山东地区住宅建筑地埋管地源热泵性能测试

何理霞， 杜 涵， 高 鹏， 郑壮壮， 崔 萍

(1.山东建筑大学热能工程学院，山东济南250101；2.山东亚特尔集团股份有限公司，山东济南250101；3.山东省煤田地质局第一勘探队，山东枣庄277100)

1 概述

为了提高地埋管地源热泵系统的运行效率，国内很多学者对公共建筑地埋管地源热泵系统的运行情况进行了测试分析[1-3]。对于住宅建筑地埋管地源热泵系统的研究主要集中在方案探讨、适用性分析[4-5]，结合供暖期、供冷期实测数据对住宅建筑地埋管地源热泵系统供暖、供冷效果及性能进行评估和问题诊断并不多[6]。

笔者选取山东地区3座采用地埋管地源热泵系统(兼具供暖、供冷)的住宅建筑，对用户室内温湿度、地埋管地源热泵系统运行参数等进行测试，对测试数据进行定量分析，分析地埋管地源热泵系统的供暖、供冷效果及运行情况，评价3座住宅小区地埋管地源热泵系统性能。

2 工程概况

① 住宅小区A

坐落于济南，建筑面积为15.6×104m2。地埋管地源热泵系统配置1 000 个钻孔，每个钻孔深度为120 m。地埋管换热器采用双U形地埋管，规格为D32×3.5。末端装置为风机盘管。

配置3台热泵机组：单台额定制冷量1 737 kW，额定输入电功率343 kW。单台额定制热量1 664 kW，额定输入电功率259 kW。配置4台地埋管侧循环泵：其中3台单台流量400 m3/h，电机输入电功率55 kW，扬程32 m。另外1台流量206 m3/h，电机输入电功率30 kW，扬程32 m。配置4台用户侧循环泵：其中3台单台流量300 m3/h，电机输入电功率45 kW，扬程32 m。另外1台流量139 m3/h，电机输入电功率22 kW，扬程32 m。

② 住宅小区B

坐落于枣庄，建筑面积为1.33×104m2。地埋管地源热泵系统配置140 个钻孔，每个钻孔深度为100 m。地埋管钻孔按数量平均分为两个区域(本文称为1区地埋管、2区地埋管)，分别分配给两台性能参数相同的热泵机组。地埋管换热器采用单U形地埋管，规格为D32×3.5。末端装置为风机盘管。

配置2台热泵机组：单台额定制冷量452 kW，额定输入电功率92 kW。单台额定制热量358 kW，额定输入电功率108 kW。配置6台地埋管侧循环泵：单台流量40 m3/h，电机输入电功率5.5 kW，扬程30 m。配置2台用户侧循环泵：单台流量100 m3/h，电机输入电功率15 kW，扬程32 m。

③ 住宅小区C

坐落于济宁，建筑面积为5.2×104m2。地埋管地源热泵系统配置444 个钻孔，每个钻孔深度为100 m。地埋管换热器采用单U形地埋管，规格为D32×3.5。末端装置为风机盘管。

配置2台热泵机组：额定制冷量1 350 kW，额定输入电功率243 kW。额定制热量1 336 kW，额定输入电功率309 kW。配置2台地埋管侧循环泵：单台流量320 m3/h，电机输入电功率45 kW，扬程32 m。配置2台用户侧循环泵：单台流量245 m3/h，电机输入电功率37 kW，扬程32 m。

3 测试方案

3.1 测量仪表与参数

3座住宅小区的地埋管地源热泵系统均未安装数据测量仪器仪表。笔者选取管外超声波流量计、贴片式温度传感器、电流传感器、温湿度记录仪、Fluke数据记录仪等仪器仪表对地埋管地源热泵系统的运行参数进行测量。测量仪表的性能参数及测量参数见表1。Fluke数据记录仪用于采集和记录电流传感器测量的热泵机组、循环泵输入电流。

人工记录：考虑到住宅小区供暖、供冷具有间歇运行的特点，测量人员在每个测试日的22:00进行流量测量。待热泵用户侧、地埋管侧循环水流量稳定后，用管外超声波流量计连续测量30 min。管外超声波流量计具有数据记录功能(数据记录时间间隔设定为1 s)，将30 min测得的数据导出至计算机后，由Excel软件计算30 min的平均流量，作为该测试日的热泵用户侧、地埋管侧循环水流量。

自动记录：除电流传感器配置Fluke数据记录仪外，贴片式温度传感器、温湿度记录仪也配置了数据自动记录仪。热泵机组、循环泵输入电流每15 min记录1次。热泵用户侧、地埋管侧进出水温度每15 min记录1次。室内外温湿度：供暖期每5 min记录1次，供冷期每15 min记录1次。

