单元式地源热泵系统冬季在宿州地区的应用分析

2021-05-27何健程海峰张明根王庚吴军

安徽建筑 2021年5期

何健，程海峰，张明根，王庚，吴军

（1.安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽合肥 230601；2.建筑能效控制与评估教育部工程研究中心，安徽合肥 230601；3.智能建筑与建筑节能安徽省重点实验室，安徽合肥 230601；4.安徽省两淮建设有限公司宿州分公司，安徽宿州 234000；5.东华大学，上海 201620）

0 前言

当今社会各个国家所面临的两个重大危机是能源资源紧缺与可再生新能源的合理利用与开发。我国也越来越注重能源的节约和新型能源的开发。目前，我国农村地区建筑能耗总量已经达到3.1亿吨标准煤，占中国建筑能源消耗总量的1/3。尽管农村居民家庭的平均能源消耗量低于城镇居民，但是由于各种条件的限制，农村的生产生活方式一直落后于城镇。随着国家经济的迅速发展，人民生活水平的显著提高。农村居民对日常生活环境也有了新的要求。特别是在室内热湿环境与空气品质方面有更高的需求。传统农村居民住宅建筑以消耗煤炭和电力等不可再生能源为代价通过取暖炉采暖。据统计，燃煤、燃气和电力等商品能源占农村地区能源使用总量的70%。虽然我国脱贫攻坚战已经取得了全面胜利，但全国农村人口数量多，农村居民家庭的总能源消耗量远高于城镇居民，并且对于煤、电和燃气的户均用量仍在不断提高。为迫切解决农村民居建筑冬季采暖问题，充分利用清洁制冷技术至关重要。浅层地热能是一种新型的优质环保能源，具有可再生、储量大、清洁环保等优点。并且热泵是一种广泛应用于建筑物的供暖和空气调节的节能环保技术。可以通过热泵技术有效利用低位能源来代替一部分高位能源，如煤炭、天然气等，以达到节约高位能源的目的。

本文以安徽省宿州地区典型民居住宅建筑为例，设计一套适用于单体建筑的小型单元式地源热泵研究试验平台，通过数据采集仪实时监测并记录动态数据，用0rigin对数据进行分析处理，掌握运行特性及节能环保性，为小型单元式地源热泵系统冬季在宿州地区的应用提供依据。

1 试验对象选取及试验平台设计

1.1 试验对象

本试验对象选址安徽省宿州市埇桥区，为某典型单层民用居住建筑地源热泵采暖系统，安徽省宿州市埇桥区是全国最大的县级区，位于安徽省北部，北邻苏铜山县，东界灵璧县，南与固镇县、怀远县比邻，西与萧县，淮北市接壤。总面积2906km，属于丘陵与平原的过渡地区。宿州市是半湿润季风气候，气候特点为夏冬两季相对于其他两季时间长且冬季干寒，夏季多雨，属于典型的夏热冬冷地区。宿州市年平均温度14.7℃，夏季室外平均温度35℃，相对湿度66%，平均风速2.4m/s；冬季室外平均温度-5.6℃，相对湿度68%，平均风速2.22.4m/s。选取的宿州市埇桥区农村民用居住建筑具有普遍代表性,建筑面积120m，外墙采用砖墙并以铺设保温材料填充。建筑平面图如图1所示。

图1 宿州地区典型民居建筑平面图

1.2 试验平台设计

浅层地热能资源可存赋于岩土、地下水以及地表水当中。根据不同的地热能赋存条件借助地源热泵系统可以实现热量的转换与传输。本试验平台是设计一种适用于宿州市埇桥区民居建筑地源热泵采暖系统，对其动态数据检测并进行分析得出热泵机组动态能效曲线及平均能效值，与常规集中供热或取暖炉供热系统对比，得出整个供暖季单位供暖面积节约能源以及减少有害污染物排放数量。

