胡志高, 胡平放, 王彥芳, 康 杰, 朱 娜, 雷 飛

(1.湖北風(fēng)神凈化空調(diào)設(shè)備工程有限公司, 湖北 武漢 430060; 2.華中科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

1 概述

地埋管地源熱泵由于節(jié)能環(huán)保、可再生優(yōu)勢突出,在國內(nèi)外得到良好發(fā)展[1-2]。地埋管地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計、施工、運行管理等都是該領(lǐng)域研究的重點,對地埋管地源熱泵的發(fā)展十分重要。同時,一大批項目已運行多年,對這些項目的效果與系統(tǒng)性能進行后評估,可更好總結(jié)地埋管地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計施工及運行管理經(jīng)驗。張孝鼎等人[3]對某辦公樓地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進行能效測評,對熱泵機組和空調(diào)系統(tǒng)性能進行現(xiàn)場檢測,依據(jù)結(jié)果評估了項目節(jié)能效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟效益。馬勇[4]重點分析了20個地埋管地源熱泵系統(tǒng)能效的檢測結(jié)果。胡先芳等人[5]對武漢市7個地埋管地源熱泵項目進行測試并對冬季運行狀況進行了具體分析。彭謙等人[6]對長沙市公共建筑、居住建筑地埋管地源熱泵、地下水地源熱泵、地表水地源熱泵項目進行實測,分析了地源熱泵系統(tǒng)性能與節(jié)能減排效果。任永林等人[7]對畢節(jié)市某醫(yī)院室外溫度、供熱量、耗電量等數(shù)據(jù)進行115 d監(jiān)測,分析地埋管地源熱泵系統(tǒng)能效水平。

雖然地埋管地源熱泵系統(tǒng)后評估工作在國內(nèi)已有部分先例,但總體上開展較少,仍需持續(xù)進行。本文對武漢部分公共建筑地埋管地源熱泵系統(tǒng)運行參數(shù)進行測試,對系統(tǒng)能效水平進行評價。將傳統(tǒng)供能系統(tǒng)(常規(guī)水冷冷水機組+天然氣鍋爐)作為比較對象,計算地埋管地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能率。

2 系統(tǒng)概況

在武漢近年建設(shè)的公共建筑地埋管地源熱泵項目中選擇10個項目進行測試與能效水平評價。公共建筑面積為8 500～100 523 m2,基本為辦公建筑。所有項目的地埋管均采用豎直式地埋管,項目1、8、9采用樁基地埋管與豎直鉆孔地埋管結(jié)合,其他項目均采用豎直鉆孔地埋管。為防止向土壤過度排熱,所有項目均配置冷卻塔。此外,項目8、9配置了冰蓄冷裝置。項目2為分散式小型地埋管地源熱泵機組,按戶設(shè)置,每戶的熱泵機組按各自設(shè)計負荷配置。

項目1:建筑面積8 588 m2,設(shè)計冷負荷880 kW,設(shè)計熱負荷560 kW。樁基140個,鉆孔72個,鉆孔中心距3.6 m×8.4 m。樁基深30 m、直徑800 mm,鉆孔深90 m、直徑150 mm。樁基地埋管采用雙U形,地埋管公稱外徑32 mm。鉆孔地埋管采用單U形,地埋管公稱外徑32 mm。熱泵機組2臺:1臺額定制冷量583.2 kW、額定制熱量603.5 kW,1臺額定制冷量307.1 kW、額定制熱量325.8 kW。

項目2:建筑面積10 592 m2,設(shè)計冷負荷1 048 kW,設(shè)計熱負荷838 kW。鉆孔155個,鉆孔中心距4.0 m×4.0 m。鉆孔深80 m、直徑110 mm。地埋管采用單U形、公稱外徑32 mm。熱泵機組共210臺:157臺額定制冷量6.4 kW、額定制熱量7.3 kW,41臺額定制冷量8.4 kW、額定制熱量9.6 kW,1臺額定制冷量3.6 kW、額定制熱量4.6 kW,11臺額定制冷量5.7 kW、額定制熱量6.8 kW。

