土壤源热泵与风冷热泵节能性能比较分析

摘要： 本课题通过一定的实验方案和实验平台，以及数据采集和比较，较全面地反映了土壤源热泵系统和风冷热泵系统在基本相同的外界条件下，采用土壤源热泵的节能优势。

Abstract： This topic through a certain experiment schemes and experiment platform， and the data collection and comparison， reflects the energy saving advantage of ground-source heat pump in basically the same external conditions.

关键词： 节能；土壤源热泵；风冷热泵

Key words： energy conservation；ground-source heat pump；air cooled heat pump

中图分类号：TU831.3+8 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）34-0029-02

0 引言

对于我国公共建筑能耗的调查表明，空调系统的能耗约占整个建筑总能耗的50%～60%。就江苏省而言，从气候区域来说，跨越了夏热冬冷地区和寒冷地区。夏热冬冷地区，建筑中主要供暖和供冷的设备就是空调系统；在寒冷地区主要考虑以采暖供热设备为主。传统的空调系统能耗多以电力和一次能源为主，在消耗了大量的不可再生能源，同时释放CO2、NOX等污染物，必然加重对环境破坏。

地源热泵空调是利用浅层地热能的高效节能型空调设备，包括地下水、地表水（含污水源）和土壤源热泵等。为进一步验证地源热泵的节能潜力，我们利用空调试验平台，选择土壤源热泵系统，在相似工况下与风冷热泵系统的主机耗电量、系统耗电量进行对比，计算得出地源热泵系统的节能率，为相似工程，提供借鉴。

1 试验方案

空调系统是为维持室内所需温度而消耗一定能源的一种能量转换设备。空调系统的能耗受到工况，制冷量，外部的热负荷和热损失等因素的影响，因此空调系统的转换效率受环境温度和围护结构影响很大。由于风冷涡旋式热泵系统较常规水冷空调系统不需要冷却塔及冷却泵，在系统耗电量上相对较小，故本试验拟建立一个平台，在同一个房间中，尽量在接近的环境状况下，对新的土壤源热泵空调与风冷热泵系统的进行效能对比。

空调房间的得热量由下列各项热量组成：

①通过围护结构传入室内的热量；②透过外窗进入室内的太阳辐射热量；③人体散热量；④照明散热量；⑤设备、器具、管道及其他室内热源的散热量；⑥食品或物料的散热量；⑦渗透空气带入室内的热量；⑧伴随各种散湿过程产生的潜热量；而我们的实验平台目的为研究在同样工况下，土壤源热泵空调系统相对于风冷热泵空调系统的节能比例，在这个前提下，我们应撇开可能影响空调运行状况的因素。所以，在设计平台时，我们不考虑上述得热量影响中的③～⑧项，实验平台室内无设备、人员或其它发热物体，在同样的围护结构，基本相同的室外温度环境条件下，测试平台数据，得出相对客观的实验结论。

2 试验平台

2.1 试验平台介绍 本试验平台位于苏州市区，平台空调面积260m2，建筑物外墙墙体为多孔砖，屋面采用钢筋混凝土空心板加防水层，外窗采用普通双层铝合金窗。东向窗： 1.5m*2.5m（4扇）；南向窗： 2m*2m（1扇），3m*2.5m（2扇），1m*2.5m（2扇）；北向窗：1.5m*2m（1扇），2.5m*2.5m（1扇）。平台内设两套空调主机，分别为风冷涡旋式热泵主机和土壤源热泵主机。两套主机合用一台冷冻泵，冷冻泵、地源侧冷却泵均采用定速泵。

土壤源热泵系统在室外地下钻有8口井，埋设管径为de25*2.3的双U型PE管，井深50m，井间距4.5m；试验室平台室内空调末端为风机盘管+新风机组。在风冷热泵主机、土壤源热泵主机、冷冻泵、地源侧冷却泵配电线路上分别安装三相远传电表，同时在冷冻水回水主管上设冷/热量计量表，可实时采集冷冻水供/回水温度、流量、系统供冷/热量。平台内设有自动监控系统，可实时采集并记录上述数据，同时计算出瞬时主机COP及系统COP。

