地埋管地源热泵系统运行数据实测及经济性
1 、概述
地源热泵是一种利用电能作为能源的高效可再生能源技术，对环境无污染，在北方地区正得到大力推广应用。地埋管地源热泵系统虽然能效比较高，但其应用还受到许多限制：一是地源热泵系统需要一定的地埋管占地，而且投资较高；二是要保证地源热泵系统长期稳定运行，从地下吸取热量和排放热量应大致平衡。目前已经应用的地源热泵系统有很多，但实际效率、经济性等参数鲜见 道。
2 、工程概况
2.1 基本信息及技术方案
该项目位于济南市西部，为某单位一期项目地源热泵系统工程，建筑功能为住宅。一期总建筑面积88 272.53 m2，其中地上建筑面积62 071.03 m2，包括别墅2×104 m2，现地上面积需全部供暖，为地面辐射供暖。供热采用直供模式，设计供、回水温度分别为45、35 ℃，设计压力为1.0 MPa。该项目机房有两台热泵机组，并联运行，其中一台设计制热量为808 kW，设计制冷量为749 kW，电功率为170 kW；另一台设计制热量为1 261 kW，设计制冷量为1 108 kW，电功率为262 kW。配有一台燃气真空锅炉作为系统的备用热源，为冬季供热调峰使用。用户侧3台循环泵的功率分别为37 kW、45 kW、75 kW，分别在近期、中期、远期运行。地源侧两台循环泵功率均为55 kW，一用一备。地上面积中仅别墅进行夏季集中供冷。项目技术概况见表1。
表1 项目技术概况
2.2 系统监测
该项目于2016年正式投入使用。工程在建设之初便设立了完善的在线监测系统，提取数据的间隔为10 min。监测内容包括：地源侧供、回水温度，用户侧供、回水温度，地源侧、用户侧的供回水压力、流量，室外温湿度，电耗量，水耗量，燃气消耗量等数据。
3 、数据分析
3.1 地源侧供、回水温度变化
根据在线监测系统统计的2017年11月15日至2018年3月15日（简称2017—2018 年供暖期）的数据，2017—2018 年供暖期地源侧供、回水温度变化见图1。图1中的横坐标0对应监测起点2017年11月15日19：20，监测间隔为10 min。
图1 2017—2018 年供暖期地源侧供、回水温度变化
图1中，测试期间，由于测试设备出现问题，出现了温度剧降的情况，因此在分析数据时，这一阶段内的数据不具有参考价值，视为坏点，将这些数据剔除。此外，在温度剧降之前的时间段，是设备最初运行时，对地埋管及水泵进行装机测试，随后出现检修，故运行前期数据剧烈变化，供回水温度相对较低。后续各图均存在类似情况，不再赘述。图1坏点后的数据结果表明，在运行初期，地源侧回水（从地埋管换热器返回的水）温度较高，随着运行时间的增加，地源侧回水温度逐渐降低。在整个供暖期，地源侧平均供水温度为5.77 ℃，地源侧平均回水温度为8.43 ℃，平均进出口温差为2.66 ℃。地源侧最高回水温度为10.37 ℃，最低回水温度为7.1 ℃，温降为3 ℃左右。这说明随着运行时间的增加，土壤温度逐渐降低［1］。
3.2 用户侧供、回水温度变化
图2为2017—2018年供暖期用户侧供、回水温度，横坐标0的意义同图1。图2表明，在运行期间，除了上述阐述的装机测试和设备出现问题的几天之外，其余时间各项数据变化不大，用户侧回水温度变化较小。用户侧平均供水温度为43.97 ℃，平均回水温度为39.81 ℃，用户侧进出口平均温差为4.16 ℃。
图2 2017—2018年供暖期用户侧供、回水温度变化
3.3 地源热泵系统流量变化
图3为地源热泵系统在此供暖期的流量变化情况，横坐标0的意义同图1，地源侧平均流量为162 m3/h，用户侧平均流量为127 m3/h。图3表明，在整个供暖期运行期间，地源侧流量大于用户侧流量，随着运行时间的增加，地源侧流量逐渐降低，而用户侧流量出现阶梯状变化。
图3 2017—2018年供暖期地源热泵系统流量变化
3.4 地源热泵系统经济性分析
①系统COP计算
该工程供暖期内系统机房的总耗电量记录完好，供暖期内机房日平均耗电量为4 998.34 kW·h/d。由于机房内热泵机组、水泵等设备没有设置分项计量仪表，因此只能根据设备额定功率均摊算出某个设备的耗电量，从而计算得到耗电功率，计算结果见表2。
表2 机房设备耗电功率
表3 不同地质情况下的单位长度钻孔费
表4 每年各项运行费用
根据表1和式（6）计算得到η=38.24%。由于本工程只有2×104 m2的别墅需要供冷，而供暖面积却为6 2071.03 m2，供冷面积和供暖面积差距较大，因此该项目的土壤冷热不平衡率较高，冷热不平衡问题十分严重。
4 、解决措施
通过计算机分析，发现该项目主要存在单位建筑面积投资和系统运行费用较高、地源热泵系统制热性能系数不高、土壤冷热不平衡率较高等问题，提出如下解决措施：
①控制项目投资。根据项目冷热负荷合理选择热泵机组及附属设备，并加强项目建设过程中的成本监管力度。
②降低系统运行费用。系统运行费用中电费所占比例最大，因此需要业主合理控制电费的支出。一方面根据冷热负荷合理控制热泵机组及水泵的启闭来减少耗电量，另一方面通过合理设置室内控制温度，降低机组负荷的途径减少机组耗电量。
③提高系统能效比。注意机组选型，合理配置机组容量，需要多台机组时尽量使用大小机组搭配的方式，并且首选COP较高的机组；选择合适的循环水泵，使其扬程、流量与负荷匹配，保持长时间高效率运行；合理增大输配管道管径，选用阻力小的阀门。
④减小土壤冷热不平衡率。过渡季节采取一定措施来平衡地温的下降；若条件允许，可以考虑加大夏季供冷面积。
参考文献：
［1］白天. 严寒地区土壤源热泵系统地埋管运行特性研究（博士学位论文）［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010：77-80.
［2］褚林配. 地热供能系统综合效益指标评价体系研究（硕士学位论文）［D］. 天津：河北工业大学，2015：25-31.
［3］王逸飞. 基于地源热泵节能的技术经济性研究分析［J］. 应用能源技术，2016（6）：34-37.
［4］李晓琳. 地源热泵-燃气锅炉供暖系统的动态经济评价［J］. 建筑节能，2016，44（7）：115-117.
［5］王天华. 寒冷地区地源热泵系统的生命周期影响评价（硕士学位论文）［D］. 锦州：辽宁工业大学，2016：12-13.
摘自《煤气与热力》2019年6月刊