項目3:建筑面積14 533 m2,設(shè)計冷負荷1 400 kW,設(shè)計熱負荷830 kW。鉆孔270個,鉆孔中心距5.0 m×5.0 m。鉆孔深60 m、直徑150 mm。地埋管采用雙U形、公稱外徑32 mm。熱泵機組2臺,每臺額定制冷量766 kW、額定制熱量820 kW。

項目4:建筑面積8 500 m2,設(shè)計冷負荷530 kW,設(shè)計熱負荷350 kW。鉆孔56個,鉆孔中心距5.0 m×5.0 m。鉆孔深100 m、直徑150 mm。地埋管采用雙U形、公稱外徑25 mm。熱泵機組2臺:1臺額定制冷量239.9 kW、額定制熱量240.1 kW,1臺額定制冷量304.2 kW、額定制熱量337.4 kW。

項目5:建筑面積345 900 m2,其中237 000 m2需單獨供冷,設(shè)計冷負荷35 000 kW,設(shè)計熱負荷5 400 kW。鉆孔1 200個,鉆孔中心距4.0 m×4.0 m。鉆孔深90 m、直徑150 mm。地埋管采用單U形、公稱外徑32 mm。熱泵機組2臺,每臺額定制冷量2 988.6 kW、額定制熱量3 024.2 kW。離心式冷水機組4臺,每臺額定制冷量7 032 kW。

項目6:建筑面積31 018 m2,設(shè)計冷負荷3 070 kW,設(shè)計熱負荷1 840 kW,設(shè)計生活熱水負荷760 kW。鉆孔571個,鉆孔中心距4.0 m×4.0 m。鉆孔深100 m、直徑150 mm。地埋管采用雙U形、公稱外徑25 mm。地源熱泵機組3臺:其中2臺的單臺額定制冷量1 171 kW、額定制熱量944 kW,1臺額定制冷量754 kW、額定制熱量608 kW。

項目7:建筑面積17 871 m2,設(shè)計冷負荷970 kW,設(shè)計熱負荷730 kW。鉆孔288個,鉆孔中心距5.0 m×5.0 m。鉆孔深75 m、直徑150 mm。地埋管采用雙U形、公稱外徑32 mm。熱泵機組1臺,額定制冷量970 kW、額定制熱量994 kW。冷水機組2臺,每臺額定制冷量791 kW。

項目8:建筑面積100 523 m2,設(shè)計冷負荷6 080 kW,設(shè)計熱負荷4 600 kW。樁基290個,鉆孔546個,鉆孔中心距5.0 m×5.0 m。樁基深19 m、直徑800 mm,鉆孔深90 m、直徑150 mm。樁基地埋管采用雙U形,地埋管公稱外徑32 mm。鉆孔地埋管采用雙U形,地埋管公稱外徑32 mm。三工況(制冷、制冰、制熱)熱泵機組4臺:每臺空調(diào)工況額定制冷量1 443.3 kW、制冰工況額定制冷量969.4 kW、額定制熱量1 595.0 kW。全熱回收型熱泵基載主機1臺,額定制冷量367.9kW、額定制熱量395.9 kW。

項目9:建筑面積30 048 m2,設(shè)計冷負荷5 220 kW,設(shè)計熱負荷4 380 kW。樁基612個,鉆孔1 177個,鉆孔中心距4.0 m×4.0 m。樁基深40 m、直徑1 200 mm,鉆孔深65 m、直徑133 mm。樁基地埋管采用雙U形,地埋管公稱外徑32 mm。鉆孔地埋管采用單U形,地埋管公稱外徑25 mm。三工況地源熱泵機組3臺,每臺空調(diào)工況額定制冷量1 314.6 kW、制冰工況額定制冷量883.0 kW、額定制熱量1 471.0 kW。高溫型熱泵基載主機1臺,制冷量1 314.0 kW、制熱量1 471.0 kW。

項目10:建筑面積59 351 m2,設(shè)計冷負荷5 565 kW,設(shè)計熱負荷4 272 kW。鉆孔810個,鉆孔中心距5.0 m×5.0 m。鉆孔深95 m、直徑150 mm。地埋管采用雙U形,公稱外徑25 mm。螺桿式熱泵機組3臺,每臺額定制冷量1 386 kW、額定制熱量1 433 kW。冷水機組1臺,額定制冷量1 440 kW。

