武汉地埋管地源热泵系统能效测试分析

胡志高, 胡平放, 王彦芳, 康 杰, 朱 娜, 雷 飞

(1.湖北风神净化空调设备工程有限公司, 湖北 武汉 430060; 2.华中科技大学 环境科学与工程学院, 湖北 武汉 430074)

1 概述

地埋管地源热泵由于节能环保、可再生优势突出,在国内外得到良好发展[1-2]。地埋管地源热泵系统的设计、施工、运行管理等都是该领域研究的重点,对地埋管地源热泵的发展十分重要。同时,一大批项目已运行多年,对这些项目的效果与系统性能进行后评估,可更好总结地埋管地源热泵系统的设计施工及运行管理经验。张孝鼎等人[3]对某办公楼地埋管地源热泵空调系统进行能效测评,对热泵机组和空调系统性能进行现场检测,依据结果评估了项目节能效益、环境效益、经济效益。马勇[4]重点分析了20个地埋管地源热泵系统能效的检测结果。胡先芳等人[5]对武汉市7个地埋管地源热泵项目进行测试并对冬季运行状况进行了具体分析。彭谦等人[6]对长沙市公共建筑、居住建筑地埋管地源热泵、地下水地源热泵、地表水地源热泵项目进行实测,分析了地源热泵系统性能与节能减排效果。任永林等人[7]对毕节市某医院室外温度、供热量、耗电量等数据进行115 d监测,分析地埋管地源热泵系统能效水平。

虽然地埋管地源热泵系统后评估工作在国内已有部分先例,但总体上开展较少,仍需持续进行。本文对武汉部分公共建筑地埋管地源热泵系统运行参数进行测试,对系统能效水平进行评价。将传统供能系统(常规水冷冷水机组+天然气锅炉)作为比较对象,计算地埋管地源热泵系统节能率。

2 系统概况

在武汉近年建设的公共建筑地埋管地源热泵项目中选择10个项目进行测试与能效水平评价。公共建筑面积为8 500～100 523 m2,基本为办公建筑。所有项目的地埋管均采用竖直式地埋管,项目1、8、9采用桩基地埋管与竖直钻孔地埋管结合,其他项目均采用竖直钻孔地埋管。为防止向土壤过度排热,所有项目均配置冷却塔。此外,项目8、9配置了冰蓄冷装置。项目2为分散式小型地埋管地源热泵机组,按户设置,每户的热泵机组按各自设计负荷配置。

项目1:建筑面积8 588 m2,设计冷负荷880 kW,设计热负荷560 kW。桩基140个,钻孔72个,钻孔中心距3.6 m×8.4 m。桩基深30 m、直径800 mm,钻孔深90 m、直径150 mm。桩基地埋管采用双U形,地埋管公称外径32 mm。钻孔地埋管采用单U形,地埋管公称外径32 mm。热泵机组2台:1台额定制冷量583.2 kW、额定制热量603.5 kW,1台额定制冷量307.1 kW、额定制热量325.8 kW。

项目2:建筑面积10 592 m2,设计冷负荷1 048 kW,设计热负荷838 kW。钻孔155个,钻孔中心距4.0 m×4.0 m。钻孔深80 m、直径110 mm。地埋管采用单U形、公称外径32 mm。热泵机组共210台:157台额定制冷量6.4 kW、额定制热量7.3 kW,41台额定制冷量8.4 kW、额定制热量9.6 kW,1台额定制冷量3.6 kW、额定制热量4.6 kW,11台额定制冷量5.7 kW、额定制热量6.8 kW。

项目3:建筑面积14 533 m2,设计冷负荷1 400 kW,设计热负荷830 kW。钻孔270个,钻孔中心距5.0 m×5.0 m。钻孔深60 m、直径150 mm。地埋管采用双U形、公称外径32 mm。热泵机组2台,每台额定制冷量766 kW、额定制热量820 kW。

项目4:建筑面积8 500 m2,设计冷负荷530 kW,设计热负荷350 kW。钻孔56个,钻孔中心距5.0 m×5.0 m。钻孔深100 m、直径150 mm。地埋管采用双U形、公称外径25 mm。热泵机组2台:1台额定制冷量239.9 kW、额定制热量240.1 kW,1台额定制冷量304.2 kW、额定制热量337.4 kW。

项目5:建筑面积345 900 m2,其中237 000 m2需单独供冷,设计冷负荷35 000 kW,设计热负荷5 400 kW。钻孔1 200个,钻孔中心距4.0 m×4.0 m。钻孔深90 m、直径150 mm。地埋管采用单U形、公称外径32 mm。热泵机组2台,每台额定制冷量2 988.6 kW、额定制热量3 024.2 kW。离心式冷水机组4台,每台额定制冷量7 032 kW。

