上海地区地源热泵系统应用现状与分析

■ 李晨玉 LI Chenyu 王 健WANG Jian 王 颖 WANG Ying

0 引言

近年来，随着常规能源的日益短缺和环境污染的日益严重，可再生能源作为建筑节能、绿色建筑和低碳建筑的重要组成内容，越来越受到人们的重视。其中，地源热泵系统利用浅层地热能作为冷热交换源，通过能量转换实现为建筑物夏季制冷、冬季采暖，具有高效节能、清洁环保的优势。

《上海市新能源发展“十二五”规划》指出，十二五期间浅层地热能总应用建筑面积达4 000 000m2[1]。2017年1月，国家发改委、国家能源局与国土资源部联合印发的《地热能开发利用“十三五”规划》，针对上海市提出了“十三五 ”期间新增浅层地热能供暖（制冷）面积27 000 000m2的规划[2]，这是我国首个地热能开发利用规划。

为响应国家规划，推动上海市浅层地热能开发利用，首先要全面了解上海地区现有地源热泵系统的应用现状，并对其节能量进行理论计算，分析其节能潜力，为上海地区类似项目提供参考。

1 应用现状

1.1 调研项目概况

本次调研的项目总数为40个，涵盖了居住建筑（13个）、公共建筑（27个）的大部分建筑类别，项目总面积达2 216 000m2。其中，示范项目占项目总量的55%（22个），一般项目占项目总量45%（18个），表明上海地区地源热泵系统正稳步由示范项目向一般项目推广（图1）。

1.2 地源热泵系统应用现状

在采用地源热泵系统的居住建筑中，普通住宅类建筑较少，约占居住项目总量的23%，多数为中小型别墅，约占77%。此种情况是由于住宅建筑多以分体空调或户式中央空调为主，较少采用集中空调系统，且住宅建筑入住率的不可控性，对集中空调系统的有效运行有很大影响，因而采用地源热泵系统的普通住宅相对较少。公共建筑中，60%以上为办公建筑和旅馆建筑，约占项目数量的37%和26%（图2）。

在应用地源热泵系统的项目中，建筑规模在10 000m2以下的占32.5%，其中，建筑面积小于2 000m2的别墅项目占了80%；建筑规模在10 000～20 000m2的占10%；建筑规模在20 000m2以上的占57.5%（图3）。总体而言，地源热泵系统在大型公共建筑中应用较多。

地源热泵系统应用形式以地埋管地源热泵为主，约占项目总数的95%（38个）；少数为地表水水源热泵系统，约占项目总数的5%（2个）。上海地区水资源虽储量丰富，但受国家及上海市水资源政策影响，且地表水地源热泵系统易受自然（江水、河水、海水、污水等）条件的限制，地下水地源热泵系统易受地下水回灌技术的限制，水源热泵系统在上海地区的推广和应用并不广泛。而浅层地热能分布范围广、储量丰富，大部分区域的工程地质条件适合开发浅层地热能，近些年的开发历史也证明了地埋管地源热泵技术在上海的适宜性，技术也相对比较成熟。

图1 调研项目概况图

图2 居住建筑、公共建筑项目类型分布图

上海地区的气候和建筑物特征，决定了上海建筑物供暖、制冷的需求有两个特点：一是夏季空调用电突出，持续时间长达5个月；二是建筑物单位面积制冷负荷需求大于供热负荷，一般高于20%。因此，建筑热负荷一般全部由地源热泵系统承担，约占项目总量的90%；多由冷水机组、风冷热泵、锅炉等作为辅助冷热源，并配以冷却塔达到热平衡，其中公共建筑中以冷却塔作为热平衡方式的项目占比约60%（图4）。

