地源热泵系统低负荷运行状态下能效分析及效益潜力评价研究

孔凡杜 邵银川 邹双英 刘柱 刘启民 马亚弟 梁兴光 李庆林

摘要： 为给地源热泵系统管理和维护、浅层地热能开发利用工程节能减排效果评价及浅层地热能开发利用的推广提供依据，以山东省东昌府区妇幼保健院嘉明分院为例，利用监测的地源热泵系统能效监测系统，对地源热泵系统低负荷运行状态下能效进行了分析，对效益潜力进行了评价。该套系统机组、系统名义能效均达到了1级标准，根据其2022年制冷季能效监测，该套系统机组、系统制冷能效比与系统负荷存在正相关关系，由于建筑物室内用户侧使用率较低，系统负荷不高，实际的机组和系统制冷能效比较低，系统实际使用效益不佳。按照典型年采用温频法计算了系统的制冷季效益潜力，即制冷季常规能源代替量94403kgce，热源价值84971元，节能的热源价值制冷季一次能源节能率40.90%，供冷期二氧化碳减排量233175kg，二氧化硫减排量1888kg，粉尘减排量944kg。

关键词： 浅层地热能；地源热泵系统；低负荷；效益潜力

中图分类号： P314     文献标识码： A    doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.03.007

引文格式： 孔凡杜，邵银川，邹双英，等.地源热泵系统低负荷运行状态下能效分析及效益潜力评价研究［J］.山东国土资源，2023，39（3）：44 50.KONG Fandu， SHAO Yinchuan， ZOU Shuangying， et al. Study on Energy Efficiency and Benefit Potential Evaluation of Ground Source Heat Pump System under Low Load Operation［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（3）：44 50.

0 引言

浅层地热能是蕴藏在地表以下一定深度范围内岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的热能［1］，主要采用地源热泵技术，将蕴藏在浅层地下的低品位热能转化为高品位热能，既可以用于供热又可以用于制冷，是一种清洁、节能、可持续利用的绿色能源［2］，利用前景广阔［3 5］。开发利用浅层地热能对建设美丽中国具有非常重要的意义，是构建资源节约型和环境友好型社会、保障能源安全、改善现有能源结构、促进节能减排战略目标的重要措施［6 9］。

山东省煤田地质局第一勘探队在山东省聊城市东昌府区开展了浅层地热能开发利用示范工程建设项目，项目依托东昌府区妇幼保健院嘉明分院建设 工程，安装精准能效监测系统1套并开展了制冷季（夏季）能效监测工作。由于工程刚刚建成，建筑物用户侧使用率不高（目前僅为15%左右），工程的地源热泵系统处于低负荷运转中，浅层地热能开发利用效益不佳，为了给地源热泵系统管理和维护、浅层地热能开发利用工程节能减排效果评价及浅层地热能开发利用的推广提供依据，对地源热泵系统低负荷运行状态下制冷季能效分析及效益潜力评价进行了研究。

1 区域背景条件

聊城市地处山东省西部，为黄河冲积平原，地势平坦，自西南向东北倾斜，平均坡降约1/7500，海拔高度27.5～49.0m，属于温带季风气候区，具有显 著的季节变化和季风气候特征，属半干旱大陆性气候。聊城春季干旱多风，回暖迅速，光照充足，太阳辐射强；夏季高温多雨，雨热同季；秋季天高气爽，气温下降快，太阳辐射减弱。聊城市年平均气温为13.5℃，气温的季节变化明显，冬季气温最低，1月最冷，平均气温为 1.8℃；夏季气温最高，7月最热，平均气温为26.8℃。极端最高气温为41.8℃（2002年、2009年），极端最低气温为 22.3℃（1990年）。聊城地区制热季（冬季）每年11月中旬至次年3月下旬，制冷季（夏季）6—9月。

２ 地源热泵系统概况

2.1 工程概况

东昌府区妇幼保健院嘉明分院建设工程位于聊城市东昌府区阎寺街道邓王村东北约500m处，建筑面积37729m2，拟服务面积27000m2，场地总面积23160m2，浅层地热能可利用面积12940m2。系统设计总冷负荷2742kW，热负荷2779.8kW。