表1 测量仪表的性能参数及测量参数

3.2 测试时间

由于3座住宅小区分别坐落在不同地点，因此课题组分别派遣3组人员在同一测试期进行测量。截止测试期，3座住宅小区的地埋管地源热泵系统已投入运行3～4 a。

由于被测对象为住宅小区，因此在进行参数测量时应考虑到人员在室情况。对于热泵用户侧循环水流量、热泵地埋侧循环水流量、热泵用户侧进出水温度、地埋管侧进出水温度、热泵机组输入电流、循环泵输入电流，测试时间为每日的18:00至次日8:30，供暖期与供冷期测试时间相同。供暖期测试期为2017年12月25日—2018年3月15日，供冷期测试期为2018年6月12日—9月15日。

对于室内温湿度测试用户，考虑到室内温度响应时间，测试时间为19:00至次日8:30，供暖期与供冷期测试时间相同。供暖期测试期为2018年1月15日—3月20日，供冷期测试期为2018年6月12日—21日。

3.3 室内温湿度测试用户

对于住宅小区A～C，分别选取3个用户进行室内温湿度的测试，分别为距热泵机房最近的1个用户，与热泵机房距离适中的1个用户，距热泵机房最远的1个用户。

3.4 数据处理

在数据处理时，对明显存在问题的数据进行剔除。对处理后的数据，将当前时刻的测量数据认为是上一时刻与当前时刻间的平均值。

4 测试数据及分析

4.1 供暖供冷效果

① 供暖期

在分析各住宅小区供暖期室内温湿度时，笔者选取3座住宅小区中距机房最远的测试用户(以下简称最远测试用户)室内温湿度测试结果进行分析。

供暖期3座住宅小区最远测试用户日均室内温度、日均相对湿度分别见图1、2。由图1、2数据，可计算得到供暖期3座住宅小区最远测试用户测试期平均室内温度分别为23.58、21.35、20.19 ℃，测试期平均室内相对湿度分别为38.25%、45.32%、38.55%。由上述数据可知，在3座住宅小区中，住宅小区B最远测试用户室内相对湿度最高，走访发现，该测试用户供暖期有使用加湿器的习惯，还经常向室内地面洒水，这是导致室内相对湿度较高的主要原因。

根据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》表3.0.2人员长期逗留区域空调室内设计参数，可以判定3座住宅小区供暖期室内热湿环境比较理想。

② 供冷期

在分析各住宅小区供冷期室内温湿度时，笔者仍选取3座住宅小区最远测试用户的室内温湿度测量结果进行分析。

供冷期3座住宅小区最远测试用户日均室内温度、日均相对湿度分别见表2、3。由表2、3数据，可计算得到供冷期3座住宅小区最远测试用户测试期平均室内温度分别为26.81、26.56、26.63 ℃，测试期平均室内相对湿度分别为52.85%、56.39%、57.36%。

根据GB 50736—2012表3.0.2，可以判定3座住宅小区供冷期室内热湿环境比较理想。

4.2 循环水温度

① 供暖期

笔者选取具有连续性的数据进行分析：对住宅小区A，选取2018年1月21日—3月20日的数据。对住宅小区B，选取2017年12月25日—2018年2月21日的数据。对住宅小区C，选取2017年12月26日—2018年1月26日的数据。供暖期3座住宅小区热泵用户侧日均进、出水温度、地埋管侧日均进出水温度分别见图3～5。

图1 供暖期3座住宅小区最远测试用户日均室内温度

图2 供暖期3座住宅小区最远测试用户日均室内相对湿度

℃

表3 供冷期3座住宅小区最远测试用户日均室内相对湿度 %

由图3可知，测试期住宅小区A热泵用户侧日均进出水温度、地埋管侧日均进出水温度比较平稳。测试期热泵用户侧平均进、出水温度分别为37.75、39.74 ℃，热泵地埋管侧平均进、出水温度分别为8.90、6.66 ℃。由图4可知，测试期住宅小区B用户侧日均进、出水温度、地埋管侧日均进出水温度出现小幅波动，测试期热泵用户侧平均进、出水温度分别为36.19、37.23 ℃，热泵地埋管侧(1区)平均进、出水温度分别为17.79、17.23 ℃，热泵地埋管侧(2区)平均进、出水温度分别为12.59、11.24 ℃。由图5可知，测试期住宅小区C热泵用户侧日均进出水温度、地埋管侧日均进出水温度比较平稳，测试期热泵用户侧平均进、出水温度分别为35.46、37.14 ℃，热泵地埋管侧平均进、出水温度分别为12.32、11.66 ℃。

由实测数据可知，这3座住宅小区在供暖期均存在小温差运行的情况。由图1、2可知，供暖期3座小区的室内温度比较理想。由此可以说明，3座小区均存在小温差、大流量运行的情况。

