嚴(yán)寒地區(qū)某示范工程土壤源熱泵系統(tǒng)綜合評(píng)估

武思彤，白 莉，劉偉娟

(吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118)

嚴(yán)寒地區(qū)某示范工程土壤源熱泵系統(tǒng)綜合評(píng)估

武思彤，白 莉，劉偉娟

(吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118)

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)嚴(yán)寒地區(qū)某教學(xué)樓示范工程土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)，從技術(shù)性、節(jié)能性、環(huán)保性及經(jīng)濟(jì)性各自不同的角度全面進(jìn)行綜合評(píng)估。為嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)的高效運(yùn)行提供參考。

土壤源熱泵；監(jiān)測(cè)；能效；投資；評(píng)估

0 引言

地源熱泵作為一種高效、環(huán)保的先進(jìn)技術(shù)，是改善大氣環(huán)境和節(jié)約能源的一種有效途徑。我國(guó)關(guān)于地源熱泵的技術(shù)應(yīng)用研究從20世紀(jì)80年代開(kāi)始[1]，土壤源熱泵系統(tǒng)由于其不破壞地下水資源、不受地下水位影響、無(wú)污染等特點(diǎn)而廣泛受到人們的關(guān)注[2]。2016年，作為“十三五”的開(kāi)局之年，第一次把地能開(kāi)發(fā)列入全國(guó)總規(guī)劃[3]，土壤源熱泵系統(tǒng)的發(fā)展迎來(lái)了一個(gè)新的歷史階段。嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)及綜合性評(píng)估尚處于初步發(fā)展階段，本文通過(guò)對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)示范工程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)估。

1 工程概況

該工程是國(guó)家“十二五”科技支撐項(xiàng)目中的示范工程，總建筑面積為27 492 m3，層數(shù)6層，1層、2層層高4.2 m，3層至6層3.6 m，總高度23.95 m。土壤源熱泵系統(tǒng)的原理如圖1所示，根據(jù)建筑物的負(fù)荷，示范工程選擇大金空調(diào)生產(chǎn)的土壤源熱泵CUWD80A5Y—HC，機(jī)房設(shè)備如圖2所示，主要參數(shù)詳見(jiàn)表1。

2 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及分析

2.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

示范工程土壤源熱泵系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由兩部分組成，分別是室外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和室內(nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容如圖3所示。

圖1 土壤源熱泵系統(tǒng)原理

圖2 示范工程機(jī)房設(shè)備圖

設(shè)備名稱型號(hào)技術(shù)參數(shù)數(shù)量熱泵機(jī)組AQSW0612—H制熱量:186.6kW制熱功率:50.3kW制冷量:211.8kW制冷功率:39.4kW一用一備

表1(續(xù))

該系統(tǒng)于2013年10月開(kāi)始投入運(yùn)行使用，本文通過(guò)對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)2013年、2014年、2015年、2016年冬季工況和夏季工況兩種工況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而完成土壤熱泵系統(tǒng)綜合性評(píng)估。

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

本文通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采取每隔1個(gè)小時(shí)監(jiān)測(cè)1次，根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的結(jié)果統(tǒng)計(jì)，匯總見(jiàn)2。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

表2 監(jiān)測(cè)結(jié)果記錄

3 綜合評(píng)估

3.1 技術(shù)評(píng)估

3.1.1 機(jī)組性能分析

熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù):

(1)

(2)

式中：COP為土壤源熱泵制熱(制冷)性能系數(shù)；Q為監(jiān)測(cè)期間土壤源熱泵機(jī)組的平均制熱量(制冷量)，kW；Ni為監(jiān)測(cè)期間土壤源熱泵機(jī)組的平均輸入功率，kW；V為土壤源熱泵機(jī)組用戶側(cè)平均流量，m3/h；ρ為水的平均密度，kg/m3；C為水的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；Δt為土壤源熱泵機(jī)組用戶側(cè)供回水溫差，℃。

3.1.2 系統(tǒng)性能分析

(3)

式中：COPsys為土壤源熱泵系統(tǒng)的制熱(制冷)能效比；Qs為監(jiān)測(cè)期間土壤源熱泵系統(tǒng)的總制熱量(制冷量)，kW·h；P為監(jiān)測(cè)期間土壤源熱泵系統(tǒng)所消耗的總電量，kW·h。

通過(guò)表2記錄到的數(shù)據(jù)，以2015年—2016年冬季工況為例，將機(jī)組能效值及系統(tǒng)能效值繪制成圖線如圖4～5所示。

圖4 2015年—2016年冬季機(jī)組能效值

圖5 2015年—2016年冬季系統(tǒng)能效值

由圖4～5可以看出，2015年—2016年冬季工況下熱泵機(jī)組能效值在2.37～5.66之間，平均能效比為3.78，系統(tǒng)運(yùn)行能效值在2～4.49之間，平均能效比為3.21。將4年以來(lái)土壤源熱泵系統(tǒng)的機(jī)組能效值及系統(tǒng)能效值匯總見(jiàn)表3。