2.2 地源热泵系统

该工程地源热泵系统类型为地埋管地源热泵系统，系统包括室外系统和机房系统。室外系统设备主要为地埋管换热器及其联管，该工程共施工地埋管换热钻孔619个，单孔设计深度100m，实际总工程量61924.98m，孔径150mm，换热孔间距4m，分布于建筑物周边（图1）；地埋管采用单U型DN32PE100高密度聚乙烯管，地埋管总长度约41800m。机房系统主要设备包括水源热泵机组、循环水泵、定压补水装置、自动软化水装置、软化水箱和空调侧分（集）水器等（表1）。

2.3 监测系统

本次安装了水源热泵机组精准能效监测系统1套，组成的设备有：电磁流量计4台、管道温度传感器4套、三相电度表12只、电流互感器36只、室内温度传感器1套、设备防护箱2套、数字信号隔离转换器18个、压力传感器2个、采集传输终端2套、太阳能室外温度采集传输装置1套及数据传输电缆300m。

本次能效监测为自动监测，能效信息数据采集终端通过管道温度、压力、流量、耗电量等传感器定时采集数据，然后通过地温数据传输终端经移动网络上传至服务器。采集和传输频率可在终端上设置，本次设置的监测频率为30min/次。

2.4 系统运行情况

该工程地源热泵系统制冷工况从2022年5月31日开始，至2022年10月17日结束，累计运行140d（7月17日后部分监测设备故障，受疫情影响暂时无法前往检修）。根据5月31日至7月17日系统制冷季负荷与气温动态曲线图（图2）可以看出，初期由于医院仅启用了办公楼部分办公室，系统负荷较低。2022年6月10日起，医院开始搬迁工作，2022年6月19—29日，使用规模达到最大，建筑物室内用户侧使用率几乎达到了最大，同时由于气温的升高，地源热泵系统开始大规模使用，最大负荷达到916.21kW。随着搬迁工作的结束，医院内仅有部分建筑投入使用，室内用户侧使用率仅有15%左右，系统负荷出现了较大幅度的下降。之后系统负荷主要随着气温的变化而变化。由此可见，影响地源热泵系统负荷的因素主要为建筑使用率和气温，建筑使用率越高、气温越高，系统负荷越大，反之亦然。

由于该建筑工程机房电力系统故障，系统制热期（冬季）未取得监测数据，本次仅对制冷季（夏季）系统效益进行初步分析研究。

3 能效分析

3.1 机组能效

3.1.1 名义能效

本工程水源热泵机组共3台，机组额定制冷量775.6kW，制冷输入功率118.7kW。水源热泵机组制冷能效比、制热性能系数按公式1～2計算［13］：

EER= Q Ni  （式1）

COP= Q Ni  （式2）

式中： EER —水源热泵机组的制冷能效比；

COP —水源热泵机组的制热性能系数；

Q —机组的制冷（热）量（kW）；

Ni —机组的制冷（热）输入功率（kW）。

通过以上公式计算，该工程水源热泵机组名义制冷能效比为6.53，名义制热性能系数为4.82。

水（地）源热泵机组全年综合性能系数就是水（地）源热泵机组在名义制冷工况和名义制热工况下满负荷运行时的能效，与多个典型城市的办公建筑按制冷、制热时间比例进行综合加权得到全年性能系数［14 15］。按公式3计算水源热泵机组全年综合性能系数（ ACOP ）：

ACOP=0.56EER+0.44COP （式3）

按照表2的标准对水源热泵机组进行能效等级划分。

通过计算该工程的水源热泵机组的名义全年综合性能系数（ACOP）为5.79，该工程单台水源热泵机组的名义制冷量（CC）775.6kW，因此该工程的水源热泵机组名义能效等级为1级。

