地源熱泵系統檢測及能效評估
——以匯豐凱苑公寓式酒店為例

0 引言

當前，基于常規能源價格上漲、環境壓力不斷加大，在國家及地方政府的推動下，利用淺層地熱能作為建筑物供冷、供熱的地源熱泵技術，其應用規模正不斷擴大。至于在實際工程中，地源熱泵系統運行效果究竟如何，是否能在滿足室內舒適度要求的同時實現節能運行，則需要通過地源熱泵系統現場檢測、能效評估來進行驗證。本文將以匯豐凱苑公寓式酒店為例，對其地源熱泵系統冬、夏兩季的運行工況進行檢測，并根據現場檢測情況，對機組、系統的性能系數及節能效果進行計算分析和評估。

1 項目概況

匯豐凱苑公寓式酒店系匯豐凱苑項目的主要商業配套之一，位于匯豐凱苑項目的東北角。項目建筑用地面積9 478m2，總建筑面積23 146m2，地上總建筑面積15 982m2，地下建筑總面積7 164m2。

匯豐凱苑公寓式酒店為框架剪力墻結構（局部鋼結構），建筑高度75.3m，地下2層，主樓地上16層，裙房地上3層；其中，1層主要為門廳，2層主要為餐飲，3、4層主要為活動室，5～15層主要為公寓式酒店，16層主要為會議室，地下層為停車庫、水泵房、排風機房、地源熱泵機房及設備房。

（1）本項目土壤源熱泵系統采用垂直地埋管系統，雙U型埋管，埋管深度100m，埋管間距4m×4m，總埋管數387根。制冷機房設置于地下2層，設置2臺螺桿式地源熱泵機組（帶部分熱回收型）提供空調冷熱源，1臺單冷螺桿式冷水機組（帶冷卻塔）提供空調冷源；另設置1臺渦旋式地源熱泵機組（不帶熱回收型），常年提供生活熱水，夏季提供部分空調系統冷量（圖1、表1）。

（2）本項目空調水系統為兩管制一級泵系統，采用變流量系統，裙房空調水管為異程，主樓的風機盤管空調水管為同程，冷凍水泵分為兩用一備、一用一備、一用一備共3組，分別與螺桿式地源熱泵機組（帶熱回收型）、單冷螺桿式冷水機組、渦旋式地源熱泵機組（不帶熱回收型）對應運行。

圖1 地源熱泵機房系統圖

表1 冷熱源機組性能表

（3）本項目小開間辦公室等采用風機盤管加新風系統，風機盤管采用頂送風頂回風，新風直接送至室內；大空間部位采用全空氣空調系統，高度大的多功能廳采用旋流風口頂送、頂回，新風采用全熱交換器新風換氣機。

2 檢測、能效評估方案

2.1 檢測、能效評估依據

根據《可再生能源建筑應用工程評價標準》（GB/T 50801—2013）（以下簡稱《標準》）的規定，可再生能源建筑應用竣工圖紙、驗收資料、運行調試資料等實施地源熱泵系統檢測、能效評估工作，其中，《標準》對地源熱泵系統的檢測及能效評估方法、內容等均做了規定。

2.2 檢測、能效評估內容

按照標準的相關要求，本項目性能檢測、能效評估的主要內容如下，且檢測用主要儀器見表2（儀器均經過標定并在有效期內）。

（1）性能檢測的主要內容包括熱泵機組能效比、熱泵系統能效比、室內溫濕度等。

（2）能效評估的主要內容包括全年常規能源替代量、環境效益和經濟效益等。

3 檢測結果計算分析

3.1 檢測要求

在冬、夏兩季運行工況下，本項目地源熱泵機組性能檢測在機組穩定運行1h后，機組負荷達到機組額定值的80%以上時進行，且檢測時間不少于2h；地源熱泵系統性能檢測在系統供冷或供熱運行15d后，系統負荷率達到60%以上時進行，且檢測時間不少于4d[1]。

表2 檢測主要儀器

3.2 檢測結果計算分析

夏季工況檢測期間，室外平均溫度為35.0℃，平均相對濕度為58.2%；室內平均溫度為25.4℃，平均相對濕度為56.3%。冬季工況檢測期間，室外平均溫度為2.5℃，平均相對濕度為60.9%；室內平均溫度為20.3℃，平均相對濕度為 44.2%。

