單元式地源熱泵系統(tǒng)冬季在宿州地區(qū)的應(yīng)用分析

何健，程海峰，張明根，王庚，吳軍

（1.安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.建筑能效控制與評(píng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601；4.安徽省兩淮建設(shè)有限公司宿州分公司，安徽 宿州 234000；5.東華大學(xué)，上海 201620）

0 前言

當(dāng)今社會(huì)各個(gè)國(guó)家所面臨的兩個(gè)重大危機(jī)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(guó)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(guó)農(nóng)村地區(qū)建筑能耗總量已經(jīng)達(dá)到3.1億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占中國(guó)建筑能源消耗總量的1/3。盡管農(nóng)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(nóng)村的生產(chǎn)生活方式一直落后于城鎮(zhèn)。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民生活水平的顯著提高。農(nóng)村居民對(duì)日常生活環(huán)境也有了新的要求。特別是在室內(nèi)熱濕環(huán)境與空氣品質(zhì)方面有更高的需求。傳統(tǒng)農(nóng)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(jià)通過取暖爐采暖。據(jù)統(tǒng)計(jì)，燃煤、燃?xì)夂碗娏Φ壬唐纺茉凑嫁r(nóng)村地區(qū)能源使用總量的70%。雖然我國(guó)脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)已經(jīng)取得了全面勝利，但全國(guó)農(nóng)村人口數(shù)量多，農(nóng)村居民家庭的總能源消耗量遠(yuǎn)高于城鎮(zhèn)居民，并且對(duì)于煤、電和燃?xì)獾膽艟昧咳栽诓粩嗵岣?。為迫切解決農(nóng)村民居建筑冬季采暖問題，充分利用清潔制冷技術(shù)至關(guān)重要。淺層地?zé)崮苁且环N新型的優(yōu)質(zhì)環(huán)保能源，具有可再生、儲(chǔ)量大、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。并且熱泵是一種廣泛應(yīng)用于建筑物的供暖和空氣調(diào)節(jié)的節(jié)能環(huán)保技術(shù)?？梢酝ㄟ^熱泵技術(shù)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(dá)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(shè)計(jì)一套適用于單體建筑的小型單元式地源熱泵研究試驗(yàn)平臺(tái)，通過數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，用0rigin對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，掌握運(yùn)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(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)對(duì)象選取及試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

本試驗(yàn)對(duì)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(guó)最大的縣級(jí)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(yuǎn)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(rùn)季風(fēng)氣候，氣候特點(diǎn)為夏冬兩季相對(duì)于其他兩季時(shí)間長(zhǎng)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(duì)濕度66%，平均風(fēng)速2.4m/s；冬季室外平均溫度-5.6℃，相對(duì)濕度68%，平均風(fēng)速2.22.4m/s。選取的宿州市埇橋區(qū)農(nóng)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(shè)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(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

淺層地?zé)崮苜Y源可存賦于巖土、地下水以及地表水當(dāng)中。根據(jù)不同的地?zé)崮苜x存條件借助地源熱泵系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)換與傳輸。本試驗(yàn)平臺(tái)是設(shè)計(jì)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(duì)其動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)檢測(cè)并進(jìn)行分析得出熱泵機(jī)組動(dòng)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(duì)比，得出整個(gè)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(shù)量。

本試驗(yàn)平臺(tái)由四部分組成：地源換熱交換端、熱泵機(jī)組、負(fù)荷側(cè)、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

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(zhì)在埋管中循環(huán)，利用傳熱介質(zhì)與地下巖土、地下水之間存在溫差進(jìn)行熱量交換。將熱量通過熱泵機(jī)組運(yùn)送到負(fù)荷側(cè)。與此同時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄數(shù)據(jù)，具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

數(shù)據(jù)檢測(cè)儀數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)參數(shù) 表1

由于地下巖土具有非常好的穩(wěn)定性，保證試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不受其他因素干擾，確保試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)中負(fù)荷側(cè)選擇地下埋管換熱形式替代實(shí)際農(nóng)村民居建筑，且設(shè)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(shí)，控制水泵變頻流量得以實(shí)現(xiàn)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(fù)荷側(cè)所需熱量7.8 kW。

由于熱泵系統(tǒng)冬夏轉(zhuǎn)換特性，本試驗(yàn)中地源熱交換端與負(fù)荷側(cè)熱交換端可以進(jìn)行互換。因此可以設(shè)置兩種不同埋管換熱器作為對(duì)比。得出不同埋管換熱器在同一條件下的的運(yùn)行特性。本文中試驗(yàn)平臺(tái)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(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)圖

