武漢地埋管地源熱泵系統能效測試分析

胡志高, 胡平放, 王彥芳, 康 杰, 朱 娜, 雷 飛

(1.湖北風神凈化空調設備工程有限公司, 湖北 武漢 430060; 2.華中科技大學 環境科學與工程學院, 湖北 武漢 430074)

1 概述

地埋管地源熱泵由于節能環保、可再生優勢突出,在國內外得到良好發展[1-2]。地埋管地源熱泵系統的設計、施工、運行管理等都是該領域研究的重點,對地埋管地源熱泵的發展十分重要。同時,一大批項目已運行多年,對這些項目的效果與系統性能進行后評估,可更好總結地埋管地源熱泵系統的設計施工及運行管理經驗。張孝鼎等人[3]對某辦公樓地埋管地源熱泵空調系統進行能效測評,對熱泵機組和空調系統性能進行現場檢測,依據結果評估了項目節能效益、環境效益、經濟效益。馬勇[4]重點分析了20個地埋管地源熱泵系統能效的檢測結果。胡先芳等人[5]對武漢市7個地埋管地源熱泵項目進行測試并對冬季運行狀況進行了具體分析。彭謙等人[6]對長沙市公共建筑、居住建筑地埋管地源熱泵、地下水地源熱泵、地表水地源熱泵項目進行實測,分析了地源熱泵系統性能與節能減排效果。任永林等人[7]對畢節市某醫院室外溫度、供熱量、耗電量等數據進行115 d監測,分析地埋管地源熱泵系統能效水平。

雖然地埋管地源熱泵系統后評估工作在國內已有部分先例,但總體上開展較少,仍需持續進行。本文對武漢部分公共建筑地埋管地源熱泵系統運行參數進行測試,對系統能效水平進行評價。將傳統供能系統(常規水冷冷水機組+天然氣鍋爐)作為比較對象,計算地埋管地源熱泵系統節能率。

2 系統概況

在武漢近年建設的公共建筑地埋管地源熱泵項目中選擇10個項目進行測試與能效水平評價。公共建筑面積為8 500～100 523 m2,基本為辦公建筑。所有項目的地埋管均采用豎直式地埋管,項目1、8、9采用樁基地埋管與豎直鉆孔地埋管結合,其他項目均采用豎直鉆孔地埋管。為防止向土壤過度排熱,所有項目均配置冷卻塔。此外,項目8、9配置了冰蓄冷裝置。項目2為分散式小型地埋管地源熱泵機組,按戶設置,每戶的熱泵機組按各自設計負荷配置。

項目1:建筑面積8 588 m2,設計冷負荷880 kW,設計熱負荷560 kW。樁基140個,鉆孔72個,鉆孔中心距3.6 m×8.4 m。樁基深30 m、直徑800 mm,鉆孔深90 m、直徑150 mm。樁基地埋管采用雙U形,地埋管公稱外徑32 mm。鉆孔地埋管采用單U形,地埋管公稱外徑32 mm。熱泵機組2臺:1臺額定制冷量583.2 kW、額定制熱量603.5 kW,1臺額定制冷量307.1 kW、額定制熱量325.8 kW。

項目2:建筑面積10 592 m2,設計冷負荷1 048 kW,設計熱負荷838 kW。鉆孔155個,鉆孔中心距4.0 m×4.0 m。鉆孔深80 m、直徑110 mm。地埋管采用單U形、公稱外徑32 mm。熱泵機組共210臺:157臺額定制冷量6.4 kW、額定制熱量7.3 kW,41臺額定制冷量8.4 kW、額定制熱量9.6 kW,1臺額定制冷量3.6 kW、額定制熱量4.6 kW,11臺額定制冷量5.7 kW、額定制熱量6.8 kW。

項目3:建筑面積14 533 m2,設計冷負荷1 400 kW,設計熱負荷830 kW。鉆孔270個,鉆孔中心距5.0 m×5.0 m。鉆孔深60 m、直徑150 mm。地埋管采用雙U形、公稱外徑32 mm。熱泵機組2臺,每臺額定制冷量766 kW、額定制熱量820 kW。

項目4:建筑面積8 500 m2,設計冷負荷530 kW,設計熱負荷350 kW。鉆孔56個,鉆孔中心距5.0 m×5.0 m。鉆孔深100 m、直徑150 mm。地埋管采用雙U形、公稱外徑25 mm。熱泵機組2臺:1臺額定制冷量239.9 kW、額定制熱量240.1 kW,1臺額定制冷量304.2 kW、額定制熱量337.4 kW。

項目5:建筑面積345 900 m2,其中237 000 m2需單獨供冷,設計冷負荷35 000 kW,設計熱負荷5 400 kW。鉆孔1 200個,鉆孔中心距4.0 m×4.0 m。鉆孔深90 m、直徑150 mm。地埋管采用單U形、公稱外徑32 mm。熱泵機組2臺,每臺額定制冷量2 988.6 kW、額定制熱量3 024.2 kW。離心式冷水機組4臺,每臺額定制冷量7 032 kW。

