單元式地源熱泵系統(tǒng)冬季在宿州地區(qū)的應用分析

何健，程海峰，張明根，王庚，吳軍

（1.安徽建筑大學環(huán)境與能源工程學院，安徽 合肥 230601；2.建筑能效控制與評估教育部工程研究中心，安徽 合肥 230601；3.智能建筑與建筑節(jié)能安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601；4.安徽省兩淮建設有限公司宿州分公司，安徽 宿州 234000；5.東華大學，上海 201620）

0 前言

當今社會各個國家所面臨的兩個重大危機是能源資源緊缺與可再生新能源的合理利用與開發(fā)。我國也越來越注重能源的節(jié)約和新型能源的開發(fā)。目前，我國農村地區(qū)建筑能耗總量已經達到3.1億噸標準煤，占中國建筑能源消耗總量的1/3。盡管農村居民家庭的平均能源消耗量低于城鎮(zhèn)居民，但是由于各種條件的限制，農村的生產生活方式一直落后于城鎮(zhèn)。隨著國家經濟的迅速發(fā)展，人民生活水平的顯著提高。農村居民對日常生活環(huán)境也有了新的要求。特別是在室內熱濕環(huán)境與空氣品質方面有更高的需求。傳統(tǒng)農村居民住宅建筑以消耗煤炭和電力等不可再生能源為代價通過取暖爐采暖。據統(tǒng)計，燃煤、燃氣和電力等商品能源占農村地區(qū)能源使用總量的70%。雖然我國脫貧攻堅戰(zhàn)已經取得了全面勝利，但全國農村人口數量多，農村居民家庭的總能源消耗量遠高于城鎮(zhèn)居民，并且對于煤、電和燃氣的戶均用量仍在不斷提高。為迫切解決農村民居建筑冬季采暖問題，充分利用清潔制冷技術至關重要。淺層地熱能是一種新型的優(yōu)質環(huán)保能源，具有可再生、儲量大、清潔環(huán)保等優(yōu)點。并且熱泵是一種廣泛應用于建筑物的供暖和空氣調節(jié)的節(jié)能環(huán)保技術。可以通過熱泵技術有效利用低位能源來代替一部分高位能源，如煤炭、天然氣等，以達到節(jié)約高位能源的目的。

本文以安徽省宿州地區(qū)典型民居住宅建筑為例，設計一套適用于單體建筑的小型單元式地源熱泵研究試驗平臺，通過數據采集儀實時監(jiān)測并記錄動態(tài)數據，用0rigin對數據進行分析處理，掌握運行特性及節(jié)能環(huán)保性，為小型單元式地源熱泵系統(tǒng)冬季在宿州地區(qū)的應用提供依據。

1 試驗對象選取及試驗平臺設計

1.1 試驗對象

本試驗對象選址安徽省宿州市埇橋區(qū)，為某典型單層民用居住建筑地源熱泵采暖系統(tǒng)，安徽省宿州市埇橋區(qū)是全國最大的縣級區(qū)，位于安徽省北部，北鄰蘇銅山縣，東界靈璧縣，南與固鎮(zhèn)縣、懷遠縣比鄰，西與蕭縣，淮北市接壤?？偯娣e2906km，屬于丘陵與平原的過渡地區(qū)。宿州市是半濕潤季風氣候，氣候特點為夏冬兩季相對于其他兩季時間長且冬季干寒，夏季多雨，屬于典型的夏熱冬冷地區(qū)。宿州市年平均溫度14.7℃，夏季室外平均溫度35℃，相對濕度66%，平均風速2.4m/s；冬季室外平均溫度-5.6℃，相對濕度68%，平均風速2.22.4m/s。選取的宿州市埇橋區(qū)農村民用居住建筑具有普遍代表性,建筑面積120m，外墻采用磚墻并以鋪設保溫材料填充。建筑平面圖如圖1所示。