图3 供暖期住宅小区A热泵用户侧日均进出水温度、地埋管侧日均进出水温度

图4 供暖期住宅小区B热泵用户侧日均进出水温度、地埋管侧日均进出水温度

图5 供暖期住宅小区C热泵用户侧日均进出水温度、地埋管侧日均进出水温度

② 供冷期

供冷期3座住宅小区热泵用户侧日均进出水温度、地埋管侧日均进出水温度分别见图6～8。由图6～8可知，供冷期3座小区热泵地埋管侧的进出水温度变化基本合理。供冷期，住宅小区A测试期热泵用户侧平均进、出水温度为16.95、15.47 ℃，住宅小区B测试期热泵用户侧平均进、出水温度为16.15、13.35 ℃，住宅小区C测试期热泵用户侧平均进、出水温度为16.43、14.81 ℃。

由以上数据可知，3座住宅小区均存在小温差运行情况。由表2、3可知，供冷期3座小区的室内温度比较理想。由此可以说明，3座小区均存在小温差、大流量运行的情况。

图6 供冷期住宅小区A热泵用户侧日均进出水温度、地埋管侧日均进出水温度

图7 供冷期住宅小区B热泵用户侧日均进出水温度、地埋管侧日均进出水温度

图8 供冷期住宅小区C热泵用户侧日均进出水温度、地埋管侧日均进出水温度

5 能效比评价

采用供暖期测试时间2017年12月25日—2018年3月15日以及供冷期测试时间2018年6月12日—9月15日的相关测试数据，计算地埋管地源热泵系统供暖期能效比、供冷期能效比。

为方便计算，热泵机组的供暖期制热量、供冷期制冷量以kW·h计。地埋管地源热泵系统供暖期、供冷期能效比I的计算式为：

式中I——地埋管地源热泵系统供暖期、供冷期能效比

Q——热泵机组供暖期制取的热量、供冷期制取的冷量，kW·h

Eu——热泵机组耗电量，kW·h

Ep——循环泵(包括用户侧循环泵、地埋管侧循环泵)耗电量，kW·h

热泵机组供暖期制取的热量、供冷期制取的冷量Q的计算式为：

式中n——实测时间，h

t——时间，h，取1 h

Φi——逐时平均制冷量、制热量，kW

热泵机组制冷量、制热量Φ的计算式为：

Φ=qρcpΔθ

式中Φ——热泵机组制冷量、制热量，kW

q——热泵机组用户侧循环水体积流量，m3/s

ρ——热泵用户侧循环水密度，kg/m3

cp——循环水比定压热容，kJ/(kg·K)，本文取4.186 kJ/(kg·K)

Δθ——热泵机组用户侧循环水温差，℃

供暖期热泵用户侧循环水密度取994 kg/m3，供冷期热泵用户侧循环水密度取999 kg/m3。

热泵机组、循环泵电动机耗电量E的计算式为：

式中E——热泵机组、循环泵电动机耗电量，kW·h

Pi——逐时平均电功率，kW

热泵机组、循环泵电动机电功率P的计算式为[7]：

P=1.732×10-3UIηλ

式中P——热泵机组、循环泵电动机电功率，kW

U——供电电压，V，为380 V

I——实测输入电流，A

η——传输效率，本文取0.95

λ——功率因数，本文取0.85

由实测数据及上述计算式，可计算得到3座住宅小区的供暖期能效比分别为2.89、2.12、3.07，供冷期能效比分别为3.86、2.44、4.11。由计算结果可知，在3座住宅小区中，住宅小区C的供冷期能效比、供暖期能效比均最高，住宅小区A居中，住宅小区B最低。这反映，住宅小区C热泵机组的配置比较合理，运行策略比较得当。

GB/T 50801—2013《可再生能源建筑应用工程评价标准》表6.4.3给出的地埋管地源热泵系统能效比级别划分见表4。

表4 地埋管地源热泵能效比级别划分

GB/T 50801—2013第6.4.4条规定，当地埋管地源热泵系统供暖期、供冷期均使用时，应分别依据表6.4.3中供暖期、供冷期能效比级别分别进行分级，当供暖期、供冷期能效比不同时，按表6.4.3取较低级别。由此可判定住宅小区A为3级，住宅小区C为2级。由于住宅小区B供暖期能效比、供冷期能效比均比较低，未能获得评级。

6 结论

采用实测方法，在供暖期、供冷期对3座采用地埋管地源热泵系统(兼具供暖、供冷)住宅小区A～C的室内温湿度、热泵用户侧循环水温度与流量、热泵地埋管侧循环水温度与流量、热泵机组耗电量、循环泵(热泵用户侧循环泵、热泵地埋管侧循环泵)耗电量进行实测计算。根据GB/T 50801—2013《可再生能源建筑应用工程评价标准》对地埋管地源热泵系统供暖期、供冷期能效比进行级别划分，评价3座住宅小区地埋管地源热泵系统的性能。

① 3座住宅小区供暖期、供冷期室内热湿环境比较理想。

② 3座住宅小区供暖期、供冷期均存在小温差、大流量运行情况。

③ 住宅小区A～C的供暖期能效比分别为2.89、2.12、3.07，供冷期能效比分别为3.86、2.44、4.11。根据GB/T 50801—2013的地埋管地源热泵系统的能效比划分，住宅小区A为3级，住宅小区C为2级，住宅小区B未获得评级。