3.2.1 檢測條件下熱泵機組能效比

熱泵機組制冷能效比、制熱性能系數按公式（1）、（2）計算[1]。

式中， EER—熱泵機組的制冷能效比；

COP—熱泵機組的制熱性能系數；

Q—檢測期間機組的平均制冷量或制熱量(kW)；

Ni—檢測期間機組的平均輸入功率（kW）；

V—熱泵機組室內側平均流量（m3/h）；

Δtw—熱泵機組室內側進出口介質平均溫差(℃ )；

ρ—冷介質或熱介質平均密度（kg/m3）；

c —冷介質或熱介質平均定壓比熱[kJ/（kg·℃）]。

根據檢測結果，按照公式（1）～（3），計算出檢測條件下，該地源熱泵機組制冷能效比為6.12，制熱性能系數為4.71，結果符合設計要求。

3.2.2 檢測條件下熱泵系統能效比

系統制冷能效比、系統制熱性能系數按式（4）、（5）計算[1]。

式中， EERsys—熱泵系統的制冷能效比；

COPsys—熱泵系統的制熱性能系數；Qsc—系統檢測期間的制冷量累計值（kW·h）；

QSH—系統檢測期間的制熱量累計值（kW·h）；

ΣNi—系統檢測期間，熱泵機組電量消耗累計值（kW·h）；

ΣNj—系統檢測期間，水泵電量消耗累計值（kW·h）。

根據檢測結果，按照公式（4）～（7），計算出檢測期間，該地源熱泵系統的制冷能效比為3.45、制熱性能系數為3.30，檢測結果滿足《可再生能源建筑應用工程評價標準》（GB/T 50801—2013）中系統性能級別2級的要求。

4 能效評估

4.1 節能效益評估

節能效益主要為地源熱泵系統常規能源替代量，即傳統系統的總能耗與地源熱泵系統總能耗之差。關鍵參數計算方法如下。

4.1.1 全年累計冷負荷、熱負荷[1]

（1）根據檢測期間室外氣象參數以及地源熱泵系統的實測制熱量，采用度日法計算供暖季累計熱負荷。

（2）根據檢測期間室外氣象參數以及地源熱泵系統的實測制冷量，采用溫頻法計算供冷季累計冷負荷。

4.1.2 傳統系統的總能耗

（1）供暖季采暖系統能耗：選取以煤作為傳統能源的采暖系統為比較對象，采暖系統運行效率取0.70，標準煤熱值取29.307MJ/kgce；

（2）供冷季空調系統能耗：選取常規制冷空調系統作為比較對象，常規制冷空調系統能效比取2.6（地源熱泵機組容量為876.9kW）。

4.1.3 地源熱泵系統全年能耗量

根據實測的地源熱泵系統能效比與建筑全年累計冷、熱負荷計算地源熱泵系統全年能耗量。地源熱泵系統常規能源替代量計算結果見表3。

4.2 環境效益評估

依據地源熱泵系統節能效益計算結果，對CO2、SO2和粉塵的減排量進行評估：CO2減排量Qco2=2.47Qs；SO2排放量QSO2=0.02Qs；粉塵減排量QFC=0.01Qs。式中的2.47，0.02，0.01為標準煤的各污染物排放因子，計算結果見表4。

4.3 經濟效益評估

地源熱泵系統的年節約費用Cs按下式計算：[1]

式中， Cs—地源熱泵系統年節約費用（元/年）；

Qs—常規能源替代量（kgce）；

q—標準煤熱值（MJ/kgce），取29.307MJ/kgce；

P—常規能源價格（元/ kW·h），本項目以煤作為常規能源，標準煤價格取值為1 000 元 /t。

表3 地源熱泵系統常規能源替代量

表4 污染物減排量

經計算，本項目年節約費用約987 483元。

5 結語

綜上所述，我們可以得到以下結論。

（1）地源熱泵系統檢測期間，該項目夏季室內平均溫度25.4℃，平均相對濕度56.3%；冬季室內平均溫度20.3℃，平均相對濕度44.2%。滿足空調系統夏季室內設計溫度25℃、相對濕度40%～65%，以及冬季室內設計溫度20℃、相對濕度30%～60%的要求。

（2）根據冬、夏兩季地源熱泵系統檢測結果，地源熱泵機組制冷能效比為6.12，機組制熱性能系數為4.71，地源熱泵系統制冷能效比為3.45，系統制熱性能系數為3.30。機組性能系數符合設計要求，系統性能系數達到《可再生能源建筑應用工程評價標準》中的2級要求。

（3）根據節能效益、環境效益和經濟效益評估結果，地源熱泵系統全年常規能源替代量為121.3tce，減排CO2299.6t ，減排SO22.4t ，減排粉塵1.2t ，可節約費用約98.75萬元/a。

參考文獻：

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部,中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局. GB/T 50801—2013 可再生能源建筑應用工程評價標準[S].北京:中國建筑工業出版社,2012.