圖1 宿州地區(qū)典型民居建筑平面圖

1.2 試驗平臺設計

淺層地熱能資源可存賦于巖土、地下水以及地表水當中。根據不同的地熱能賦存條件借助地源熱泵系統(tǒng)可以實現熱量的轉換與傳輸。本試驗平臺是設計一種適用于宿州市埇橋區(qū)民居建筑地源熱泵采暖系統(tǒng)，對其動態(tài)數據檢測并進行分析得出熱泵機組動態(tài)能效曲線及平均能效值，與常規(guī)集中供熱或取暖爐供熱系統(tǒng)對比，得出整個供暖季單位供暖面積節(jié)約能源以及減少有害污染物排放數量。

本試驗平臺由四部分組成：地源換熱交換端、熱泵機組、負荷側、數據監(jiān)測平臺。

地源換熱熱交換端將埋管換熱器埋入地下，通過通過傳熱介質在埋管中循環(huán)，利用傳熱介質與地下巖土、地下水之間存在溫差進行熱量交換。將熱量通過熱泵機組運送到負荷側。與此同時數據檢測平臺實時監(jiān)測記錄數據，具體監(jiān)測數據如表1所示。

數據檢測儀數據監(jiān)測參數 表1

由于地下巖土具有非常好的穩(wěn)定性，保證試驗系統(tǒng)運行時不受其他因素干擾，確保試驗獲得數據準確可靠，試驗平臺系統(tǒng)中負荷側選擇地下埋管換熱形式替代實際農村民居建筑，且設置埋管與地下?lián)Q熱量與民居所需冬季熱量相同，在供回水溫度變化時，控制水泵變頻流量得以實現熱量穩(wěn)定，本文以如上宿州市埇橋區(qū)民居建筑為例，控制負荷側所需熱量7.8 kW。

由于熱泵系統(tǒng)冬夏轉換特性，本試驗中地源熱交換端與負荷側熱交換端可以進行互換。因此可以設置兩種不同埋管換熱器作為對比。得出不同埋管換熱器在同一條件下的的運行特性。本文中試驗平臺兩熱交換端由管徑為De25雙U閉式地埋管和管徑為De32單U閉式地埋管組成。本試驗平臺系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 試驗平臺系統(tǒng)圖

2 試驗測試方案與結果分析

2.1 試驗測試方案

①充分預熱試驗平臺，開啟試驗平臺中兩側地下?lián)Q熱端，監(jiān)測兩側供回水溫度、水泵流量、壓力損失等數據。此狀態(tài)下僅依靠運轉水泵促使埋管內傳熱介質循環(huán)，促使傳熱介質溫度地下溫度場溫度一致，計算兩種不同地下埋管形式在同種工況下達到溫度一致的時間差值，總結得出更適宜農村地區(qū)民居建筑采用的埋管形式。

②在充分預熱試驗平臺前提下，開啟熱泵機組主機，設置所需加負荷，本文設置數值7.8kw，監(jiān)測兩側供回水溫度、水泵流量、壓力損失、熱泵機組功率等數據。

③關閉試驗平臺并導出數據。

2.2 試驗測試結果分析

根據安徽省宿州市氣候特點，將5月1日至9月30日定為供冷季，共153天；11月15日至3月15日定為供暖季，共120天，其余時間為過渡季節(jié)。本文實驗平臺運行獲取數據時間為2020年 12月 25日 09：00—2020年 12月31日08:59，測試時間共計144小時，數據收集時間間隔為1分鐘/次。

①充分預熱試驗平臺時試驗數據如圖3所示，測試平臺當天室外平均溫度為4℃，平臺系統(tǒng)啟動前兩埋管內傳熱介質溫度相同，開啟系統(tǒng)后，因為試驗平臺預熱階段，地源側與負荷側水泵均按定頻運行，即流速與地埋管地下埋深均相同的情況下，管徑為De32單U閉式地埋管換熱器早于管徑為De25雙U閉式地埋管換熱器達到與地下溫度場溫度一致。從系統(tǒng)預熱時間上來講，單U地埋管換熱器相比雙U型性能表現更為優(yōu)秀。