2 試驗(yàn)測(cè)試方案與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)測(cè)試方案

①充分預(yù)熱試驗(yàn)平臺(tái)，開啟試驗(yàn)平臺(tái)中兩側(cè)地下?lián)Q熱端，監(jiān)測(cè)兩側(cè)供回水溫度、水泵流量、壓力損失等數(shù)據(jù)。此狀態(tài)下僅依靠運(yùn)轉(zhuǎn)水泵促使埋管內(nèi)傳熱介質(zhì)循環(huán)，促使傳熱介質(zhì)溫度地下溫度場(chǎng)溫度一致，計(jì)算兩種不同地下埋管形式在同種工況下達(dá)到溫度一致的時(shí)間差值，總結(jié)得出更適宜農(nóng)村地區(qū)民居建筑采用的埋管形式。

②在充分預(yù)熱試驗(yàn)平臺(tái)前提下，開啟熱泵機(jī)組主機(jī)，設(shè)置所需加負(fù)荷，本文設(shè)置數(shù)值7.8kw，監(jiān)測(cè)兩側(cè)供回水溫度、水泵流量、壓力損失、熱泵機(jī)組功率等數(shù)據(jù)。

③關(guān)閉試驗(yàn)平臺(tái)并導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

2.2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)安徽省宿州市氣候特點(diǎn)，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(shí)間為過渡季節(jié)。本文實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行獲取數(shù)據(jù)時(shí)間為2020年 12月 25日 09：00—2020年 12月31日08:59，測(cè)試時(shí)間共計(jì)144小時(shí)，數(shù)據(jù)收集時(shí)間間隔為1分鐘/次。

①充分預(yù)熱試驗(yàn)平臺(tái)時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示，測(cè)試平臺(tái)當(dāng)天室外平均溫度為4℃，平臺(tái)系統(tǒng)啟動(dòng)前兩埋管內(nèi)傳熱介質(zhì)溫度相同，開啟系統(tǒng)后，因?yàn)樵囼?yàn)平臺(tái)預(yù)熱階段，地源側(cè)與負(fù)荷側(cè)水泵均按定頻運(yùn)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(dá)到與地下溫度場(chǎng)溫度一致。從系統(tǒng)預(yù)熱時(shí)間上來講，單U地埋管換熱器相比雙U型性能表現(xiàn)更為優(yōu)秀。

圖3 試驗(yàn)平臺(tái)預(yù)熱階段兩地下熱交換側(cè)供回水溫度變化曲線圖

另外由圖3可知，在76min時(shí)，兩埋管換熱器內(nèi)傳熱介質(zhì)溫度基本相同，此時(shí)溫度可以作為初始地下溫度場(chǎng)溫度，簡(jiǎn)稱初始地溫，本試驗(yàn)平臺(tái)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(yàn)準(zhǔn)確性，在兩側(cè)地下熱交換端埋管內(nèi)傳熱介質(zhì)均已達(dá)到初始地溫時(shí)，開啟熱泵機(jī)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(fù)荷側(cè)所需熱量7.8kw。本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算以典型日內(nèi)5小時(shí)（300min）數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)曲線如圖4所示。

圖4 加載7.8kw負(fù)荷情況下兩地下熱交換側(cè)供回水溫度變化曲線圖

根據(jù)地源側(cè)換熱量計(jì)算公式：

式中：Q—地源側(cè)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(shí)際制熱量，W。

P—熱泵機(jī)組功率，W。

根據(jù)圖4加載負(fù)荷7.8kw工況下兩地下熱交換側(cè)供回水溫度變化曲線圖可以獲得T、T數(shù)值，由此可計(jì)算熱泵機(jī)組實(shí)時(shí)實(shí)際制熱量，并繪制成實(shí)時(shí)實(shí)際熱泵機(jī)組制熱量曲線圖。如圖5所示。