項目6:建筑面積31 018 m2,設計冷負荷3 070 kW,設計熱負荷1 840 kW,設計生活熱水負荷760 kW。鉆孔571個,鉆孔中心距4.0 m×4.0 m。鉆孔深100 m、直徑150 mm。地埋管采用雙U形、公稱外徑25 mm。地源熱泵機組3臺:其中2臺的單臺額定制冷量1 171 kW、額定制熱量944 kW,1臺額定制冷量754 kW、額定制熱量608 kW。

項目7:建筑面積17 871 m2,設計冷負荷970 kW,設計熱負荷730 kW。鉆孔288個,鉆孔中心距5.0 m×5.0 m。鉆孔深75 m、直徑150 mm。地埋管采用雙U形、公稱外徑32 mm。熱泵機組1臺,額定制冷量970 kW、額定制熱量994 kW。冷水機組2臺,每臺額定制冷量791 kW。

項目8:建筑面積100 523 m2,設計冷負荷6 080 kW,設計熱負荷4 600 kW。樁基290個,鉆孔546個,鉆孔中心距5.0 m×5.0 m。樁基深19 m、直徑800 mm,鉆孔深90 m、直徑150 mm。樁基地埋管采用雙U形,地埋管公稱外徑32 mm。鉆孔地埋管采用雙U形,地埋管公稱外徑32 mm。三工況(制冷、制冰、制熱)熱泵機組4臺:每臺空調工況額定制冷量1 443.3 kW、制冰工況額定制冷量969.4 kW、額定制熱量1 595.0 kW。全熱回收型熱泵基載主機1臺,額定制冷量367.9kW、額定制熱量395.9 kW。

項目9:建筑面積30 048 m2,設計冷負荷5 220 kW,設計熱負荷4 380 kW。樁基612個,鉆孔1 177個,鉆孔中心距4.0 m×4.0 m。樁基深40 m、直徑1 200 mm,鉆孔深65 m、直徑133 mm。樁基地埋管采用雙U形,地埋管公稱外徑32 mm。鉆孔地埋管采用單U形,地埋管公稱外徑25 mm。三工況地源熱泵機組3臺,每臺空調工況額定制冷量1 314.6 kW、制冰工況額定制冷量883.0 kW、額定制熱量1 471.0 kW。高溫型熱泵基載主機1臺,制冷量1 314.0 kW、制熱量1 471.0 kW。

項目10:建筑面積59 351 m2,設計冷負荷5 565 kW,設計熱負荷4 272 kW。鉆孔810個,鉆孔中心距5.0 m×5.0 m。鉆孔深95 m、直徑150 mm。地埋管采用雙U形,公稱外徑25 mm。螺桿式熱泵機組3臺,每臺額定制冷量1 386 kW、額定制熱量1 433 kW。冷水機組1臺,額定制冷量1 440 kW。

由上述項目內容可知,在10個項目中,有7個項目采用了豎直鉆孔地埋管,其他3個項目采用樁基地埋管+豎直鉆孔地埋管。在7個豎直鉆孔地埋管項目中,采用雙U形地埋管的項目有5個,采用單U形地埋管的項目有2個。鉆孔深度為60～100 m,大多數80 m以上。

武漢地區排熱量明顯大于取熱量,若按冷負荷設計地埋管長度,易導致向土壤過度排熱,因此按熱負荷設計地埋管長度,供冷期部分負荷由冷卻塔承擔。分析供暖期工況,可推算出7個豎直鉆孔地埋管項目單位鉆孔深度換熱量(見表1)。由表1可知,單位鉆孔深度換熱量的變化范圍為18.8～47.4 W/m,平均值為37.5 W/m。7個豎直鉆孔地埋管項目均為辦公建筑,單位鉆孔深度換熱量存在一定差別,主要與設計參數、地質條件差異有關。從單U形地埋管、雙U形地埋管角度,無法判斷單位鉆孔深度換熱量高低。

表1 豎直鉆孔地埋管項目單位鉆孔深度換熱量

3 測試結果與分析

3.1 評價指標

熱泵系統制冷季節能效比IEER、制熱季節性能系數ICOP的計算式分別為:

(1)

(2)

式中IEER——熱泵系統制冷季節能效比

QC——供冷期熱泵系統供冷量,kW·h

EC——供冷期熱泵系統耗電量,kW·h

ICOP——熱泵系統制熱季節性能系數

QH——供暖期熱泵系統供熱量,kW·h

EH——供暖期熱泵系統耗電量,kW·h

供冷期熱泵系統供冷量、供暖期熱泵系統供熱量取測試日由熱泵系統逐時平均進出水溫差、逐時平均流量計算得到的逐時供冷量、逐時供熱量的累加值。供冷期熱泵系統耗電量、供暖期熱泵系統耗電量取測試日熱泵系統測試耗電量。

3.2 測試內容與方法

測試在供暖期、供冷期連續的4日進行,測試期間不間斷測量,每隔10 min記錄1次數據。受測試時間與條件所限,將10個項目分成兩組,分別進行供冷期、供暖期測試。供冷期測試組包括項目1、3、4、7、8、9,供暖期測試組包括項目2、5、6、10。

