基于實測數據的地源熱泵系統應用效果分析

汪雨清，張文宇，王慧麗（上海市建筑科學研究院有限公司， 上海 201108）

隨著節能減排工作的有效推進，可再生能源建筑一體化應用越來越普遍，在國家大力的政策法規支持和驅動下，作為可再生能源利用的典型代表，地源熱泵技術在我國實際工程中得到了廣泛的推廣和應用[1]。國家整體的地源熱泵應用發展日益加快。

為有效揭示不同類型建筑應用地源熱泵系統后的實際效果，本文通過對某公共建筑（商業建筑）和某居住建筑應用土壤源熱泵系統，基于兩類建筑在夏季和冬季兩種工況運行下的實測數據，總結分析了兩類建筑在不同工況下的運行性能。希冀可為后續同類氣候區的不同類型建筑應用地源熱泵系統做參考。

1 應用項目概況

1.1 典型公共建筑

某商業建筑位于上海地區，商場建筑地上 4 F，地下 1 F，總建筑面積 8.40 萬 m2，項目空調冷熱源采用 2 臺離心式地源熱泵機組（名義制冷量 2 813 kW，名義制熱量 2 817 kW）和 3 臺離心式冷水機組（名義制冷量 2 800 kW）相結合的空調形式。地源熱泵系統為土壤源熱泵系統，地埋管數量按冬季熱負荷確定，夏季冷負荷多余部分由常規離心式冷水機組承擔，并配備 2 臺冷卻塔排除夏季多余熱量。項目共有 1 360 口單 U 形井，各井深度 100 m，埋管間距 4 m。整個冷熱源配套冷卻水泵、地源側循環水泵、冷凍水泵、熱水泵各 3 臺，冬夏季運行工況通過閥門進行切換。

1.2 典型居住建筑

居住項目由 2 棟 19 F 高層住宅、4 棟 22 層高層住宅及其配套設施組成，地下室連通，總建筑面積為 6.7 萬 m2。項目空調冷熱源采用 2 臺螺桿式地源熱泵機組（名義制冷量1 549 kW，名義制熱量 1 654 kW）、2 臺螺桿式冷水機組（2 603 kW）、2 臺燃氣熱水鍋爐（名義制熱量 2 450 kW）及熱泵式溶液調濕新風機組。地源熱泵系統采用土壤源熱泵系統，地埋管數量按冬季熱負荷進行確定，夏季冷負荷多余部分由螺桿式冷水機組承擔，同時輔助設置 2 臺冷卻塔排除夏季多余熱量。項目設置地埋管共 837 支，分 14 片區，設14 組供回水管。項目整個冷熱源配套冷卻水泵、地源側循環水泵、地源熱泵負荷側循環水泵、冷凍水泵各 3 臺，一次熱水循環泵 5 臺，空調熱水循環泵 2 臺。項目運行冬夏季工況通過閥門進行切換。

2 測試及處理概況

2.1 測試設備

測試參數包括了地源熱泵機組蒸發器和冷凝器進出、口水溫，地埋管側供、回水溫度，地埋管側水流量，用戶側水流量，熱泵機組電功率、循環水泵電功率，以及室內溫濕度。其中：室內溫濕度測試采用精密數字溫濕度計，精度±0.2 K；水流量測試采用超聲波流量計，精度±1.0%；水溫度測試采用溫度自記儀，精度 ±0.1 K；電功率測試采用三相四線電力分析儀，精度±1.0%。

2.2 實測時段

針對商業建筑和居住建筑的實測日期，如表 1 所示。

表 1 夏季、冬季實測時段

2.3 實測室外氣溫

測試時的室外氣溫，如表 2 所示。

表 2 夏季、冬季實測室外參數

2.4 熱泵實測運行情況

為真實反映兩類建筑地源熱泵系統實際運行性能，依據建筑物實測期間實際所需，按需運行地源熱泵機組。實際測試期間，公共建筑地源熱泵系統運行工況為：開啟 2 臺地源熱泵機組（1 號和 2 號），2 臺地源側循環水泵，2 臺用戶側循環水泵。居住建筑地源熱泵系統運行工況為：開啟 1 臺地源熱泵機組，1 臺地源側循環水泵，1 臺用戶側循環水泵。

2.5 數據處理計算方式

為有效分析各類型建筑不同運行工況下的實測數據，本次處理數據所需指標分別如表 3 所示。

表 3 處理計算指標公式及參數定義

3 實測數據分析

為真實反映典型工況下地源熱泵機組及系統的運行性能，計算分析了地埋管側和用戶側換熱量、機組負荷率、機組及系統性能系數等指標。分析中涉及的建筑 A 代表商業建筑，建筑 B 代表居住建筑。

3.1 基礎實測數據

本次實測的典型公共建筑和居住建筑地源熱泵系統的相關參數如表 4 所示。

3.2 運行性能分析

計算夏季運行工況和冬季運行工況下兩類建筑地源熱泵系統的實際運行性能，分別如圖 1 和圖 2 所示。其中各機組性能系數對應的實際運行負荷率如表 5 所示。

表 4 地源熱泵實測基礎參數表

圖 1 典型不同類型建筑地源熱泵實測機組性能系數

圖 2 典型不同類型建筑地源熱泵實測系統性能系數

表 5 地源熱泵機組實際運行負荷率

由圖 1、2 并依據 GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應用工程評價標準》可知，案例中的公共建筑和居住建筑的地源熱泵系統實測性能系數均高于國標規定地源熱泵“系統制冷能效比 EERsys≥3.0，系統制熱性能系數 COPsys≥2.6”的要求，也高于DG/TJ 08—2162—2015《可再生能源建筑應用測試評價標準》規定的地源熱泵“系統制冷能效比 EERsys≥3.2，系統制熱性能系數COPsys≥2.8”的要求。說明在上海地區，根據建筑物實際所需，合理運行地源熱泵系統，可大幅提升系統運行能效，降低建筑物整體能耗。此外，由圖 1 可知，機組在典型夏季和冬季工況下運行時，負荷率達到 70% 以上時，機組性能系數分別保持在 4.4～5.1 和 5.1～5.3 之間，運行效果良好。

3.3 運行經濟性分析

分別根據實測機組及系統運行性能，估算典型公共建筑每年可節約運行費用 58.99 萬元，典型居住建筑每年可節約運行費用 43.90 萬元，具有一定的經濟效益。

4 結 語

通過實測公共建筑和居住建筑各自應用的地源熱泵系統，分析可得如下結論。

（1）兩類典型建筑應用地源熱泵系統后，為保證地源熱泵系統保持高負荷率，應制定有效的運行策略，確保按需運行。

（2）實測典型公共建筑和居住建筑地源熱泵系統運行工況下，可知機組夏季運行性能系數可達到 4.4 以上，冬季運行性能系數可達 5.1 以上，運行效果良好；系統運行能效夏季可達在 3.2 以上，冬季運行能效可達 2.8 以上。

（3）典型公共建筑和居住建筑應用地源熱泵系統，每年均可節約一定的運行費用，有利于節約建筑整體能耗，減少一次能源消耗。