何理霞, 杜 涵, 高 鵬, 鄭壯壯, 崔 萍
(1.山東建筑大學熱能工程學院,山東濟南250101;2.山東亞特爾集團股份有限公司,山東濟南250101;3.山東省煤田地質局第一勘探隊,山東棗莊277100)
為了提高地埋管地源熱泵系統(tǒng)的運行效率,國內很多學者對公共建筑地埋管地源熱泵系統(tǒng)的運行情況進行了測試分析[1-3]。對于住宅建筑地埋管地源熱泵系統(tǒng)的研究主要集中在方案探討、適用性分析[4-5],結合供暖期、供冷期實測數(shù)據對住宅建筑地埋管地源熱泵系統(tǒng)供暖、供冷效果及性能進行評估和問題診斷并不多[6]。
筆者選取山東地區(qū)3座采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)(兼具供暖、供冷)的住宅建筑,對用戶室內溫濕度、地埋管地源熱泵系統(tǒng)運行參數(shù)等進行測試,對測試數(shù)據進行定量分析,分析地埋管地源熱泵系統(tǒng)的供暖、供冷效果及運行情況,評價3座住宅小區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)性能。
① 住宅小區(qū)A
坐落于濟南,建筑面積為15.6×104m2。地埋管地源熱泵系統(tǒng)配置1 000 個鉆孔,每個鉆孔深度為120 m。地埋管換熱器采用雙U形地埋管,規(guī)格為D32×3.5。末端裝置為風機盤管。
配置3臺熱泵機組:單臺額定制冷量1 737 kW,額定輸入電功率343 kW。單臺額定制熱量1 664 kW,額定輸入電功率259 kW。配置4臺地埋管側循環(huán)泵:其中3臺單臺流量400 m3/h,電機輸入電功率55 kW,揚程32 m。另外1臺流量206 m3/h,電機輸入電功率30 kW,揚程32 m。配置4臺用戶側循環(huán)泵:其中3臺單臺流量300 m3/h,電機輸入電功率45 kW,揚程32 m。另外1臺流量139 m3/h,電機輸入電功率22 kW,揚程32 m。
② 住宅小區(qū)B
坐落于棗莊,建筑面積為1.33×104m2。地埋管地源熱泵系統(tǒng)配置140 個鉆孔,每個鉆孔深度為100 m。地埋管鉆孔按數(shù)量平均分為兩個區(qū)域(本文稱為1區(qū)地埋管、2區(qū)地埋管),分別分配給兩臺性能參數(shù)相同的熱泵機組。地埋管換熱器采用單U形地埋管,規(guī)格為D32×3.5。末端裝置為風機盤管。
配置2臺熱泵機組:單臺額定制冷量452 kW,額定輸入電功率92 kW。單臺額定制熱量358 kW,額定輸入電功率108 kW。配置6臺地埋管側循環(huán)泵:單臺流量40 m3/h,電機輸入電功率5.5 kW,揚程30 m。配置2臺用戶側循環(huán)泵:單臺流量100 m3/h,電機輸入電功率15 kW,揚程32 m。
③ 住宅小區(qū)C
坐落于濟寧,建筑面積為5.2×104m2。地埋管地源熱泵系統(tǒng)配置444 個鉆孔,每個鉆孔深度為100 m。地埋管換熱器采用單U形地埋管,規(guī)格為D32×3.5。末端裝置為風機盤管。
配置2臺熱泵機組:額定制冷量1 350 kW,額定輸入電功率243 kW。額定制熱量1 336 kW,額定輸入電功率309 kW。配置2臺地埋管側循環(huán)泵:單臺流量320 m3/h,電機輸入電功率45 kW,揚程32 m。配置2臺用戶側循環(huán)泵:單臺流量245 m3/h,電機輸入電功率37 kW,揚程32 m。
3座住宅小區(qū)的地埋管地源熱泵系統(tǒng)均未安裝數(shù)據測量儀器儀表。筆者選取管外超聲波流量計、貼片式溫度傳感器、電流傳感器、溫濕度記錄儀、Fluke數(shù)據記錄儀等儀器儀表對地埋管地源熱泵系統(tǒng)的運行參數(shù)進行測量。測量儀表的性能參數(shù)及測量參數(shù)見表1。Fluke數(shù)據記錄儀用于采集和記錄電流傳感器測量的熱泵機組、循環(huán)泵輸入電流。