由上述項目內(nèi)容可知,在10個項目中,有7個項目采用了豎直鉆孔地埋管,其他3個項目采用樁基地埋管+豎直鉆孔地埋管。在7個豎直鉆孔地埋管項目中,采用雙U形地埋管的項目有5個,采用單U形地埋管的項目有2個。鉆孔深度為60～100 m,大多數(shù)80 m以上。

武漢地區(qū)排熱量明顯大于取熱量,若按冷負荷設(shè)計地埋管長度,易導(dǎo)致向土壤過度排熱,因此按熱負荷設(shè)計地埋管長度,供冷期部分負荷由冷卻塔承擔。分析供暖期工況,可推算出7個豎直鉆孔地埋管項目單位鉆孔深度換熱量(見表1)。由表1可知,單位鉆孔深度換熱量的變化范圍為18.8～47.4 W/m,平均值為37.5 W/m。7個豎直鉆孔地埋管項目均為辦公建筑,單位鉆孔深度換熱量存在一定差別,主要與設(shè)計參數(shù)、地質(zhì)條件差異有關(guān)。從單U形地埋管、雙U形地埋管角度,無法判斷單位鉆孔深度換熱量高低。

表1 豎直鉆孔地埋管項目單位鉆孔深度換熱量

3 測試結(jié)果與分析

3.1 評價指標

熱泵系統(tǒng)制冷季節(jié)能效比IEER、制熱季節(jié)性能系數(shù)ICOP的計算式分別為:

(1)

(2)

式中IEER——熱泵系統(tǒng)制冷季節(jié)能效比

QC——供冷期熱泵系統(tǒng)供冷量,kW·h

EC——供冷期熱泵系統(tǒng)耗電量,kW·h

ICOP——熱泵系統(tǒng)制熱季節(jié)性能系數(shù)

QH——供暖期熱泵系統(tǒng)供熱量,kW·h

EH——供暖期熱泵系統(tǒng)耗電量,kW·h

供冷期熱泵系統(tǒng)供冷量、供暖期熱泵系統(tǒng)供熱量取測試日由熱泵系統(tǒng)逐時平均進出水溫差、逐時平均流量計算得到的逐時供冷量、逐時供熱量的累加值。供冷期熱泵系統(tǒng)耗電量、供暖期熱泵系統(tǒng)耗電量取測試日熱泵系統(tǒng)測試耗電量。

3.2 測試內(nèi)容與方法

測試在供暖期、供冷期連續(xù)的4日進行,測試期間不間斷測量,每隔10 min記錄1次數(shù)據(jù)。受測試時間與條件所限,將10個項目分成兩組,分別進行供冷期、供暖期測試。供冷期測試組包括項目1、3、4、7、8、9,供暖期測試組包括項目2、5、6、10。

① 溫度、相對濕度

抽取建筑的代表性房間,采用溫濕度自記儀測試室內(nèi)溫度、相對濕度。采用溫濕度自記儀記錄室外溫度、相對濕度。

② 供回水溫度、流量

熱泵機組供、回水溫度測點分別布置在供、回水干管上,采用Pt100鉑電阻測量,由無紙記錄儀記錄數(shù)據(jù)。熱泵機組流量測點布置在回水干管上,采用便攜式超聲波流量計測量回水流量,并記錄數(shù)據(jù)。

③ 耗電量

采用電能表測量熱泵機組、水泵耗電量。

3.3 測試計算結(jié)果

測試計算結(jié)果見表2。由表2及測試結(jié)果可知,供冷期室內(nèi)溫度變化范圍為22.8～27.4 ℃,相對濕度變化范圍為43.5%～84.4%。供暖期室內(nèi)溫度變化范圍為18.2～20.7 ℃,相對濕度變化范圍為37.5%～52.6%。測試結(jié)果表明,室內(nèi)熱舒適度基本滿足要求。

表2 測試計算結(jié)果

由表2可知,熱泵系統(tǒng)制冷季節(jié)能效比變化范圍為2.70～5.67,熱泵系統(tǒng)制熱季節(jié)性能系數(shù)變化范圍為2.39～4.30。GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應(yīng)用工程評價標準》表6.1.1規(guī)定,地源熱泵系統(tǒng)制冷季節(jié)能效比應(yīng)大于等于3.0,制熱季節(jié)性能系數(shù)應(yīng)大于等于2.6。因此,部分項目的熱泵系統(tǒng)制冷、制熱性能未達標,但差距不大。