圖3 試驗平臺預熱階段兩地下熱交換側供回水溫度變化曲線圖

另外由圖3可知，在76min時，兩埋管換熱器內傳熱介質溫度基本相同，此時溫度可以作為初始地下溫度場溫度，簡稱初始地溫，本試驗平臺初始地溫18.1℃。

圖3中：通道01為管徑為De32單U閉式地埋管供水溫度，（℃）

通道05為管徑為De32單U閉式地埋管回水溫度，（℃）

通道02為管徑為De25雙U閉式地埋管供水溫度，（℃）

通道06為管徑為De25雙U閉式地埋管回水溫度，（℃）

②為保證試驗準確性，在兩側地下熱交換端埋管內傳熱介質均已達到初始地溫時，開啟熱泵機組，加載所需熱量，本文以宿州市埇橋區(qū)民居建筑為例，控制負荷側所需熱量7.8kw。本文試驗數據計算以典型日內5小時（300min）數據進行計算。數據監(jiān)測曲線如圖4所示。

圖4 加載7.8kw負荷情況下兩地下熱交換側供回水溫度變化曲線圖

根據地源側換熱量計算公式：

式中：Q—地源側換熱量，（W）。

ρ—水密度，kg/m，本文取 ρ=1000 kg/m。

C—水比熱容，kJ/（kg℃），本文取C=4.2kJ/（kg℃）。

T—供水溫度，℃。

T—回水溫度，℃。

G—水流量，m/h。

Q—熱泵系統(tǒng)冬季實際制熱量，W。

P—熱泵機組功率，W。

根據圖4加載負荷7.8kw工況下兩地下熱交換側供回水溫度變化曲線圖可以獲得T、T數值，由此可計算熱泵機組實時實際制熱量，并繪制成實時實際熱泵機組制熱量曲線圖。如圖5所示。

圖5 實時制熱量曲線圖

實時熱泵功率監(jiān)測曲線圖依靠數據采集儀獲得，如圖6所示。

圖6 熱泵功率動態(tài)監(jiān)測曲線圖

冬季性能系數計算公式：

式中：COP—熱泵機組冬季性能系數，（W/W）。

Q—熱泵機組實際制熱量，（W）。

P—熱泵功率，（W）。

根據圖5與圖6中數據可以計算求得本試驗平臺中地源熱泵機組實時冬季性能系數比，并將其繪制成數據曲線，如圖7所示。根據計算結果可知：本實驗平臺單元式地源熱泵換熱機組冬季穩(wěn)定運行時COP值介于4～5之間，平均COP值為4.89，因此可以得出結論在宿州農村地區(qū)民居建筑冬季適宜使用小型單元式地源熱泵系統(tǒng)采暖。

圖7 熱泵機組實時cop曲線圖

3 試驗系統(tǒng)節(jié)能計算與分析

3.1 試驗系統(tǒng)節(jié)能計算

眾所周知，每消耗1kWh電能可以產生3600kJ熱量，而當前能源制度規(guī)定每千克標準煤含有熱量29307kJ。因此電力折標當量系數為3600kJ/kW·h÷29307kJ/kgce=0.1229 kgce/kW·h。

由公式：

M=P×24×D×0.1229

式中：M—標準煤；kgce。

P—熱泵機組運行功率，kW。

D—采暖季采暖天數，宿州地區(qū)冬季采暖季采暖天數為120d。

經計算可得：在安徽省宿州市埇橋區(qū)某典型單層民用居住住宅整個供暖季采用地源熱泵系統(tǒng)采暖所消耗電力總量為5184 kWh，換算為標準煤消耗量為637.12kgce，因本項目采暖面積120m，在整個供暖周期內單位面積供熱所需標準煤消耗量為5.31kgce/（m供暖季）。