本试验平台由四部分组成：地源换热交换端、热泵机组、负荷侧、数据监测平台。

地源换热热交换端将埋管换热器埋入地下，通过通过传热介质在埋管中循环，利用传热介质与地下岩土、地下水之间存在温差进行热量交换。将热量通过热泵机组运送到负荷侧。与此同时数据检测平台实时监测记录数据，具体监测数据如表1所示。

数据检测仪数据监测参数表1

由于地下岩土具有非常好的稳定性，保证试验系统运行时不受其他因素干扰，确保试验获得数据准确可靠，试验平台系统中负荷侧选择地下埋管换热形式替代实际农村民居建筑，且设置埋管与地下换热量与民居所需冬季热量相同，在供回水温度变化时，控制水泵变频流量得以实现热量稳定，本文以如上宿州市埇桥区民居建筑为例，控制负荷侧所需热量7.8 kW。

由于热泵系统冬夏转换特性，本试验中地源热交换端与负荷侧热交换端可以进行互换。因此可以设置两种不同埋管换热器作为对比。得出不同埋管换热器在同一条件下的的运行特性。本文中试验平台两热交换端由管径为De25双U闭式地埋管和管径为De32单U闭式地埋管组成。本试验平台系统图如图2所示。

图2 试验平台系统图

2 试验测试方案与结果分析

2.1 试验测试方案

①充分预热试验平台，开启试验平台中两侧地下换热端，监测两侧供回水温度、水泵流量、压力损失等数据。此状态下仅依靠运转水泵促使埋管内传热介质循环，促使传热介质温度地下温度场温度一致，计算两种不同地下埋管形式在同种工况下达到温度一致的时间差值，总结得出更适宜农村地区民居建筑采用的埋管形式。

②在充分预热试验平台前提下，开启热泵机组主机，设置所需加负荷，本文设置数值7.8kw，监测两侧供回水温度、水泵流量、压力损失、热泵机组功率等数据。

③关闭试验平台并导出数据。

2.2 试验测试结果分析

根据安徽省宿州市气候特点，将5月1日至9月30日定为供冷季，共153天；11月15日至3月15日定为供暖季，共120天，其余时间为过渡季节。本文实验平台运行获取数据时间为2020年 12月 25日 09：00—2020年 12月31日08:59，测试时间共计144小时，数据收集时间间隔为1分钟/次。

①充分预热试验平台时试验数据如图3所示，测试平台当天室外平均温度为4℃，平台系统启动前两埋管内传热介质温度相同，开启系统后，因为试验平台预热阶段，地源侧与负荷侧水泵均按定频运行，即流速与地埋管地下埋深均相同的情况下，管径为De32单U闭式地埋管换热器早于管径为De25双U闭式地埋管换热器达到与地下温度场温度一致。从系统预热时间上来讲，单U地埋管换热器相比双U型性能表现更为优秀。

图3 试验平台预热阶段两地下热交换侧供回水温度变化曲线图

另外由图3可知，在76min时，两埋管换热器内传热介质温度基本相同，此时温度可以作为初始地下温度场温度，简称初始地温，本试验平台初始地温18.1℃。

图3中：通道01为管径为De32单U闭式地埋管供水温度，（℃）

通道05为管径为De32单U闭式地埋管回水温度，（℃）

通道02为管径为De25双U闭式地埋管供水温度，（℃）

通道06为管径为De25双U闭式地埋管回水温度，（℃）

②为保证试验准确性，在两侧地下热交换端埋管内传热介质均已达到初始地温时，开启热泵机组，加载所需热量，本文以宿州市埇桥区民居建筑为例，控制负荷侧所需热量7.8kw。本文试验数据计算以典型日内5小时（300min）数据进行计算。数据监测曲线如图4所示。

图4 加载7.8kw负荷情况下两地下热交换侧供回水温度变化曲线图

根据地源侧换热量计算公式：

式中：Q—地源侧换热量，（W）。

ρ—水密度，kg/m，本文取 ρ=1000 kg/m。

C—水比热容，kJ/（kg℃），本文取C=4.2kJ/（kg℃）。

T—供水温度，℃。

T—回水温度，℃。

G—水流量，m/h。

Q—热泵系统冬季实际制热量，W。

P—热泵机组功率，W。

根据图4加载负荷7.8kw工况下两地下热交换侧供回水温度变化曲线图可以获得T、T数值，由此可计算热泵机组实时实际制热量，并绘制成实时实际热泵机组制热量曲线图。如图5所示。

