某圖書館地源熱泵冬季兩端供暖性能測試與分析

王文晶 劉 剛 孟祥來

東華大學環境科學與工程學院

某圖書館地源熱泵冬季兩端供暖性能測試與分析

王文晶 劉 剛 孟祥來

東華大學環境科學與工程學院

本文以上海地區學校圖書館地源熱泵系統為研究對象，通過對初寒期與末寒期的供暖性能測試并進行分析，得出地源熱泵系統比空氣源熱泵系統制熱性能系數要高46.21%，而空氣源熱泵系統耗能卻要比地源熱泵系統起碼高46.17%。地源熱泵一次能源利用率為E=1.096，要優于鍋爐供暖。對于學校圖書館這種冬季存在寒假不開系統的建筑，地源熱泵系統在初寒期以及末寒期的供暖優勢十分明顯。

地源熱泵 冬季兩端 供暖性能 節能分析

1 工程概況

某圖書館位于上海市長寧區東華大學內，為東華大學延安路校區圖書館，圖書館共有地上三層，二層書庫空調面積為1050m2，三樓外文書庫空調面積為525m2，總空調面積為1575m2。圖書館地源熱泵空調系統于2010年9月10日建成投入運行，主要由三部分組成：地下埋管換熱器系統、熱泵機組以及空調末端循環系統。

冷熱源主機采用4臺水-水熱泵機組，其中3臺機組型號相同，為WPWE200型，單臺制熱量為67kW，1臺機組型號為WPWE240型（1號機），制熱量為78kW；地下埋管換熱器系統采用單U型地埋管換熱器并垂直敷設，鉆孔直徑為130mm，井深為100m，共有45口，其中三口為監測井，管間距為3.5m；末端采用6臺空氣處理機組，水循環共設3臺循環泵，2用1備。管材均采用高密度聚乙烯塑料管（HDPE），回填材料為原漿土。同時，系統設置一個冷卻塔，用以控制冬夏冷熱的不均衡性。系統圖詳見圖1。

圖1 地源熱泵系統流程圖

自控系統采用JOHNSON CONTROLS公司的METASYS系統，可以實時切換地源熱泵自動/手動運行，并實現采集檢測室內外側進出水的溫度、流量、機組設備的功率、室內外溫濕度等參數；土壤溫度測試數據的采集采用組態王6.52軟件，其中土壤溫度的測量采用自制式帶不銹金屬外殼保護的PT100鉑電阻熱電偶。采集數據的儀器型號見表1。

表1 儀器類型及參數

2 地源熱泵機組的測試與結果分析

2.1 實驗數據處理方法

1）冬季地下埋管換熱器換熱量

式中：Qd為冬季地下埋管換熱器換熱量，kW；wd為埋管水側流量，kg/s；cp為水的比熱容，kg/(kg℃)；tin、tout為埋管水側進、出水溫度，℃。

2）冬季空調供熱水側換熱量

式中：Qk為冬季空調供熱水側換熱量，kW；wk為空調供熱水側流量，kg/s；t'in、t'out為空調供熱水側進、出口溫度，℃。

3）冬季地源熱泵機組的性能參數

式中：COP為冬季空調機組的性能參數；Pac為地源熱泵機組輸入功率，kW。

4）冬季地源熱泵系統能效比

式中：EER為冬季地源熱泵系統能效比；Pin為地源熱泵系統輸入功率，kW；Pp為循環水泵輸入功率，kW。

2.2 初寒期與末寒期供暖性能測試結果及分析

為了得到地源熱泵系統在供暖高峰期（初寒期與末寒期，學校寒假圖書館不開放），空調機組的運行性能系數COP、整個機房的能效比EER。2012年11月29日（初寒期）和2013年3月1日（末寒期）分別對機房的設備運行指標和空調機組的各項指標進行了測試。由于剛開機時水溫有一定的不穩定時間，等到運行一段時間后，測出的數據才會比較準確。筆者選取的是相對比較穩定的一段時間各狀態點的性能參數，取平均值得到表2。

表2 初寒期和末寒期制熱性能系數

表2的數據是在初寒期（2012年11月29日）時，1號機組和2號機組同時開啟，空調側、地源側分別開啟一臺水泵；末寒期（2013年3月1日）時，2、3、4號機組同時開啟，空調側、地源側分別開啟一臺水泵的運行情況下測得的。

由表2可以看出，初寒期的制熱量為額定工況的78.9%的運行狀態，所以機組的COP值比較高，達到了4.56；在末寒期時，制熱量為額定工況的44.5%的運行狀態，所以機組的COP值相對較低，只有3.15。很明顯能夠看出，不管是在初寒期還是在末寒期，機組都沒有在滿負荷的條件下運行，而當機組運行負荷較低時，COP值也降低了許多，與以往的經驗相同。因此，為了保證地源熱泵的高效率，就要盡量使系統保持在一個高負荷的條件下，這樣才能真正體現地源熱泵系統的高效性。

2.3 地源熱泵機組進出口水溫測試結果和分析

地源熱泵采用地下淺層土壤作為冷熱源，由于地下巖土溫度比較穩定，它的冬季溫度遠遠高于大氣溫度，因此地源熱泵系統供暖，其性能系數遠高于空氣源熱泵，這是地源熱泵系統節能的根本原因[3]。