人工記錄:考慮到住宅小區(qū)供暖、供冷具有間歇運行的特點,測量人員在每個測試日的22:00進行流量測量。待熱泵用戶側、地埋管側循環(huán)水流量穩(wěn)定后,用管外超聲波流量計連續(xù)測量30 min。管外超聲波流量計具有數(shù)據記錄功能(數(shù)據記錄時間間隔設定為1 s),將30 min測得的數(shù)據導出至計算機后,由Excel軟件計算30 min的平均流量,作為該測試日的熱泵用戶側、地埋管側循環(huán)水流量。
自動記錄:除電流傳感器配置Fluke數(shù)據記錄儀外,貼片式溫度傳感器、溫濕度記錄儀也配置了數(shù)據自動記錄儀。熱泵機組、循環(huán)泵輸入電流每15 min記錄1次。熱泵用戶側、地埋管側進出水溫度每15 min記錄1次。室內外溫濕度:供暖期每5 min記錄1次,供冷期每15 min記錄1次。
表1 測量儀表的性能參數(shù)及測量參數(shù)
由于3座住宅小區(qū)分別坐落在不同地點,因此課題組分別派遣3組人員在同一測試期進行測量。截止測試期,3座住宅小區(qū)的地埋管地源熱泵系統(tǒng)已投入運行3~4 a。
由于被測對象為住宅小區(qū),因此在進行參數(shù)測量時應考慮到人員在室情況。對于熱泵用戶側循環(huán)水流量、熱泵地埋側循環(huán)水流量、熱泵用戶側進出水溫度、地埋管側進出水溫度、熱泵機組輸入電流、循環(huán)泵輸入電流,測試時間為每日的18:00至次日8:30,供暖期與供冷期測試時間相同。供暖期測試期為2017年12月25日—2018年3月15日,供冷期測試期為2018年6月12日—9月15日。
對于室內溫濕度測試用戶,考慮到室內溫度響應時間,測試時間為19:00至次日8:30,供暖期與供冷期測試時間相同。供暖期測試期為2018年1月15日—3月20日,供冷期測試期為2018年6月12日—21日。
對于住宅小區(qū)A~C,分別選取3個用戶進行室內溫濕度的測試,分別為距熱泵機房最近的1個用戶,與熱泵機房距離適中的1個用戶,距熱泵機房最遠的1個用戶。
在數(shù)據處理時,對明顯存在問題的數(shù)據進行剔除。對處理后的數(shù)據,將當前時刻的測量數(shù)據認為是上一時刻與當前時刻間的平均值。
① 供暖期
在分析各住宅小區(qū)供暖期室內溫濕度時,筆者選取3座住宅小區(qū)中距機房最遠的測試用戶(以下簡稱最遠測試用戶)室內溫濕度測試結果進行分析。
供暖期3座住宅小區(qū)最遠測試用戶日均室內溫度、日均相對濕度分別見圖1、2。由圖1、2數(shù)據,可計算得到供暖期3座住宅小區(qū)最遠測試用戶測試期平均室內溫度分別為23.58、21.35、20.19 ℃,測試期平均室內相對濕度分別為38.25%、45.32%、38.55%。由上述數(shù)據可知,在3座住宅小區(qū)中,住宅小區(qū)B最遠測試用戶室內相對濕度最高,走訪發(fā)現(xiàn),該測試用戶供暖期有使用加濕器的習慣,還經常向室內地面灑水,這是導致室內相對濕度較高的主要原因。
根據GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》表3.0.2人員長期逗留區(qū)域空調室內設計參數(shù),可以判定3座住宅小區(qū)供暖期室內熱濕環(huán)境比較理想。
② 供冷期
在分析各住宅小區(qū)供冷期室內溫濕度時,筆者仍選取3座住宅小區(qū)最遠測試用戶的室內溫濕度測量結果進行分析。
供冷期3座住宅小區(qū)最遠測試用戶日均室內溫度、日均相對濕度分別見表2、3。由表2、3數(shù)據,可計算得到供冷期3座住宅小區(qū)最遠測試用戶測試期平均室內溫度分別為26.81、26.56、26.63 ℃,測試期平均室內相對濕度分別為52.85%、56.39%、57.36%。
根據GB 50736—2012表3.0.2,可以判定3座住宅小區(qū)供冷期室內熱濕環(huán)境比較理想。
① 供暖期