3.1.2 实际能效

根据2022年5月31日—7月16日的监测数据，机组的实际制冷能效比日平均值为3.91～10.13（图3）。从图中还可以看出，运行的初期（2022年5月31日—6月11日）机组制冷能效比较高，平均7.57，且变化幅度较大，由于机组运行尚未稳定，其能效不具有代表性；6月12日—6月21日机组制冷能效比平均5.53，先有所减小之后逐渐升高，且变化幅度随着机组使用时间逐渐减小；2022年6月22—29日，医院开始大规模搬迁工作，地源热泵系统开始大规模使用，机组制冷能效比有一定的提高，当负荷增大至一定数值时（负荷约916kWh，负荷率约39%）机组制冷能效比再无明显增加，平均6.26，与机组的名义制冷能效比6.53相差不大，说明此时机组运行达到了较好的状态；之后随着医院搬迁工作的逐渐完成，系统运行负荷降低，机组制冷能效比也随着降低，可见机组制冷能效比与负荷存在一定的正相关关系。由于系统负荷率［16］较低，机组能效总体不高，平均2.42。

3.2 系统能效

3.2.1 名义能效

该工程地源热泵系统主要的能耗设备除了水源热泵机组外，还有循环水泵和定压补水装置。其中循环水泵有8台（空调侧和地源侧各4台），6台使用2台备用，单台水泵功率30kW；定压补水装置共2台（空调侧和地源侧各1台），每台分别配备2台补水泵，1台使用1台备用，单台水泵功率空调侧0.55kW，地源侧0.75kW。地源热泵系统制冷能效比、制热性能系数按公式4—公式7计算：

EERSYS= QSC ∑Ni+∑Nj  （式4）

COPSYS= QSH ∑Ni+∑Nj  （式5）

QSC=∑ni=1qciΔTi （式6）

QSH=∑ni=1qhiΔTi （式7）

式中： EERSYS —地源热泵系统的制冷能效比；

COPSYS —地源热泵系统的制热性能系数；

QSC —地源热泵系统累计制冷量（kWh）；

QSH —地源热泵系统累计制热量（kWh）；

∑Ni —地源热泵系统所有热泵机组消耗的电量（kWh）；

∑Nj —地源热泵系统其他设备消耗的电量（kWh）；

qci —地源热泵系统第 i 时段制冷量（负荷）（kW）；

qhi —地源热泵系统第 i 时段制热量（负荷）（kW）；

ΔTi —第 i 时段持续时间（h）；

n —地源热泵系统采集数组数。

通过计算，理论上该工程地源热泵系统满负荷运行时系统制冷能效比（ EERSYS ）为4.33，系统制热性能系数（ COPSYS ）为3.51。

按照表3对地源热泵系统性能级别进行划分［13］，该工程地源热泵系统性能级别夏季为1级，冬季为1级，综合级别为1级。

3.2.2 实际能效

根据2022年5月31日—7月16日的监测数据，系统的每日实际制冷能效比0.09～6.19，平均2.20（图4）。已知系统的名义制冷能效比为4.33，可以看出系统的制冷能效比前期大部分时间低于其名义值，说明系统早期运行未达到稳定状态，造成系统制冷能效较低。从系统制冷能效曲线图中可以看出，系统制冷能效比与系统运行负荷存在明显的正相关关系，开始时系统制冷能效比随着系统运行负荷的增加而增加，当负荷增大至一定数值时（负荷约916kWh，负荷率约39%）系统制冷能效比便不明显增加，而是趋于稳定，此时平均值为4.39，已达到夏季系统性能1级级别，并略大于系统名义制冷能效比，进一步说明系统制冷运行状态良好，并逐渐达到了最佳状态并趋于稳定。之后随着系统负荷的降低，系统制冷能效比也随之降低。

3.3 规律分析

通过以上能效分析可以看出，该套系统机组、系统制冷能效比与系统负荷存在正相关关系，可以采用建筑使用率最大的2022年6月19日—29日的监测资料来研究二者的相关关系。首先以系统负荷为X轴、以系统能效比为Y轴将监测数据绘制与直角坐标系中，利用EXCEL趋势线功能［17］，为各坐标点添加趋势线，通过对不同趋势线类型对比发现，对数型的趋势线拟合程度最高（R2=0.8137），最终得到拟合曲线公式8。