為了得到機組運行的穩定數據，測試了初寒期（9:30~16:30）和末寒期（9:30~16:30）空調側和地埋側進出口水溫及溫差，如圖2。

圖2 地源熱泵機組進出口水溫及溫差

由圖2可知，整個地源熱泵系統，空調側和地埋側進出口水溫均未出現異常，都屬于可以控制的范圍內。空調側進出口水溫幾乎都在35℃～45℃之間，地埋側進出口水溫都在10℃～18℃之間，空調側溫差在4℃左右，地埋側溫差在3℃左右，可以看出空調側和地埋側換熱都很穩定，說明地源熱泵系統穩定性明顯高于空氣源熱泵。

同時從圖中又發現，末寒期地埋側進出口水溫低于初寒期地埋側進出口水溫，說明經過一個冬天的供暖，地埋管周圍土壤溫度下降，影響了整個系統的制熱性能，對一些大型建筑，就需要一些輔助設備進行供熱，以保持土壤溫度的平衡。

3 地源熱泵系統初寒期與末寒期節能分析

3.1 地源熱泵與空氣源熱泵性能比較

根據東華大學延安路校區圖書館地源熱泵系統的運行情況，地源熱泵系統在供暖期的平均制熱系數COP值為3.86；而普通的螺桿式空氣源熱泵機組，冬季取COP值為2.64。兩種方式對該圖書館初寒期及末寒期供暖進行比較（表3）。

表3 相同負荷兩種系統輸入功率比較

由于冬季空氣源熱泵運行時室外機會有結霜影響，所以實際的耗電量會更大。因此，地源熱泵系統比空氣源熱泵系統制熱性能系數要高46.21%，而空氣源熱泵系統耗能卻要比地源熱泵系統起碼高46.17%。

3.2 地源熱泵與鍋爐性能比較

地源熱泵系統消耗的是電能，而鍋爐消耗的卻是一次能源，兩者消耗的不是同等能源，所以需要利用能量利用率，對這兩個系統進行比較。

一次能利用率計算公式：

式中：E為一次能利用率；TQ為供暖季總制熱量，kWh；TP為供暖季總電能消耗，kWh；β為發電廠的發配電效率；COP為地源熱泵平均制熱性能系數。

根據規定，全國平均發配電效率為β=0.284。此時，算出該圖書館地源熱泵一次能源利用率為E=1.096。

目前中國普通鍋爐房取暖E值為0.65～0.7。因此能夠得出地源熱泵在初寒期和末寒期供暖要優于鍋爐供暖。

4 結論

通過本文研究：可得出如下結論：

1）初寒期的制熱量為額定工況的78.9%的運行狀態，所以機組的COP值比較高，達到了4.56；在末寒期時，制熱量為額定工況的44.5%的運行狀態，所以機組的COP值相對較低，只有3.15。很明顯能夠看出，不管是在初寒期還是在末寒期，機組都沒有在滿負荷的條件下運行，而當機組運行負荷較低時，COP值也降低了許多。

2）空調側進出口水溫幾乎都在35℃～45℃之間，地埋側進出口水溫都在10℃～18℃之間，空調側溫差在4℃左右，地埋側溫差在3℃左右，可以看出空調側和地埋側換熱都很穩定，說明地源熱泵系統穩定性明顯高于其它系統。

3）末寒期地埋側進出口水溫低于初寒期地埋側進出口水溫，說明經過一個冬天的供暖，地埋管周圍土壤溫度下降，影響了整個系統的制熱性能，此時對一些大型建筑，就需要一些輔助設備進行供熱，以保持土壤溫度的平衡。

4）地源熱泵系統比空氣源熱泵系統制熱性能系數要高46.21%，而空氣源熱泵系統耗能卻要比地源熱泵系統高46.17%。地源熱泵一次能源利用率為E=1.069，要優于鍋爐供暖。

5）對于學校圖書館這種冬季存在寒假不開系統的建筑，地源熱泵系統在初寒期以及末寒期的供暖優勢十分明顯。

[1] 江億.我國建筑能耗狀況及有效的節能途徑[J].暖通空調,2005, (5):30-40

[2] 徐偉.地源熱泵技術指南[M].北京:中國建筑工業出版社,2011

[3] 孫恒虎,崔建強,毛信理.地源熱泵的節能機理[J].太陽能學報, 2001,25(1):24-27

The Analysis of Heating Performance and Energy Saving of One Library GSHP System at Winter Begin and End

WANG Wen-jing,LIU Gang,MENG Xiang-lai
College of Environmental Science and Engineering,Donghua University

This paper analysis the heating performance of a GSHP system in a library through the testing data at the early and the end of the winter.Results show that the heating coefficient of GSHP is 46.21%higher than air source heat pump,while its energy consumption will be 46.17%lower than ASHP.Besides,GSHP is better than heating boiler with a primary energy ratio of 1.096.The advantage of GSHP in school library is more obvious because it only runs at the early and the end of the winter.

GSHP,winter ends,heating performance,energy saving analysis

1003-0344（2015）04-061-4

2014-3-6

王文晶（1990～），男，碩士研究生；上海市松江區人民北路2999號東華大學4號學院樓3137室（201620）；E-mail:15021662912@163.com