表3 能效分析表

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看出，4年中冬季工況機(jī)組能效值和系統(tǒng)能效值均大于夏季工況，這是由于在嚴(yán)寒地區(qū)夏季所需要的冷量小于冬季需要的熱量及學(xué)生放假導(dǎo)致夏季運(yùn)行天數(shù)較少，因而冬季工況機(jī)組能效值和系統(tǒng)能效值明顯大于夏季工況。

3.2 節(jié)能評(píng)估

3.2.1 能源利用系數(shù)

能源利用系數(shù)指對(duì)一次能源的利用率，能源利用系數(shù)越大，表明對(duì)一次能源的利用越充分[4]。

(4)

式中：E為能源利用系數(shù)；Q1為熱用戶利用的熱量；Q2為一次能源投入量；ηtn為熱網(wǎng)效率；η1為發(fā)電效率；η2為輸電效率。

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料了解到了幾種供熱方案的熱網(wǎng)效率、發(fā)電效率及輸電效率[5]。地源熱泵供暖的熱網(wǎng)效率為0.98，供電效率為0.35。η1與η2的乘積即為供電效率。取該示范工程土壤源熱泵的機(jī)組平均制熱系數(shù)3.96，計(jì)算得到該系統(tǒng)的能源利用率為1.36，而普通的電熱供暖的能源利用率為0.34，燃煤鍋爐集中供熱的能源利用率為0.64，因此，可以明確看出，土壤源熱泵系統(tǒng)將一次能源得到了更加充分的利用。

3.2.2 常規(guī)能源替代量

根據(jù)土壤源熱泵系統(tǒng)的耗能量以及常規(guī)供暖方式的耗能量，可以計(jì)算出該系統(tǒng)的常規(guī)能源替代量。

(5)

式中：Q為常規(guī)能源替代量，kgce；QC為常規(guī)供暖方式耗能量，kgce；QH為供暖季累計(jì)熱負(fù)荷和供冷季累計(jì)冷負(fù)荷，MJ；η為以傳統(tǒng)能源為熱源時(shí)的運(yùn)行效率，取鍋爐效率0.7；q為標(biāo)準(zhǔn)煤熱值，取29.307 MJ/kgce[6]；D為每度電折合所耗的標(biāo)準(zhǔn)煤量，取0.33 kgce/(kw·h)。

3.2.3 節(jié)能率

(6)

根據(jù)計(jì)算得到該土壤源熱泵系統(tǒng)在2015年冬季工況的節(jié)能率為23%，在2016年夏季工況的節(jié)能率為27%。

將計(jì)算得到的常規(guī)能源替代量和節(jié)能率匯總見(jiàn)表4。

表4 節(jié)能性評(píng)估表

由表4數(shù)據(jù)分析可以得到，13年冬季，土壤源熱泵系統(tǒng)剛剛運(yùn)行，因此節(jié)能率較高，且隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，土壤源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能率逐漸下降，但下降幅度較小，在6%的范圍內(nèi)波動(dòng)。節(jié)能率平均值為47.3%。節(jié)能效果顯著。

3.3 環(huán)境評(píng)估

主要通過(guò)對(duì)二氧化碳減排量、二氧化硫減排量、煙塵減排這3項(xiàng)指標(biāo)來(lái)完成環(huán)境評(píng)估。

二氧化碳減排量：LCO2=MCO2×Q，

(7)

二氧化硫減排量：LSO2=MSO2×Q，

(8)

煙塵減排量：L煙塵=M煙塵×Q，

(9)

式中：MCO2為每噸煤的二氧化碳排放因子，取2.47 t/tce[7]；MSO2為每噸煤的二氧化硫排放因子，取0.02 t/tce；M煙塵為每噸煤的煙塵排放因子，取0.01t/tce。

將計(jì)算得到的結(jié)果匯總見(jiàn)表5。

表5 減排量評(píng)估分析表

由表5可以看出，該系統(tǒng)所帶來(lái)的環(huán)境效益明顯，CO2平均減排量為1.02×105kg/a；SO2平均減排量為821.29kg/a；煙塵平均減排量為410.65kg/a。

3.4 經(jīng)濟(jì)評(píng)估

3.4.1 運(yùn)算模型

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，建立初投資與運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算模型。

初投資=設(shè)備費(fèi)用+設(shè)備安裝費(fèi)用+鉆孔費(fèi)+土建費(fèi)用，

(10)

年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用=電費(fèi)+燃料費(fèi)+維修費(fèi)+人工費(fèi)用。

(11)

根據(jù)查閱該示范工程在建立初期的相關(guān)資料了解到，初投資費(fèi)用總計(jì)279萬(wàn)元。年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用見(jiàn)表6。

表6 年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用 單位：萬(wàn)元

3.4.2 投資回收期

在對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)，需要借助投資回收期這一經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益的好壞。

(12)

式中：m為靜態(tài)投資回收年限，a；Yg為土壤源熱泵系統(tǒng)的初投資，萬(wàn)元；Yk為水冷機(jī)組系統(tǒng)的初投資，萬(wàn)元；Ed為土壤源熱泵系統(tǒng)的年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，萬(wàn)元；Eg為水冷機(jī)組系統(tǒng)的年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，萬(wàn)元。