EERSYS=0.701 ln （qci）-0.1546 （式8）

4 效益潜力分析

4.1 实际效益

以常规能源代替量的热源价值为指标来评价地源热泵系统的制冷季经济效益。

制冷季常规能源代替量按公式9进行计算：

Qsc=Qtc-Qrc （式9）

式中： Qsc —制冷季常规能源代替量（kgce）；

Qtc —制冷季传统系统的总能耗（kgce）；

Qrc —制冷季地源热泵系统的总能耗（kgce）。

系统相对于常规供冷方式的一次能源节能率按公式10计算：

ηc= Qsc Qtc  （式10）

式中： ηc —制冷季一次能源节能率（%）；

对于空调系统，传统系统的总能耗 Qtc 可按公式11计算：

Qtc= DQc EERt  （式11）

式中： QC —制冷季累计冷负荷（kWh）；

D —每度电折合所耗标准煤量（kgce/kWh）；

EERt —传统制冷空调方式的系统能效比，可按表4确定，取2.8。

制冷季地源熱泵系统的总能耗 Qrc 可按公式12计算：

Qrc=DNC （式12）

式中： NC —制冷季地源热泵系统累计耗电量（kWh）。

制冷季地源热泵系统常规能源代替量的热源价值按公式13：

Vc=P Qscq 3.6  （式13）

式中： Cs —地源热泵系统的年节约费用（元/年）；

P —常规能源的价格（元/kWh）；

q —标准煤热值（MJ/kgce），取29.307MJ/kgce。

常规能源价格 P 按公式14计算：

P= Pr R  （式14）

式中： Pr —当地煤的价格（元/kg），取当地当前煤炭价格0.900元/kg；

R—煤的热值（kWh/kg），取8.14kWh/kg；

地源热泵系统的二氧化硫减排量应按公式15计算：

QCO2=QsVCO2 （式15）

式中： QSO2 —二氧化碳减排量（kg/年）；

VCO2 —标准煤的二氧化碳排量因子，取2.47。

地源热泵系统的二氧化硫减排量应按公式16计算：

QSO2=QsVSO2 （式16）

式中： QCO2 —二氧化硫减排量（kg/年）；

VSO2 —标准煤的二氧化硫排量因子，取0.02。

地源热泵系统的粉尘减排量应按公式17计算：

Qfc=QsVfc （式17）

式中： Qfc —粉尘减排量（kg/年）；

Vfc —标准煤的粉尘排量因子，取0.02。

根据本次监测数据，2022年5月31日—7月16日地源热泵系统累计耗电量 NC 为107191kWh，累计冷负荷 QC 为281659kWh，每度电折合所耗标准煤量为0.32kgce/kWh，代入以上公式可以计算出制冷季常规能源代替量 Qsc 为 2111.52kgce。可见，系统实际的效益较差，总体上未能达到节能效果。

根据前文分析，该系统制冷能效比与系统负荷呈正相关的关系，由于在监测期间大多时间室内末端系统使用率较低，造成系统负荷较低，进而使得系统制冷能效比降低。根据公式8可知，系统制冷能效比与系统耗电量呈反比，系统制冷能效比低，对应的系统相对耗电量增加，从而降低了系统的节能效果。

4.2 系统效益潜力分析

地源热泵系统效益潜力，即为在当地气候条件下，建筑物室内用户侧全部使用时的地源热泵系统最大可节能的经济效益和环境效益。

对于一套地源热泵系统来说，在当地气候条件下，当地最高气温时系统冷负荷不得大于机组最大制冷量，以此为条件，采用温频法［18］来计算制冷季系统最大累计冷负荷。制冷季累计冷负荷按公式18计算：

QO= tN-tO tN-tE QE （式18）

式中： QO —室外温度为 tO 时的建筑物冷负荷（kW）；

tN —建筑物夏季室内设计温度（℃）；

tO —建筑物夏季室外温度（℃）；

tE —建筑物夏季室外监测温度（℃）；

QE —供室外温度为 tE 时的建筑物冷负荷（kW）。

室外温度按典型年数据选取（参考《中国建筑热环境分析专用气象数据集》），聊城市室外最高温度37.2℃，室内设计温度24℃，对应的建筑物冷负荷就是机组最大制冷量2326.8kW。根据公式求出每一温频下的冷负荷，再将冷负荷与对应温频下的小时数相乘并累加即可算出制冷季累计冷负荷 QC 。不同冷负荷对于的系统制冷能效比参与公式8计算，具体计算结果见表5。