燃煤鍋爐集中供熱采暖方式單位采暖面積消耗標準煤量為20kgce/（m供暖季）。在典型農村單層民用居住建筑中選擇小型單元式地源熱泵采暖方式與燃煤鍋爐集中供熱采暖方式相比較可以得出：在整個供暖季中，地源熱泵系統(tǒng)采暖單位建筑面積可以節(jié)約標準煤量為14.69kgce。節(jié)能率為73.4%。在整個供暖季可節(jié)約標準煤量為1.76288tce。

3.2 有害物減排量和減排節(jié)省治理費用計算

根據選擇地源熱泵供暖方式，整個供暖季可節(jié)約標準煤量為1.76288tce?？梢杂嬎阌泻ξ餃p排量和減排節(jié)省治理的費用。由于煤灰渣現可以被二次利用，如鋪路、煉水泥等，故這里不作為有害物計算。本文僅考慮 CO、SO、NO和粉塵等有害物減排量和減排節(jié)省治理費用。

①CO減排量和減排節(jié)省治理費用計算

減排CO量＝節(jié)煤量×2.386

=1.76288×2.386=4.206t

節(jié)省費用＝CO(噸)×100（元 /噸）

=4.206×100=420.6 元

②SO減排量和減排節(jié)省治理費用計算

減排SO量＝節(jié)煤量×0.017

=1.76288×0.017=0.03t

節(jié)省費用＝SO（噸）×1100（元/噸）

=0.03×1100=33 元

③NO減排量和減排節(jié)省治理費用計算

減排NO量＝節(jié)煤量×0.006

=1.76288×0.006=0.011t

節(jié)省費用＝NO（噸）×2400（元/噸）

=0.011×2400=26.4 元

④粉塵減排量和減排節(jié)省治理費用計算

減排粉塵量＝節(jié)煤量×0.008

=1.76288×0.008=0.014t

節(jié)省費用＝粉塵（噸）×800（元/噸）

=0.014×800=11.2 元

經計算可得：在整個供暖季CO減排量4.206噸，減排CO節(jié)省治理費用420.6元；SO減排量0.03噸，減排SO節(jié)省治理費用33元；NO減排量0.011噸，減排NO節(jié)省治理費用26.4元；粉塵減排量0.014噸，減排粉塵節(jié)省治理費用11.2元。共計減排有害污染物4.261噸，減排節(jié)省治理費用共計491.2元。

4 結論

本文通過對安徽省宿州市埇橋區(qū)冬季典型戶式民用居住建筑應用小型單元式地源熱泵系統(tǒng)采暖，收集數據并對運行情況分析，得出以下結論：

①本試驗平臺中小型單元式地源熱泵機組在冬季供暖工況下，熱泵機組冬季性能系數高達4.89，由此可見，宿州農村地區(qū)民居建筑冬季適宜使用單元式地地源熱泵系統(tǒng)采暖；

②與常規(guī)燃煤鍋爐集中供熱相比較可以得知，地源熱泵系統(tǒng)采暖單位建筑面積可以節(jié)約標準煤量14.69 kgce/（m·a），節(jié)能率73.45%，節(jié)能效果顯著；

③綜合考慮有害物減排量和減排節(jié)省治理費用，與常規(guī)燃煤鍋爐集中供熱相比，單位供暖面積減排有害污染物35.51kg/（m·a），單位供暖面積減排節(jié)省治理費用共計4.1/（m·a）元，環(huán)保優(yōu)勢明顯；

④小型單元式地源熱泵系統(tǒng)既滿足冬季供熱需求外又可以提供夏季制冷所需冷量，小型單元式地源熱泵系統(tǒng)夏季的應用分析將在后續(xù)工作中進行研究，為夏季單元式地源熱泵系統(tǒng)的應用提供參考依據。