筆者選取具有連續(xù)性的數(shù)據進行分析:對住宅小區(qū)A,選取2018年1月21日—3月20日的數(shù)據。對住宅小區(qū)B,選取2017年12月25日—2018年2月21日的數(shù)據。對住宅小區(qū)C,選取2017年12月26日—2018年1月26日的數(shù)據。供暖期3座住宅小區(qū)熱泵用戶側日均進、出水溫度、地埋管側日均進出水溫度分別見圖3~5。
圖1 供暖期3座住宅小區(qū)最遠測試用戶日均室內溫度
圖2 供暖期3座住宅小區(qū)最遠測試用戶日均室內相對濕度
℃
表3 供冷期3座住宅小區(qū)最遠測試用戶日均室內相對濕度 %
由圖3可知,測試期住宅小區(qū)A熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度比較平穩(wěn)。測試期熱泵用戶側平均進、出水溫度分別為37.75、39.74 ℃,熱泵地埋管側平均進、出水溫度分別為8.90、6.66 ℃。由圖4可知,測試期住宅小區(qū)B用戶側日均進、出水溫度、地埋管側日均進出水溫度出現(xiàn)小幅波動,測試期熱泵用戶側平均進、出水溫度分別為36.19、37.23 ℃,熱泵地埋管側(1區(qū))平均進、出水溫度分別為17.79、17.23 ℃,熱泵地埋管側(2區(qū))平均進、出水溫度分別為12.59、11.24 ℃。由圖5可知,測試期住宅小區(qū)C熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度比較平穩(wěn),測試期熱泵用戶側平均進、出水溫度分別為35.46、37.14 ℃,熱泵地埋管側平均進、出水溫度分別為12.32、11.66 ℃。
由實測數(shù)據可知,這3座住宅小區(qū)在供暖期均存在小溫差運行的情況。由圖1、2可知,供暖期3座小區(qū)的室內溫度比較理想。由此可以說明,3座小區(qū)均存在小溫差、大流量運行的情況。
圖3 供暖期住宅小區(qū)A熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度
圖4 供暖期住宅小區(qū)B熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度
圖5 供暖期住宅小區(qū)C熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度
② 供冷期
供冷期3座住宅小區(qū)熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度分別見圖6~8。由圖6~8可知,供冷期3座小區(qū)熱泵地埋管側的進出水溫度變化基本合理。供冷期,住宅小區(qū)A測試期熱泵用戶側平均進、出水溫度為16.95、15.47 ℃,住宅小區(qū)B測試期熱泵用戶側平均進、出水溫度為16.15、13.35 ℃,住宅小區(qū)C測試期熱泵用戶側平均進、出水溫度為16.43、14.81 ℃。
由以上數(shù)據可知,3座住宅小區(qū)均存在小溫差運行情況。由表2、3可知,供冷期3座小區(qū)的室內溫度比較理想。由此可以說明,3座小區(qū)均存在小溫差、大流量運行的情況。
圖6 供冷期住宅小區(qū)A熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度
圖7 供冷期住宅小區(qū)B熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度
圖8 供冷期住宅小區(qū)C熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度
采用供暖期測試時間2017年12月25日—2018年3月15日以及供冷期測試時間2018年6月12日—9月15日的相關測試數(shù)據,計算地埋管地源熱泵系統(tǒng)供暖期能效比、供冷期能效比。
為方便計算,熱泵機組的供暖期制熱量、供冷期制冷量以kW·h計。地埋管地源熱泵系統(tǒng)供暖期、供冷期能效比I的計算式為:
式中I——地埋管地源熱泵系統(tǒng)供暖期、供冷期能效比
Q——熱泵機組供暖期制取的熱量、供冷期制取的冷量,kW·h
Eu——熱泵機組耗電量,kW·h
Ep——循環(huán)泵(包括用戶側循環(huán)泵、地埋管側循環(huán)泵)耗電量,kW·h
熱泵機組供暖期制取的熱量、供冷期制取的冷量Q的計算式為:
式中n——實測時間,h
t——時間,h,取1 h
Φi——逐時平均制冷量、制熱量,kW
熱泵機組制冷量、制熱量Φ的計算式為:
Φ=qρcpΔθ
式中Φ——熱泵機組制冷量、制熱量,kW
q——熱泵機組用戶側循環(huán)水體積流量,m3/s
ρ——熱泵用戶側循環(huán)水密度,kg/m3
cp——循環(huán)水比定壓熱容,kJ/(kg·K),本文取4.186 kJ/(kg·K)
Δθ——熱泵機組用戶側循環(huán)水溫差,℃
供暖期熱泵用戶側循環(huán)水密度取994 kg/m3,供冷期熱泵用戶側循環(huán)水密度取999 kg/m3。
熱泵機組、循環(huán)泵電動機耗電量E的計算式為:
式中E——熱泵機組、循環(huán)泵電動機耗電量,kW·h
Pi——逐時平均電功率,kW
熱泵機組、循環(huán)泵電動機電功率P的計算式為[7]:
P=1.732×10-3UIηλ
式中P——熱泵機組、循環(huán)泵電動機電功率,kW
U——供電電壓,V,為380 V
I——實測輸入電流,A
η——傳輸效率,本文取0.95
λ——功率因數(shù),本文取0.85
由實測數(shù)據及上述計算式,可計算得到3座住宅小區(qū)的供暖期能效比分別為2.89、2.12、3.07,供冷期能效比分別為3.86、2.44、4.11。由計算結果可知,在3座住宅小區(qū)中,住宅小區(qū)C的供冷期能效比、供暖期能效比均最高,住宅小區(qū)A居中,住宅小區(qū)B最低。這反映,住宅小區(qū)C熱泵機組的配置比較合理,運行策略比較得當。
GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應用工程評價標準》表6.4.3給出的地埋管地源熱泵系統(tǒng)能效比級別劃分見表4。
表4 地埋管地源熱泵能效比級別劃分
GB/T 50801—2013第6.4.4條規(guī)定,當?shù)芈窆艿卦礋岜孟到y(tǒng)供暖期、供冷期均使用時,應分別依據表6.4.3中供暖期、供冷期能效比級別分別進行分級,當供暖期、供冷期能效比不同時,按表6.4.3取較低級別。由此可判定住宅小區(qū)A為3級,住宅小區(qū)C為2級。由于住宅小區(qū)B供暖期能效比、供冷期能效比均比較低,未能獲得評級。
采用實測方法,在供暖期、供冷期對3座采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)(兼具供暖、供冷)住宅小區(qū)A~C的室內溫濕度、熱泵用戶側循環(huán)水溫度與流量、熱泵地埋管側循環(huán)水溫度與流量、熱泵機組耗電量、循環(huán)泵(熱泵用戶側循環(huán)泵、熱泵地埋管側循環(huán)泵)耗電量進行實測計算。根據GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應用工程評價標準》對地埋管地源熱泵系統(tǒng)供暖期、供冷期能效比進行級別劃分,評價3座住宅小區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)的性能。
① 3座住宅小區(qū)供暖期、供冷期室內熱濕環(huán)境比較理想。
② 3座住宅小區(qū)供暖期、供冷期均存在小溫差、大流量運行情況。
③ 住宅小區(qū)A~C的供暖期能效比分別為2.89、2.12、3.07,供冷期能效比分別為3.86、2.44、4.11。根據GB/T 50801—2013的地埋管地源熱泵系統(tǒng)的能效比劃分,住宅小區(qū)A為3級,住宅小區(qū)C為2級,住宅小區(qū)B未獲得評級。