① 溫度、相對濕度

抽取建筑的代表性房間,采用溫濕度自記儀測試室內溫度、相對濕度。采用溫濕度自記儀記錄室外溫度、相對濕度。

② 供回水溫度、流量

熱泵機組供、回水溫度測點分別布置在供、回水干管上,采用Pt100鉑電阻測量,由無紙記錄儀記錄數據。熱泵機組流量測點布置在回水干管上,采用便攜式超聲波流量計測量回水流量,并記錄數據。

③ 耗電量

采用電能表測量熱泵機組、水泵耗電量。

3.3 測試計算結果

測試計算結果見表2。由表2及測試結果可知,供冷期室內溫度變化范圍為22.8～27.4 ℃,相對濕度變化范圍為43.5%～84.4%。供暖期室內溫度變化范圍為18.2～20.7 ℃,相對濕度變化范圍為37.5%～52.6%。測試結果表明,室內熱舒適度基本滿足要求。

表2 測試計算結果

由表2可知,熱泵系統制冷季節能效比變化范圍為2.70～5.67,熱泵系統制熱季節性能系數變化范圍為2.39～4.30。GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應用工程評價標準》表6.1.1規定,地源熱泵系統制冷季節能效比應大于等于3.0,制熱季節性能系數應大于等于2.6。因此,部分項目的熱泵系統制冷、制熱性能未達標,但差距不大。

由表2可知,熱泵機組供回水溫差普遍偏小,主要原因為水泵選型不當、水力失調等。

根據熱泵機組、水泵耗電量測試結果,可計算得到各項目水泵耗電量占熱泵機組與水泵總耗電量比例(簡稱水泵能耗占比),見表3。由表3可知,供冷期水泵能耗占比平均值為29.1%,供暖期水泵能耗占比平均值為24.0%。文獻[8]的研究結果顯示,我國地埋管地源熱泵系統供冷期水泵能耗占比實測平均值為32.0%,一般設計配置比例為23%,供暖期水泵能耗占比實測平均值為25.0%,一般設計配置比例為20%。由比較結果可知,各項目供冷期、供暖期綜合水泵能耗水平優于全國實測水平,但少數項目水泵能耗偏高。

表3 各項目水泵能耗占比

4 節能率

將地埋管地源熱泵系統與傳統供能系統進行比較,傳統供能系統為常規水冷冷水機組+天然氣鍋爐。按GB/T 50801—2013表6.3.1規定,常規水冷冷水機組制冷能效比按冷水機組容量選取:冷水機組容量小于528 kW時,制冷能效比取2.3。冷水機組容量為528～1 163 kW時,制冷能效比取2.6。冷水機組容量大于1 163 kW時,制冷能效比取2.8。按GB/T 50801—2013表4.3.5,天然氣鍋爐熱效率取0.8。

表4 各項目節能率

地埋管地源熱泵系統供冷期節能率βC、供暖期節能率βH的計算式分別為:

(3)

(4)

(5)

(6)

式中βC、βH——地埋管地源熱泵系統供冷期節能率、供暖期節能率

mc,C、mc,H——傳統供能系統供冷期標準煤耗量、供暖期標準煤耗量,kg

mg,C、mg,H——地埋管地源熱泵系統供冷期標準煤耗量、供暖期標準煤耗量,kg

M——電力與標準煤折算系數,kg/(kW·h),本文取0.32 kg/(kW·h)

IEER,t——常規水冷冷水機組制冷能效比

η——天然氣鍋爐熱效率

Hi——標準煤低熱值,MJ/kg,本文取29.31 MJ/kg

地埋管地源熱泵系統供冷期標準煤耗量、供暖期標準煤耗量的計算方法與傳統供能系統供冷期標準煤耗量的計算方法一致。將已知參數代入式(3)～(6),可計算得到各項目節能率(見表4)。10個項目的節能率為17.0%～50.9%,平均節能率為31.0%,節能性比較好。

5 測試結果影響因素分析

GB/T 50801—2013第6.2.3條指出,系統性能測試宜在系統負荷率達到60%以上進行。由表2可知,測試期間項目1、4、5的負荷率低于60%,原因涉及測試時間及任務要求與氣象條件不一致等,可能未能反映這3個項目真實的能效水平。但總體上看,測試結果能反映武漢近年建設的公共建筑地埋管地源熱泵項目能效水平。此外,受測試時間與條件限制,未能實現同一項目供冷期、供暖期的能效水平測試,樣本數量不足對供冷期、供暖期地源熱泵項目能效水平分析產生了一定影響。因此,應合理安排測試時間。

6 結論

部分項目的熱泵系統制冷、制熱性能未能達標,但差距不大。熱泵機組供回水溫差普遍偏小。項目供冷期、供暖期綜合水泵能耗水平優于全國實測水平,但少數項目水泵能耗偏高。各項目的節能率為17.0%～50.9%、平均節能率為31.0%,節能性比較好。