通过计算，该系统典型年制冷季累计冷负荷为2019797.94kWh，系统累计能耗426348.1kWh。代入公式9～15，系统制冷季地源热泵系统的总能耗136431kgce，制冷季传统系统的总能耗230834kgce，制冷季常规能源代替量94403kgce，热源价值84971元，节能的热源价值制冷季一次能源节能率40.90%，供冷期二氧化碳减排量233175kg，二氧化硫减排量1888kg，粉尘减排量944kg。

5 討论

（1）由于建筑工程机房电力系统故障，系统制热季（冬季）未取的监测数据，本次仅对制冷季（夏季）系统效益进行初步分析研究。对于系统供热季的能效分析和效益潜力评价亦可采用本次方法开展。

（2）本次工作对系统效益潜力的分析未考虑场地地下岩土体冷热均衡问题［19 20］，该工程已建立了场地地温场的监测系统，下一步根据其长期监测资料，开展场地地下岩土体冷热动态均衡状态下系统能效及效益潜力的分析评价工作，为其浅层地热能的科学高效利用提供依据。

6 结论

（1）该套系统机组名义制冷能效比为6.53，名义制热性能系数为4.81，水源热泵机组的全年综合性能系数为5.78，机组能效等级为1级。系统名义制冷能效比为4.33，系统制热性能系数为3.51，系统性能级别夏季为1级，冬季为1级，综合级别为1级。

（2）该套系统机组、系统制冷能效比与系统负荷存在正相关关系。由于建筑物室内用户侧使用率较低，系统负荷不高，实际机组和系统制冷能效比较低，系统实际制冷效果和效益不佳。

（3）按照典型年计算系统的效益潜力，即制冷季常规能源代替量94403 kgce，热源价值84971元，节能的热源价值制冷季一次能源节能率40.90%，供冷期二氧化碳减排量233175kg，二氧化硫减排量1888kg，粉尘减排量944kg。

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Study on Energy Efficiency and Benefit Potential Evaluation of   Ground Source Heat Pump System under Low Load Operation

KONG Fandu， SHAO Yinchuan， ZOU Shuangying， LIU Zhu， LIU Qimin， MA Yadi， LIANG Xingguang， LI Qingling

（No.1 Exploration Brigade of Shandong Coalfield Geology Bureau，Research Center for Low Carbon Energy and Carbon Neutralization Engineering，Shandong Qingdao 266500， China）

Abstract： For shallow geothermal energy development and utilization projects with low utilization rate on the user side of buildings， the ground source heat pump system is in low-load operation， which is often not energy efficient and has poor benefits. In order to provide a basis for the management and maintenance of ground source heat pump system， the evaluation of energy saving and emission reduction effects of shallow geothermal energy development and utilization projects， and the promotion of shallow geothermal energy development and utilization， taking Jiaming branch hospital of Dongchangfu Maternal and Child Health Care Hospital as an example， the energy efficiency of ground source heat pump system under low load operation has been analyzed by using the monitored ground source heat pump system energy efficiency monitoring system， and the benefit potential has been evaluated. According to refrigeration season energy efficiency monitoring in 2022， the energy efficiency ratio of this system unit and system refrigeration has a positive correlation with the system load. Due to the low utilization rate of the indoor user side of the building， the system load is not high， the actual unit and system cooling energy efficiency is relatively low， and the actual use of the system is not good. In this paper， the cooling season benefit potential of the system has been calculated by using the temperature frequency method according to the typical year， that is， the conventional energy substitution amount in the cooling season is 94403kgce， the heat source value is 84971 yuan， the energy-saving heat source value is 40.90% in the primary energy saving rate in the cooling season， the carbon dioxide emission reduction is 233175kg， the sulfur dioxide emission reduction is 1888kg， and the dust emission reduction is 944kg.

Key words： Shallow geothermal energy; ground source heat pump system; low load; benefit potential