某地区地源热泵系统冬季工况运行测试研究

【摘要】

本文以潍坊地区某综合性建筑地埋管地源热泵系统为研究对象，对其冬季工况进行测试研究，得出该系统运行时地埋管侧供水平均温度为13.7℃，用户侧供水平均温度为42.9℃，机组COP平均值为4.2，系统COP平均值为3.1；从土壤热平衡角度出发，通过分析得出该地区适合发展地源热泵系统；通过对比传统的供暖方式，地源热泵系统节能效果显著，对推动节能减排具有重大意义。

【关键词】 地源热泵；COP；土壤热平衡；节能减排

中图分类号：TE08文献标识码： A

0引言

地源热泵[1]是一种以浅层地热资源作为冷热源，通过输入电能，把低品位热能转移成高品位热能的热泵技术。以地源热泵系统作为冷热源，既可以用于冬季供热，又能夏季供冷，由于其节能效果显著，在我国已得到广泛应用。

地源热泵系统由于其节能、环保等优点越来越受到人们的关注，但是由于缺乏长期的运行监测数据，对该系统在实际工程的运行工况分析却不够完善，从而会从一定程度上限制该技术优势的发挥。因此，对于地源热泵系统在实际工程中的运行分析具有很大的必要性。本文通过对潍坊某综合性建筑地源热泵系统的工况检测与数据分析，为该地区地源热泵系统的设计与优化提供了参考依据。

1工程概况

1.1本工程位于潍坊地区，是一集办公、实验室、餐厅、商业等功能区为一体的综合性建筑。地下主要为设备机房和库房，地上主要为办公、实验室、餐厅等功能区，总建筑面积为36070.6m2，其中地上面积为34359.2m2，地下面积为1711.4 m2。

1.2作为测试对象的地源热泵系统主要为该综合建筑的商业功能区供冷供热，其中夏季空调设计冷负荷为2616KW，冬季空调热负荷为2888KW。空调末端采用风机盘管加新风系统形式。

测试日期：2014年1月6日―2014年1月10日；

为保证测试数据的准确性，机组运行工况保持在额定工况的75%左右；

每隔10min记录一次数据；

截取一段稳定的数据进行分析。

2检测设备及数据处理方法

2.1检测设备

采用热电偶温度计（FLUKE）测量地埋管侧和用户侧的供回水温度，误差±0.2℃；采用超声波流量计测量埋管侧和用户侧的流量，误差±5%；采用功率谐波分析仪测量机组、地埋管侧和用户侧循环泵的功率，误差±5%。现场测试情况如下图：

2.2数据处理方法

（1）地埋管侧取热量

Q1=ρ1V1Cp1(T1-T2) ；

其中，Q1为地埋管侧取热量 ，KW；ρ1为地埋管侧供回水的密度，Kg/m3;

V1为地埋管侧供回水的流量，m3/h;Cp1为地埋管侧供回水的比热容，J/（ kg・℃）；

T1为地埋管侧供水温度，℃；T2为地埋管侧回水温度，℃。

（2）用户侧供热量

Q2=ρ2V2CP2（T3-T4）；

其中，式中Q2为机组向用户侧提供的热量，KW;ρ2为用户侧供回水温度的密度，Kg/m3;V2为用户侧供回水的流量，m3/h；CP2为用户侧供回水的比热容，J/(kg・℃）；T3为用户侧的供水温度，℃；T4为用户侧的回水温度，℃。

（3）机组的能效比

COP=Q1/P1；

其中，Q1为地源热泵机组向用户的供热量，KW；P1为地源热泵机组的功率，KW。

（4）系统的能效比

COP=Q1/（P1+P2+P3）；

式中，P1为地源热泵机组的功率，KW；P2为用户侧循环泵的总功率，KW;P3为地埋管侧循环泵的总功率，KW。

3测试结果与分析

3.1地埋管侧供回水温度随室外温度变化

图一 地埋管侧供回水温度随室外温度变化

由图一可以看出，在测试期间，该系统地埋管侧的平均供水温度为13.7℃，平均回水温度为10.4℃，供回水平均温差为3.3℃。该地源热泵系统采用以1h为间断期，起停时间比例为1:1的间歇运行方式。间歇运行方式可以有效的减缓土壤的温降率，使土壤恢复良好的蓄热能力，保持系统的高效稳定运行[2]。

从图中也可看出，该系统地埋管侧供水温度会随室外温度的变化而波动，这是由于室内负荷变化而引起的。由于地下换热器不断的从土壤中提取热量，土壤周围的传热存在一定延迟， 从图中可以发现随着机组工作时间的延长，埋管侧的供水温度呈下降趋势。

3.2用户侧供回水温度随室外温度的变化

图二 用户侧供回水温度随室外温度的变化

由图二可以看出，冬季空调的平均供水温度为42.9℃，平均回水温度为40.1℃，供回水平均温差为2.8℃。供水温度会随室外的温度的变化而波动，但是基本在正常范围之内，由此可以表明该系统能够作为稳定热源为用户提供热量。