项目6:建筑面积31 018 m2,设计冷负荷3 070 kW,设计热负荷1 840 kW,设计生活热水负荷760 kW。钻孔571个,钻孔中心距4.0 m×4.0 m。钻孔深100 m、直径150 mm。地埋管采用双U形、公称外径25 mm。地源热泵机组3台:其中2台的单台额定制冷量1 171 kW、额定制热量944 kW,1台额定制冷量754 kW、额定制热量608 kW。

项目7:建筑面积17 871 m2,设计冷负荷970 kW,设计热负荷730 kW。钻孔288个,钻孔中心距5.0 m×5.0 m。钻孔深75 m、直径150 mm。地埋管采用双U形、公称外径32 mm。热泵机组1台,额定制冷量970 kW、额定制热量994 kW。冷水机组2台,每台额定制冷量791 kW。

项目8:建筑面积100 523 m2,设计冷负荷6 080 kW,设计热负荷4 600 kW。桩基290个,钻孔546个,钻孔中心距5.0 m×5.0 m。桩基深19 m、直径800 mm,钻孔深90 m、直径150 mm。桩基地埋管采用双U形,地埋管公称外径32 mm。钻孔地埋管采用双U形,地埋管公称外径32 mm。三工况(制冷、制冰、制热)热泵机组4台:每台空调工况额定制冷量1 443.3 kW、制冰工况额定制冷量969.4 kW、额定制热量1 595.0 kW。全热回收型热泵基载主机1台,额定制冷量367.9kW、额定制热量395.9 kW。

项目9:建筑面积30 048 m2,设计冷负荷5 220 kW,设计热负荷4 380 kW。桩基612个,钻孔1 177个,钻孔中心距4.0 m×4.0 m。桩基深40 m、直径1 200 mm,钻孔深65 m、直径133 mm。桩基地埋管采用双U形,地埋管公称外径32 mm。钻孔地埋管采用单U形,地埋管公称外径25 mm。三工况地源热泵机组3台,每台空调工况额定制冷量1 314.6 kW、制冰工况额定制冷量883.0 kW、额定制热量1 471.0 kW。高温型热泵基载主机1台,制冷量1 314.0 kW、制热量1 471.0 kW。

项目10:建筑面积59 351 m2,设计冷负荷5 565 kW,设计热负荷4 272 kW。钻孔810个,钻孔中心距5.0 m×5.0 m。钻孔深95 m、直径150 mm。地埋管采用双U形,公称外径25 mm。螺杆式热泵机组3台,每台额定制冷量1 386 kW、额定制热量1 433 kW。冷水机组1台,额定制冷量1 440 kW。

由上述项目内容可知,在10个项目中,有7个项目采用了竖直钻孔地埋管,其他3个项目采用桩基地埋管+竖直钻孔地埋管。在7个竖直钻孔地埋管项目中,采用双U形地埋管的项目有5个,采用单U形地埋管的项目有2个。钻孔深度为60～100 m,大多数80 m以上。

武汉地区排热量明显大于取热量,若按冷负荷设计地埋管长度,易导致向土壤过度排热,因此按热负荷设计地埋管长度,供冷期部分负荷由冷却塔承担。分析供暖期工况,可推算出7个竖直钻孔地埋管项目单位钻孔深度换热量(见表1)。由表1可知,单位钻孔深度换热量的变化范围为18.8～47.4 W/m,平均值为37.5 W/m。7个竖直钻孔地埋管项目均为办公建筑,单位钻孔深度换热量存在一定差别,主要与设计参数、地质条件差异有关。从单U形地埋管、双U形地埋管角度,无法判断单位钻孔深度换热量高低。

表1 竖直钻孔地埋管项目单位钻孔深度换热量

3 测试结果与分析

3.1 评价指标

热泵系统制冷季节能效比IEER、制热季节性能系数ICOP的计算式分别为:

(1)

(2)

式中IEER——热泵系统制冷季节能效比

QC——供冷期热泵系统供冷量,kW·h

EC——供冷期热泵系统耗电量,kW·h

ICOP——热泵系统制热季节性能系数

QH——供暖期热泵系统供热量,kW·h

EH——供暖期热泵系统耗电量,kW·h

供冷期热泵系统供冷量、供暖期热泵系统供热量取测试日由热泵系统逐时平均进出水温差、逐时平均流量计算得到的逐时供冷量、逐时供热量的累加值。供冷期热泵系统耗电量、供暖期热泵系统耗电量取测试日热泵系统测试耗电量。

3.2 测试内容与方法

测试在供暖期、供冷期连续的4日进行,测试期间不间断测量,每隔10 min记录1次数据。受测试时间与条件所限,将10个项目分成两组,分别进行供冷期、供暖期测试。供冷期测试组包括项目1、3、4、7、8、9,供暖期测试组包括项目2、5、6、10。

