基于实测数据的地源热泵系统应用效果分析

汪雨清，张文宇，王慧丽（上海市建筑科学研究院有限公司， 上海 201108）

随着节能减排工作的有效推进，可再生能源建筑一体化应用越来越普遍，在国家大力的政策法规支持和驱动下，作为可再生能源利用的典型代表，地源热泵技术在我国实际工程中得到了广泛的推广和应用[1]。国家整体的地源热泵应用发展日益加快。

为有效揭示不同类型建筑应用地源热泵系统后的实际效果，本文通过对某公共建筑（商业建筑）和某居住建筑应用土壤源热泵系统，基于两类建筑在夏季和冬季两种工况运行下的实测数据，总结分析了两类建筑在不同工况下的运行性能。希冀可为后续同类气候区的不同类型建筑应用地源热泵系统做参考。

1 应用项目概况

1.1 典型公共建筑

某商业建筑位于上海地区，商场建筑地上 4 F，地下 1 F，总建筑面积 8.40 万 m2，项目空调冷热源采用 2 台离心式地源热泵机组（名义制冷量 2 813 kW，名义制热量 2 817 kW）和 3 台离心式冷水机组（名义制冷量 2 800 kW）相结合的空调形式。地源热泵系统为土壤源热泵系统，地埋管数量按冬季热负荷确定，夏季冷负荷多余部分由常规离心式冷水机组承担，并配备 2 台冷却塔排除夏季多余热量。项目共有 1 360 口单 U 形井，各井深度 100 m，埋管间距 4 m。整个冷热源配套冷却水泵、地源侧循环水泵、冷冻水泵、热水泵各 3 台，冬夏季运行工况通过阀门进行切换。

1.2 典型居住建筑

居住项目由 2 栋 19 F 高层住宅、4 栋 22 层高层住宅及其配套设施组成，地下室连通，总建筑面积为 6.7 万 m2。项目空调冷热源采用 2 台螺杆式地源热泵机组（名义制冷量1 549 kW，名义制热量 1 654 kW）、2 台螺杆式冷水机组（2 603 kW）、2 台燃气热水锅炉（名义制热量 2 450 kW）及热泵式溶液调湿新风机组。地源热泵系统采用土壤源热泵系统，地埋管数量按冬季热负荷进行确定，夏季冷负荷多余部分由螺杆式冷水机组承担，同时辅助设置 2 台冷却塔排除夏季多余热量。项目设置地埋管共 837 支，分 14 片区，设14 组供回水管。项目整个冷热源配套冷却水泵、地源侧循环水泵、地源热泵负荷侧循环水泵、冷冻水泵各 3 台，一次热水循环泵 5 台，空调热水循环泵 2 台。项目运行冬夏季工况通过阀门进行切换。

2 测试及处理概况

2.1 测试设备

测试参数包括了地源热泵机组蒸发器和冷凝器进出、口水温，地埋管侧供、回水温度，地埋管侧水流量，用户侧水流量，热泵机组电功率、循环水泵电功率，以及室内温湿度。其中：室内温湿度测试采用精密数字温湿度计，精度±0.2 K；水流量测试采用超声波流量计，精度±1.0%；水温度测试采用温度自记仪，精度 ±0.1 K；电功率测试采用三相四线电力分析仪，精度±1.0%。

2.2 实测时段

针对商业建筑和居住建筑的实测日期，如表 1 所示。

表 1 夏季、冬季实测时段

2.3 实测室外气温

测试时的室外气温，如表 2 所示。

表 2 夏季、冬季实测室外参数

2.4 热泵实测运行情况

为真实反映两类建筑地源热泵系统实际运行性能，依据建筑物实测期间实际所需，按需运行地源热泵机组。实际测试期间，公共建筑地源热泵系统运行工况为：开启 2 台地源热泵机组（1 号和 2 号），2 台地源侧循环水泵，2 台用户侧循环水泵。居住建筑地源热泵系统运行工况为：开启 1 台地源热泵机组，1 台地源侧循环水泵，1 台用户侧循环水泵。

2.5 数据处理计算方式

为有效分析各类型建筑不同运行工况下的实测数据，本次处理数据所需指标分别如表 3 所示。

表 3 处理计算指标公式及参数定义

3 实测数据分析

为真实反映典型工况下地源热泵机组及系统的运行性能，计算分析了地埋管侧和用户侧换热量、机组负荷率、机组及系统性能系数等指标。分析中涉及的建筑 A 代表商业建筑，建筑 B 代表居住建筑。

3.1 基础实测数据

本次实测的典型公共建筑和居住建筑地源热泵系统的相关参数如表 4 所示。

3.2 运行性能分析

计算夏季运行工况和冬季运行工况下两类建筑地源热泵系统的实际运行性能，分别如图 1 和图 2 所示。其中各机组性能系数对应的实际运行负荷率如表 5 所示。

表 4 地源热泵实测基础参数表

图 1 典型不同类型建筑地源热泵实测机组性能系数

图 2 典型不同类型建筑地源热泵实测系统性能系数

表 5 地源热泵机组实际运行负荷率

由图 1、2 并依据 GB/T 50801—2013《可再生能源建筑应用工程评价标准》可知，案例中的公共建筑和居住建筑的地源热泵系统实测性能系数均高于国标规定地源热泵“系统制冷能效比 EERsys≥3.0，系统制热性能系数 COPsys≥2.6”的要求，也高于DG/TJ 08—2162—2015《可再生能源建筑应用测试评价标准》规定的地源热泵“系统制冷能效比 EERsys≥3.2，系统制热性能系数COPsys≥2.8”的要求。说明在上海地区，根据建筑物实际所需，合理运行地源热泵系统，可大幅提升系统运行能效，降低建筑物整体能耗。此外，由图 1 可知，机组在典型夏季和冬季工况下运行时，负荷率达到 70% 以上时，机组性能系数分别保持在 4.4～5.1 和 5.1～5.3 之间，运行效果良好。

3.3 运行经济性分析

分别根据实测机组及系统运行性能，估算典型公共建筑每年可节约运行费用 58.99 万元，典型居住建筑每年可节约运行费用 43.90 万元，具有一定的经济效益。

4 结 语

通过实测公共建筑和居住建筑各自应用的地源热泵系统，分析可得如下结论。

（1）两类典型建筑应用地源热泵系统后，为保证地源热泵系统保持高负荷率，应制定有效的运行策略，确保按需运行。

（2）实测典型公共建筑和居住建筑地源热泵系统运行工况下，可知机组夏季运行性能系数可达到 4.4 以上，冬季运行性能系数可达 5.1 以上，运行效果良好；系统运行能效夏季可达在 3.2 以上，冬季运行能效可达 2.8 以上。

（3）典型公共建筑和居住建筑应用地源热泵系统，每年均可节约一定的运行费用，有利于节约建筑整体能耗，减少一次能源消耗。