2 节能量理论计算

2.1 制热季累计热负荷和制冷季累计冷负荷计算

累计热负荷、冷负荷计算公式（温频法）为：

to—建筑物冬季或夏季空调室外设计温度[3]；

ti—建筑物冬季或夏季室内设计温度[3]；

to,x—冬季或夏季室外温度第x个温频段的值[4、5]；

n —频段数，冬季或夏季最低或最高室外温度

图3 不同建筑类型建筑规模分布图

图4 地源热泵应用类型、地源热泵热负荷承担量、热平衡方式分布图

与室内设计温度的温度差对标准温度间隔的倍数，标准温度间隔取2℃；

Q'—在室内外设计工况下的热负荷或冷负荷；

Tt,x—室外温度在某温频段冬季或夏季所出现的小时数，即温度的时间频率[6]。

2.2 传统系统的年能耗量计算

传统系统的年能耗量计算公式为：

式中，Qc—传统系统的年能耗量；

Qtc—传统系统空调系统总能耗；

Qth—传统系统制热系统总能耗；

Qc—制冷季累计冷负荷；

EERt—传统制冷空调系统的能效比[7]；

QH—制热季累计热负荷；

ηt—以传统能源为热源时的运行效率[7]。

2.3 地源热泵系统的年能耗量计算

地源热泵系统的年能耗量计算公式为：

式中，Qr—地源热泵系统的年能耗量；

Qrc—地源热泵系统空调系统总能耗；

Qrh—地源热泵系统制热系统总能耗；

Qc—制冷季累计热负荷；

EERsys—地源热泵系统制冷性能系数[7]；

QH—制热季累计热负荷；

COPsys—地源热泵系统制热性能系数[7]。

2.4 地源热泵系统的年节能量计算

式中，Qs—地源热泵系统的年节能量；

Qt—传统系统的年能耗量；

Qr—地源热泵系统的年能耗量。

地源热泵系统与传统中央空调系统的年制冷总能耗基本持平，因此，可忽略年制冷总能耗对年节能量的影响，且不考虑机组容量的差异，按最不利情况考虑。

表1 地源热泵系统的年节能量简化公式

地源热泵系统的年节能量计算公式，可按建筑类别不同简化为表1所示。

3 地源热泵系统节能分析

按表1简化公式，计算40个案例的地源热泵系统的年节能量，可得到其占空调系统能耗的百分比（图5）。

由图5可知，按表1简化公式计算出的公共建筑地源热泵系统的年节能量占空调系统能耗的百分比为37.3%～52.6%，平均值为44.9%。其中，可搜集到相关资料的8个项目，其地源热泵系统的节能量占空调系统能耗的实际比例为36.6%～51.0%，平均值为44.5%。误差百分比基本控制在10%以内。

根据《2016年上海市国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测及分析报告》，照明与插座用电、空调用电为公共建筑主要用电分项，各类型建筑这两项之和均超过总用电量的65%[8]。其中，空调用电约占建筑总用电的33%，则地源热泵系统节能量约占建筑总能耗的15%。

4 结论

本文对上海地区40个地源热泵项目进行了调研分析，利用温频法得到了上海地区公共建筑不同建筑类型地源热泵系统节能量的理论计算公式。通过对其中27个公共建筑年节能量的计算及节能潜力分析，得到以下结论。

（1）地源热泵系统正稳步由示范项目向一般项目推广。

图5 地源热泵系统年节能量占空调系统能耗百分比

（2）居住建筑中，地源热泵系统在别墅项目中应用较多，普通住宅项目应用较少；公共建筑中，地源热泵系统在办公建筑和旅馆建筑中应用较多，且主要应用于20 000m2以上的大型或超大型公共建筑中。

（3）受主客观因素影响，地源热泵系统应用以地埋管地源热泵为主。

（4）地源热泵系统一般承担全部热负荷，由冷水机组、风冷热泵作为辅助冷源，并配以冷却塔达到热平衡。

（5）不同建筑类型地源热泵系统年节能量简化公式的误差百分比在10%以内，可用于实际项目地源热泵系统年节能量的估算。

（6）地源热泵系统节能量占空调系统能耗的百分比在35%～50%，约占建筑总能耗的15%，节能效果显著。