① 温度、相对湿度

抽取建筑的代表性房间,采用温湿度自记仪测试室内温度、相对湿度。采用温湿度自记仪记录室外温度、相对湿度。

② 供回水温度、流量

热泵机组供、回水温度测点分别布置在供、回水干管上,采用Pt100铂电阻测量,由无纸记录仪记录数据。热泵机组流量测点布置在回水干管上,采用便携式超声波流量计测量回水流量,并记录数据。

③ 耗电量

采用电能表测量热泵机组、水泵耗电量。

3.3 测试计算结果

测试计算结果见表2。由表2及测试结果可知,供冷期室内温度变化范围为22.8～27.4 ℃,相对湿度变化范围为43.5%～84.4%。供暖期室内温度变化范围为18.2～20.7 ℃,相对湿度变化范围为37.5%～52.6%。测试结果表明,室内热舒适度基本满足要求。

表2 测试计算结果

由表2可知,热泵系统制冷季节能效比变化范围为2.70～5.67,热泵系统制热季节性能系数变化范围为2.39～4.30。GB/T 50801—2013《可再生能源建筑应用工程评价标准》表6.1.1规定,地源热泵系统制冷季节能效比应大于等于3.0,制热季节性能系数应大于等于2.6。因此,部分项目的热泵系统制冷、制热性能未达标,但差距不大。

由表2可知,热泵机组供回水温差普遍偏小,主要原因为水泵选型不当、水力失调等。

根据热泵机组、水泵耗电量测试结果,可计算得到各项目水泵耗电量占热泵机组与水泵总耗电量比例(简称水泵能耗占比),见表3。由表3可知,供冷期水泵能耗占比平均值为29.1%,供暖期水泵能耗占比平均值为24.0%。文献[8]的研究结果显示,我国地埋管地源热泵系统供冷期水泵能耗占比实测平均值为32.0%,一般设计配置比例为23%,供暖期水泵能耗占比实测平均值为25.0%,一般设计配置比例为20%。由比较结果可知,各项目供冷期、供暖期综合水泵能耗水平优于全国实测水平,但少数项目水泵能耗偏高。

表3 各项目水泵能耗占比

4 节能率

将地埋管地源热泵系统与传统供能系统进行比较,传统供能系统为常规水冷冷水机组+天然气锅炉。按GB/T 50801—2013表6.3.1规定,常规水冷冷水机组制冷能效比按冷水机组容量选取:冷水机组容量小于528 kW时,制冷能效比取2.3。冷水机组容量为528～1 163 kW时,制冷能效比取2.6。冷水机组容量大于1 163 kW时,制冷能效比取2.8。按GB/T 50801—2013表4.3.5,天然气锅炉热效率取0.8。

表4 各项目节能率

地埋管地源热泵系统供冷期节能率βC、供暖期节能率βH的计算式分别为:

(3)

(4)

(5)

(6)

式中βC、βH——地埋管地源热泵系统供冷期节能率、供暖期节能率

mc,C、mc,H——传统供能系统供冷期标准煤耗量、供暖期标准煤耗量,kg

mg,C、mg,H——地埋管地源热泵系统供冷期标准煤耗量、供暖期标准煤耗量,kg

M——电力与标准煤折算系数,kg/(kW·h),本文取0.32 kg/(kW·h)

IEER,t——常规水冷冷水机组制冷能效比

η——天然气锅炉热效率

Hi——标准煤低热值,MJ/kg,本文取29.31 MJ/kg

地埋管地源热泵系统供冷期标准煤耗量、供暖期标准煤耗量的计算方法与传统供能系统供冷期标准煤耗量的计算方法一致。将已知参数代入式(3)～(6),可计算得到各项目节能率(见表4)。10个项目的节能率为17.0%～50.9%,平均节能率为31.0%,节能性比较好。

5 测试结果影响因素分析

GB/T 50801—2013第6.2.3条指出,系统性能测试宜在系统负荷率达到60%以上进行。由表2可知,测试期间项目1、4、5的负荷率低于60%,原因涉及测试时间及任务要求与气象条件不一致等,可能未能反映这3个项目真实的能效水平。但总体上看,测试结果能反映武汉近年建设的公共建筑地埋管地源热泵项目能效水平。此外,受测试时间与条件限制,未能实现同一项目供冷期、供暖期的能效水平测试,样本数量不足对供冷期、供暖期地源热泵项目能效水平分析产生了一定影响。因此,应合理安排测试时间。

6 结论

部分项目的热泵系统制冷、制热性能未能达标,但差距不大。热泵机组供回水温差普遍偏小。项目供冷期、供暖期综合水泵能耗水平优于全国实测水平,但少数项目水泵能耗偏高。各项目的节能率为17.0%～50.9%、平均节能率为31.0%,节能性比较好。