图5 实时制热量曲线图

实时热泵功率监测曲线图依靠数据采集仪获得，如图6所示。

图6 热泵功率动态监测曲线图

冬季性能系数计算公式：

式中：COP—热泵机组冬季性能系数，（W/W）。

Q—热泵机组实际制热量，（W）。

P—热泵功率，（W）。

根据图5与图6中数据可以计算求得本试验平台中地源热泵机组实时冬季性能系数比，并将其绘制成数据曲线，如图7所示。根据计算结果可知：本实验平台单元式地源热泵换热机组冬季稳定运行时COP值介于4～5之间，平均COP值为4.89，因此可以得出结论在宿州农村地区民居建筑冬季适宜使用小型单元式地源热泵系统采暖。

图7 热泵机组实时cop曲线图

3 试验系统节能计算与分析

3.1 试验系统节能计算

众所周知，每消耗1kWh电能可以产生3600kJ热量，而当前能源制度规定每千克标准煤含有热量29307kJ。因此电力折标当量系数为3600kJ/kW·h÷29307kJ/kgce=0.1229 kgce/kW·h。

由公式：

M=P×24×D×0.1229

式中：M—标准煤；kgce。

P—热泵机组运行功率，kW。

D—采暖季采暖天数，宿州地区冬季采暖季采暖天数为120d。

经计算可得：在安徽省宿州市埇桥区某典型单层民用居住住宅整个供暖季采用地源热泵系统采暖所消耗电力总量为5184 kWh，换算为标准煤消耗量为637.12kgce，因本项目采暖面积120m，在整个供暖周期内单位面积供热所需标准煤消耗量为5.31kgce/（m供暖季）。

燃煤锅炉集中供热采暖方式单位采暖面积消耗标准煤量为20kgce/（m供暖季）。在典型农村单层民用居住建筑中选择小型单元式地源热泵采暖方式与燃煤锅炉集中供热采暖方式相比较可以得出：在整个供暖季中，地源热泵系统采暖单位建筑面积可以节约标准煤量为14.69kgce。节能率为73.4%。在整个供暖季可节约标准煤量为1.76288tce。

3.2 有害物减排量和减排节省治理费用计算

根据选择地源热泵供暖方式，整个供暖季可节约标准煤量为1.76288tce。可以计算有害物减排量和减排节省治理的费用。由于煤灰渣现可以被二次利用，如铺路、炼水泥等，故这里不作为有害物计算。本文仅考虑 CO、SO、NO和粉尘等有害物减排量和减排节省治理费用。

①CO减排量和减排节省治理费用计算

减排CO量＝节煤量×2.386

=1.76288×2.386=4.206t

节省费用＝CO(吨)×100（元 /吨）

=4.206×100=420.6 元

②SO减排量和减排节省治理费用计算

减排SO量＝节煤量×0.017

=1.76288×0.017=0.03t

节省费用＝SO（吨）×1100（元/吨）

=0.03×1100=33 元

③NO减排量和减排节省治理费用计算

减排NO量＝节煤量×0.006

=1.76288×0.006=0.011t

节省费用＝NO（吨）×2400（元/吨）

=0.011×2400=26.4 元

④粉尘减排量和减排节省治理费用计算

减排粉尘量＝节煤量×0.008

=1.76288×0.008=0.014t

节省费用＝粉尘（吨）×800（元/吨）

=0.014×800=11.2 元

经计算可得：在整个供暖季CO减排量4.206吨，减排CO节省治理费用420.6元；SO减排量0.03吨，减排SO节省治理费用33元；NO减排量0.011吨，减排NO节省治理费用26.4元；粉尘减排量0.014吨，减排粉尘节省治理费用11.2元。共计减排有害污染物4.261吨，减排节省治理费用共计491.2元。