在查閱了相關(guān)水冷機(jī)組的資料了解到，常規(guī)水冷機(jī)組約為0.7元/W，因此，冷水機(jī)組的價(jià)格約為15萬(wàn)元/臺(tái)[8]，兩臺(tái)共30萬(wàn)元，冷卻塔、冷卻泵、水泵及冷卻塔共計(jì)18.5萬(wàn)元，設(shè)備安裝費(fèi)取設(shè)備費(fèi)用的15%，約為7.27萬(wàn)元，市政熱網(wǎng)并網(wǎng)費(fèi)用40萬(wàn)。管道施工費(fèi)用17.14萬(wàn)元，末端安裝費(fèi)用60萬(wàn)元，總計(jì)共172.91萬(wàn)元[9]。水冷機(jī)組年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用為23.5萬(wàn)元，計(jì)算出靜態(tài)投資回收期為11.7a。

4 結(jié)語(yǔ)

1)文本通過(guò)對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)某示范工程土壤源熱泵項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)性評(píng)估，得到該土壤源熱泵系統(tǒng)在2013年—2016年冬季機(jī)組平均能效值為4.37、3.73、3.78，系統(tǒng)平均能效值為3.22、2.87、3.21；夏季機(jī)組平均能效值為3.69、2.95、3.29，系統(tǒng)平均能效值為3.02、2.86、2.91。符合機(jī)組的性能系數(shù)(COP)不應(yīng)該小于2.8的國(guó)家規(guī)定。

2)通過(guò)對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能性評(píng)估，計(jì)算得到該系統(tǒng)的能源利用率為1.36，節(jié)能率平均達(dá)到47.3%。

3)通過(guò)對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境性評(píng)估，得到CO2平均減排量為1.02×105kg/a；SO2平均減排量為821.29kg/a；煙塵平均減排量為410.65kg/a。

4)通過(guò)對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，得到靜態(tài)投資回收期為11.7a。

5)利用上述4年數(shù)據(jù)對(duì)示范工程進(jìn)行運(yùn)行分析，得到土壤源熱泵系統(tǒng)在技術(shù)上可行，得到的能效值符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；從節(jié)能角度看，4年中共節(jié)煤246.39t；從環(huán)保角度來(lái)看，避免了酸雨的形成，溫室氣體的排放；從經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)看，靜態(tài)投資回收期為11.7a，而機(jī)組的壽命值為30a。

綜上所述，我們可以看出土壤源熱泵系統(tǒng)可以在嚴(yán)寒地區(qū)作為一種新型的能源方式進(jìn)行利用，起到良好的節(jié)能減排作用，對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)的發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

[1] 畢彤，徐光，王嘉璐.未來(lái)建筑節(jié)能的領(lǐng)軍技術(shù)熱泵技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展[J].環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2008(1)：5.

[2] 徐偉，劉志堅(jiān).中國(guó)地源熱泵技術(shù)發(fā)展與展望[J].地?zé)崮埽?014(6)：9-16.

[3] 國(guó)家能源局.國(guó)家能源局2016年能源工作指導(dǎo)意見(jiàn)[R/OL].(2016-03-22)[2017-12-22].http://zfxxgk.nea.gov.cn/aut082/201604/t20160401_2219.htm.

[4] 胡先放，李玉云，馬勇，等.武漢地源熱泵制熱工況能效測(cè)評(píng)與效益分析[J].可再生能源，2013，31(9)：118-123.

[5] 徐偉，劉志堅(jiān).中國(guó)地源熱泵技術(shù)發(fā)展與展望[J].建筑科學(xué)，2013(10)：26-33.

[6] 褚林配.地?zé)峁嵯到y(tǒng)綜合效益指標(biāo)評(píng)價(jià)體系研究—地埋管地源熱泵[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2014.

[7] 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)能源研究所.GB/T2589-2008，綜合能耗計(jì)算通則[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[8] 衛(wèi)萬(wàn)順，李寧波，冉偉彥.淺層低溫能開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵問(wèn)題研究[J].理論探討，2009，4(3)：3-7.

[9] 付大義.地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)性分析[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2009.

JilinJianzhuUniversity，Changchun130118，China)

The Comprehensive Evaluation to Ground Source Heat Pump System in a Certain Model Project in Severe Cold Area

WU Si-tong，et al.

(SchoolofMunicipal&EnvironmentalEngineering，

From different aspects of technology，energy saving，environmental protection and economy，this paper makes a comprehensive evaluation to the parameters by real-time monitoring to each parameter of ground source heat pump system operation in a project of a teaching building in severe cold area to provide reference for the efficient operation of ground source heat pump system in severe cold area.

ground source heat pump；monitor；energy efficiency；investment；evaluation

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.01.021

2017-01-08

武思彤(1993-)，女(漢)，吉林省永吉縣，在讀碩士 主要研究土壤源熱泵系統(tǒng)能效分析。

U467.48

A

1009-8984(2017)01-0082-04