2.2 主要设备参数 ①土壤源热泵主机。制冷量/输入功率：25.4kW/5.1kW；制热量/输入功率：31.5kW/6.3kW。 电源电压：400V/3/50+PE。②风冷涡旋热泵主机。制冷量/输入功率：25.2kW/7.1kW；制热量/输入功率：31.5kW/7.94kW。电源电压：400V/3/50+PE。③地源侧冷却水泵一台。额定功率：550W；额定速率：2265r/min。④冷冻水泵一台。额定功率：550W；额定速率：2265r/min。

3 试验过程及结果

3.1 试验过程 苏州夏季空调室外计算温度假设取35℃，我们挑选夏季室外最高环境温度较高的时间来进行试验，使空调主机尽量在满负荷工况下运转，以达到系统最佳工作状况。让试验过程具有可操作性，试验结果更具代表性。室内温湿度控制为：温度26±1℃，湿度≤60%，记录数据的日期7月15日，20日，室外温度监测曲线，如图1，2，曲线反映，室外温度波动相似。

试验开始前，将整个试验空间的门窗打开通风24小时，使得室内温度与室外温度浮动相同。将门窗关闭后，开启土壤源热泵系统。试验开始：首先按系统开机步骤，将土壤源热泵主机及末端设备全部打开，待系统运行稳定（约两个小时）后开始采集数据，每隔5分钟监测系统，自动采集并记录一次数据，系统连续运行72小时后关闭。查验数据，取其中较为稳定的24小时数据，作为我们分析研究的对象；关闭土壤源热泵系统，打开门窗，通风24小时后开启风冷热泵系统，重复上述步骤，并核验最后数据，取其中较为稳定的24小时数据作为我们分析研究的对象。

3.2 试验结果 上述两个系统分别运行72小时，取其中稳定的24小时数据，土壤源热泵系统对应的供冷量、主机功率曲线如图3，图4；风冷热泵系统对应的供冷量、主机功率曲线如图5，图6。根据试验平台的运转数据来看，由于记录数据的两天外部气温波形基本相同，室内负荷、温度相同，可认为这两个系统在同样的外部和内部条件下运转，系统稳定，具有可比性。

4 结果分析

由图7可以看出，两种空调主机，在近似相同的工况下主机输入功率有明显差别，土壤源热泵系统的主机耗电量明显优于风冷热泵系统。进一步，我们从定量的角度出发，对于试验工况下主机及系统24小时的耗电量分别进行统计，详见表1。

表中“系统”仅代表空调主机+冷冻（却）水泵，系统总耗电量即为空调主机房耗电量，我们可以从表中可以看出，土壤源热泵主机节电量达到了35%，其代替常规热泵系统的潜力巨大。由于风冷涡旋式热泵系统较常规水冷空调系统不需要冷却水循环，在系统耗电量上相对较小，所以表中“系统节电量”明显低于“主机节电量”，而对于常规水冷空调系统对比时需加入冷却塔及冷却水泵的耗电量，所以地源热泵系统的节电优势将更明显。由于空调系统的运行状态受很多因素影响，如室外气象条件、室内人员、设备状况等，系统运行效率同样受到以上参数的影响，所以我们的平台从客观的角度给出符合试验工况下土壤源热泵的节能率。未来15年，要保持GDP年均增长7%以上，资源将成为瓶颈和环境恶化的压力。从国民经济的可持续发展来看，采取节约能源、开发新能源及使用新能源（如地热能，太阳能等），对有效降低建筑能耗，减少碳排放，具有举足轻重的现实意义和长远的历史意义。

参考文献：

[1]朱海江，刘岩.地源热泵技术的应用与探讨[J].建筑知识：学术刊，2011.9.

[2]张俊巧，尚百师，陆曼.地源热泵系统运行管理节能潜力分析[J].中国住宅设施，2011.2.

[3]王维想，李婷，马林.浅析地源热泵系统节能运行管理[J].机电信息，2011（27）.