由表2可知,熱泵機組供回水溫差普遍偏小,主要原因為水泵選型不當、水力失調(diào)等。

根據(jù)熱泵機組、水泵耗電量測試結(jié)果,可計算得到各項目水泵耗電量占熱泵機組與水泵總耗電量比例(簡稱水泵能耗占比),見表3。由表3可知,供冷期水泵能耗占比平均值為29.1%,供暖期水泵能耗占比平均值為24.0%。文獻[8]的研究結(jié)果顯示,我國地埋管地源熱泵系統(tǒng)供冷期水泵能耗占比實測平均值為32.0%,一般設(shè)計配置比例為23%,供暖期水泵能耗占比實測平均值為25.0%,一般設(shè)計配置比例為20%。由比較結(jié)果可知,各項目供冷期、供暖期綜合水泵能耗水平優(yōu)于全國實測水平,但少數(shù)項目水泵能耗偏高。

表3 各項目水泵能耗占比

4 節(jié)能率

將地埋管地源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)供能系統(tǒng)進行比較,傳統(tǒng)供能系統(tǒng)為常規(guī)水冷冷水機組+天然氣鍋爐。按GB/T 50801—2013表6.3.1規(guī)定,常規(guī)水冷冷水機組制冷能效比按冷水機組容量選取:冷水機組容量小于528 kW時,制冷能效比取2.3。冷水機組容量為528～1 163 kW時,制冷能效比取2.6。冷水機組容量大于1 163 kW時,制冷能效比取2.8。按GB/T 50801—2013表4.3.5,天然氣鍋爐熱效率取0.8。

表4 各項目節(jié)能率

地埋管地源熱泵系統(tǒng)供冷期節(jié)能率βC、供暖期節(jié)能率βH的計算式分別為:

(3)

(4)

(5)

(6)

式中βC、βH——地埋管地源熱泵系統(tǒng)供冷期節(jié)能率、供暖期節(jié)能率

mc,C、mc,H——傳統(tǒng)供能系統(tǒng)供冷期標準煤耗量、供暖期標準煤耗量,kg

mg,C、mg,H——地埋管地源熱泵系統(tǒng)供冷期標準煤耗量、供暖期標準煤耗量,kg

M——電力與標準煤折算系數(shù),kg/(kW·h),本文取0.32 kg/(kW·h)

IEER,t——常規(guī)水冷冷水機組制冷能效比

η——天然氣鍋爐熱效率

Hi——標準煤低熱值,MJ/kg,本文取29.31 MJ/kg

地埋管地源熱泵系統(tǒng)供冷期標準煤耗量、供暖期標準煤耗量的計算方法與傳統(tǒng)供能系統(tǒng)供冷期標準煤耗量的計算方法一致。將已知參數(shù)代入式(3)～(6),可計算得到各項目節(jié)能率(見表4)。10個項目的節(jié)能率為17.0%～50.9%,平均節(jié)能率為31.0%,節(jié)能性比較好。

5 測試結(jié)果影響因素分析

GB/T 50801—2013第6.2.3條指出,系統(tǒng)性能測試宜在系統(tǒng)負荷率達到60%以上進行。由表2可知,測試期間項目1、4、5的負荷率低于60%,原因涉及測試時間及任務(wù)要求與氣象條件不一致等,可能未能反映這3個項目真實的能效水平。但總體上看,測試結(jié)果能反映武漢近年建設(shè)的公共建筑地埋管地源熱泵項目能效水平。此外,受測試時間與條件限制,未能實現(xiàn)同一項目供冷期、供暖期的能效水平測試,樣本數(shù)量不足對供冷期、供暖期地源熱泵項目能效水平分析產(chǎn)生了一定影響。因此,應(yīng)合理安排測試時間。

6 結(jié)論

部分項目的熱泵系統(tǒng)制冷、制熱性能未能達標,但差距不大。熱泵機組供回水溫差普遍偏小。項目供冷期、供暖期綜合水泵能耗水平優(yōu)于全國實測水平,但少數(shù)項目水泵能耗偏高。各項目的節(jié)能率為17.0%～50.9%、平均節(jié)能率為31.0%,節(jié)能性比較好。