3.3机组性能系数随室外温度的变化趋势

图三机组性能系数随室外温度的变化趋势

地源热泵系统的最大优势在于，其节能效果优于其他的传统能源，机组的能效比较常规热泵机组高。为定量的研究地源热泵机系统的能效比，分别计算系统及机组的COP，并进行比较。由图可以看出，冬季机组COP平均值为4.7，系统COP平均值为3.3。机组COP变化趋势与系统COP同步，表明机组运行状况能够很好的响应系统的动态变化。

由于常规能源热泵系统，如空气源热泵系统，其能效比在2.6左右[3]。通过比较可以发现，该地源热泵系统的COP远大于传统空气源热泵机组，节能效果十分显著。

4地源热泵系统的地域适用性

由于不同地区的气候条件和地理环境不相同，这就要求在采用地源热泵系统时应充分考虑当地的气候和地理条件，如冬夏冷热负荷的平衡问题等。地源热泵系统保持长久高效运行的前提条件就是要保持土壤的热平衡。若是土壤热不平衡率过大，就会影响地源热泵系统优势的发挥，不仅不节能，甚至出现多耗能的情况。因此在地源热泵系统设计过程中，应充分考虑土壤热平衡问题，尤其是冬夏季冷热不平衡时，应考虑增设辅助冷热源，即复合式地源热泵系统，既能满足建筑负荷变化的需要，又能使土壤具有良好的恢复能力，有利于地源热泵系统长久高效运行[4]。

潍坊地区属于气候分区的寒冷地区，供暖季和夏季空调持续时间基本相等。因此，该地区的气象因素从根本上决定了建筑物冷热负荷基本平衡，由此可以得出该地区适合使用地源热泵系统。由上述数据分析也可以看出，该地区地源热泵系统运行工况良好，寒冷地区适合采用地源热泵系统供冷供热。

5地源热泵系统的节能效果分析

与锅炉供暖比较：

地源热泵系统消耗的是电能，而锅炉供暖则是直接燃烧诸如煤、燃气等一次能源，两种供暖方式消耗的是不同品质的能源，因此要分析地源热泵系统的节能效果，就需要比较其一次能源利用率。地源热泵的能源利用率是指热泵的制热量与一次能耗的比值[5]。

一次能源利用率的计算公式；

E=Q/P/β=βCOPh ；

式中，E为一次能源利用率；Q为供暖期地源热泵系统总制热量；P为供暖期热泵机组总耗电量；β为发电厂的发电效率；COPh为供暖期地源热泵机组的平均制热系数。

按国家的有关标准规定，发配电的平均效率β为0.3，按照上式计算，地源热泵系统一次能源利用率为0.9 。锅炉供暖的一次能源利用率在0.65左右，则冬季采用地源热泵系统比采用锅炉供暖节能为（0.9-0.65）/0.65=38%，由此可以看出，地源热泵系统节能效果十分显著。

6地源热泵系统的绿色环保性

地源热泵供暖与锅炉供暖对环境的影响（折算成一次能源利用率）

供暖方式

提供热量

（q/KJ）

污染物排放量

CO2/L

SO2/mL

燃煤锅炉

50KJ

4.1

0.32

地源热泵 50KJ 1.8 0.15

通过计算比较可以发现，地源热泵系统的二氧化碳及二氧化硫的排放量分别减少了56%和53%，因此，采用地源热泵系统供暖对保护环境，推动节能减排具有重大的意义和贡献。

7结论

7.1 通过检测数据分析，该地源热泵系统运行工况良好。地埋管侧平均供水温度为13.7℃,用户侧平均供水温度为42.9℃，且供水温度稳定，能够满足室内温度的变化。

7.2检测期间，该系统机组COP平均值为4.7，系统COP平均值为3.3，表明该地源热泵系统能效比较高，节能效果显著。

7.3从地源热泵系统地域适用性角度出发，定性分析了在考虑使用地源热泵系统时，应综合考虑气候环境、建筑负荷、土壤热平衡等因素对系统运行的影响，保证地源热泵系统充分发挥节能优势，保持高效长久的运行。

7.4通过与锅炉供暖对比，地源热泵系统的节能率可以达到38%；温室气体的排放量远小于传统的燃煤锅炉，体现出了地源热泵系统的绿色环保性。

参考文献

[1] 刁乃仁. 方洪.地埋管地源热泵技术[M].北京：高等教育出版社.2006.

[2]杨卫波.施明恒.陈振乾.土壤源热泵供冷供热运行特性的实验研究[J].东南大学学报，2009,39（2）:276-281

[3] GB50189-2005，公共建筑节能设计标准[S]

[4]高原原.高留花.赵军.土壤源热泵系统长期运行特性试验分析[J].华北电力大学学报，2012,39（1） :105-108

[5]张信树，刘泽华，陈北领，等.某写字楼地源热泵冬季供暖性能测试及节能分析[J].制冷空调与电力机械，2007，28（3）：30-33