圖5 實(shí)時(shí)制熱量曲線圖

實(shí)時(shí)熱泵功率監(jiān)測(cè)曲線圖依靠數(shù)據(jù)采集儀獲得，如圖6所示。

圖6 熱泵功率動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)曲線圖

冬季性能系數(shù)計(jì)算公式：

式中：COP—熱泵機(jī)組冬季性能系數(shù)，（W/W）。

Q—熱泵機(jī)組實(shí)際制熱量，（W）。

P—熱泵功率，（W）。

根據(jù)圖5與圖6中數(shù)據(jù)可以計(jì)算求得本試驗(yàn)平臺(tái)中地源熱泵機(jī)組實(shí)時(shí)冬季性能系數(shù)比，并將其繪制成數(shù)據(jù)曲線，如圖7所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)單元式地源熱泵換熱機(jī)組冬季穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)COP值介于4～5之間，平均COP值為4.89，因此可以得出結(jié)論在宿州農(nóng)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(jī)組實(shí)時(shí)cop曲線圖

3 試驗(yàn)系統(tǒng)節(jié)能計(jì)算與分析

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)節(jié)能計(jì)算

眾所周知，每消耗1kWh電能可以產(chǎn)生3600kJ熱量，而當(dāng)前能源制度規(guī)定每千克標(biāo)準(zhǔn)煤含有熱量29307kJ。因此電力折標(biāo)當(dāng)量系數(shù)為3600kJ/kW·h÷29307kJ/kgce=0.1229 kgce/kW·h。

由公式：

M=P×24×D×0.1229

式中：M—標(biāo)準(zhǔn)煤；kgce。

P—熱泵機(jī)組運(yùn)行功率，kW。

D—采暖季采暖天數(shù)，宿州地區(qū)冬季采暖季采暖天數(shù)為120d。

經(jīng)計(jì)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)煤消耗量為637.12kgce，因本項(xiàng)目采暖面積120m，在整個(gè)供暖周期內(nèi)單位面積供熱所需標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)煤量為20kgce/（m供暖季）。在典型農(nóng)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)煤量為14.69kgce。節(jié)能率為73.4%。在整個(gè)供暖季可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量為1.76288tce。

3.2 有害物減排量和減排節(jié)省治理費(fèi)用計(jì)算

根據(jù)選擇地源熱泵供暖方式，整個(gè)供暖季可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量為1.76288tce。可以計(jì)算有害物減排量和減排節(jié)省治理的費(fèi)用。由于煤灰渣現(xiàn)可以被二次利用，如鋪路、煉水泥等，故這里不作為有害物計(jì)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(fèi)用。

①CO減排量和減排節(jié)省治理費(fèi)用計(jì)算

減排CO量＝節(jié)煤量×2.386

=1.76288×2.386=4.206t

節(jié)省費(fèi)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(fèi)用計(jì)算

減排SO量＝節(jié)煤量×0.017

=1.76288×0.017=0.03t

節(jié)省費(fèi)用＝SO（噸）×1100（元/噸）

=0.03×1100=33 元

③NO減排量和減排節(jié)省治理費(fèi)用計(jì)算

減排NO量＝節(jié)煤量×0.006

=1.76288×0.006=0.011t

節(jié)省費(fèi)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(fèi)用計(jì)算

減排粉塵量＝節(jié)煤量×0.008

=1.76288×0.008=0.014t

節(jié)省費(fèi)用＝粉塵（噸）×800（元/噸）

=0.014×800=11.2 元

經(jīng)計(jì)算可得：在整個(gè)供暖季CO減排量4.206噸，減排CO節(jié)省治理費(fèi)用420.6元；SO減排量0.03噸，減排SO節(jié)省治理費(fèi)用33元；NO減排量0.011噸，減排NO節(jié)省治理費(fèi)用26.4元；粉塵減排量0.014噸，減排粉塵節(jié)省治理費(fèi)用11.2元。共計(jì)減排有害污染物4.261噸，減排節(jié)省治理費(fèi)用共計(jì)491.2元。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)安徽省宿州市埇橋區(qū)冬季典型戶式民用居住建筑應(yīng)用小型單元式地源熱泵系統(tǒng)采暖，收集數(shù)據(jù)并對(duì)運(yùn)行情況分析，得出以下結(jié)論：

①本試驗(yàn)平臺(tái)中小型單元式地源熱泵機(jī)組在冬季供暖工況下，熱泵機(jī)組冬季性能系數(shù)高達(dá)4.89，由此可見，宿州農(nóng)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(biāo)準(zhǔn)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(fèi)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(fèi)用共計(jì)4.1/（m·a）元，環(huán)保優(yōu)勢(shì)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(yīng)用分析將在后續(xù)工作中進(jìn)行研究，為夏季單元式地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用提供參考依據(jù)。