統(tǒng)。燃料鍋爐供熱只能將70%～90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為供用戶使用的熱量。地源熱泵型供熱系統(tǒng)消耗的是電能，而燃煤鍋爐型供熱系統(tǒng)直接燃燒一次能源，兩者消耗的是不同等品質(zhì)的能源。為評價(jià)地源熱泵型供熱系統(tǒng)的節(jié)能效果，采用一次能利用率(即能量利用率)的概念(江章寧，2009[13])。地源熱泵的能源利用率是熱泵產(chǎn)生的供熱負(fù)荷與一次能耗的比值(張信樹[14])。一次能利用率(或能量利用率)的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：E——一次能利用率；

Q——洞口加熱段供熱總負(fù)荷，kWh；

P——消耗的電能，kWh；

β——發(fā)電廠的發(fā)配電效率；

COPh——地源熱泵的平均性能系數(shù)。

按照國家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電廠的平均發(fā)配電效率取β=0.284；地源熱泵的平均性能系數(shù)取三個(gè)測試工況地源熱泵性能系數(shù)的平均值，即COPh=5.8。按式(1)可計(jì)算得到地源熱泵的一次能利用率為E=1.647 2。目前，中型供熱鍋爐房供暖的一次能利用率一般為0.65左右，有的會更低，則地源熱泵型供熱系統(tǒng)與采用燃煤鍋爐型供熱系統(tǒng)相比節(jié)能明顯。

3 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了某寒區(qū)隧道地源熱泵型供熱系統(tǒng)運(yùn)行能效測試方案，其中包括測試內(nèi)容、測試系統(tǒng)和試驗(yàn)工況等內(nèi)容。并將地源熱泵型供熱系統(tǒng)測試結(jié)果與電鍋爐型供熱系統(tǒng)作對比，結(jié)論如下：

(1)熱泵機(jī)組的控制溫度越高，機(jī)組開機(jī)運(yùn)行時(shí)間間隔越短，機(jī)組運(yùn)行的能效比也越高。

(2)熱泵機(jī)組的能效比高于相應(yīng)地源熱泵型供熱系統(tǒng)的能效比。

(3)開展了電鍋爐型供熱系統(tǒng)的對比測試，控制加熱側(cè)的回水溫度為10 ℃，與地源熱泵型供熱系統(tǒng)測試工況(10 ℃)進(jìn)行對比分析，結(jié)果表示：與電鍋爐型供熱系統(tǒng)(COP=2.25)相比，地源熱泵型供熱系統(tǒng)(COP=5.89)節(jié)能近60%。

(4)計(jì)算一次能利用率(能源利用率)可知：地源熱泵型供熱系統(tǒng)的一次能利用率為E=1.647 2，遠(yuǎn)高于燃煤鍋爐型供熱系統(tǒng)的一次能利用率(一般為0.65)，具有明顯的節(jié)能效果。

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Research on Heating System Operation Efficiency Testing of Ground-source Heat Pump for Tunnels in Cold Regions

HUANG Wen-feng1，WU Tao2，XIA Cai-chu1

(1.Tongji University，Shanghai，200092；2.CCCC First Highway Consultants Co.，Ltd.，Xi’an，Shaanxi，710075)

With the heating system engineering of ground-source heat pump type for tunnels in a cold region as the example，this article selected different control temperature(8℃，10℃ and 12℃)for the field operation test of heat pump unit in this tunnel，so as to analyze the operation status and efficiency of heat pump unit under different control temperatures，and then compared to the running test results of boiler-type heating system.The results showed that the application of heating system of ground-source heat pump type in tunnel freezing disease treatment in cold regions has the significant energy-saving advantages.

0 引言

1673-4874(2016)10-0038-05

2016-09-03

黃文豐(1992—)，在讀碩士研究生，研究方向：隧道及地下建筑工程；

吳 濤(1979—)，高級工程師，研究方向：公路橋梁與隧道工程設(shè)計(jì)、咨詢及科研工作；

夏才初(1963—)，教授，研究方向：寒區(qū)隧道及地下工程穩(wěn)定性。