山東地區(qū)住宅建筑地埋管地源熱泵性能測試

何理霞， 杜 涵， 高 鵬， 鄭壯壯， 崔 萍

(1.山東建筑大學熱能工程學院，山東濟南250101；2.山東亞特爾集團股份有限公司，山東濟南250101；3.山東省煤田地質局第一勘探隊，山東棗莊277100)

1 概述

為了提高地埋管地源熱泵系統(tǒng)的運行效率，國內很多學者對公共建筑地埋管地源熱泵系統(tǒng)的運行情況進行了測試分析[1-3]。對于住宅建筑地埋管地源熱泵系統(tǒng)的研究主要集中在方案探討、適用性分析[4-5]，結合供暖期、供冷期實測數(shù)據對住宅建筑地埋管地源熱泵系統(tǒng)供暖、供冷效果及性能進行評估和問題診斷并不多[6]。

筆者選取山東地區(qū)3座采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)(兼具供暖、供冷)的住宅建筑，對用戶室內溫濕度、地埋管地源熱泵系統(tǒng)運行參數(shù)等進行測試，對測試數(shù)據進行定量分析，分析地埋管地源熱泵系統(tǒng)的供暖、供冷效果及運行情況，評價3座住宅小區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)性能。

2 工程概況

① 住宅小區(qū)A

坐落于濟南，建筑面積為15.6×104m2。地埋管地源熱泵系統(tǒng)配置1 000 個鉆孔，每個鉆孔深度為120 m。地埋管換熱器采用雙U形地埋管，規(guī)格為D32×3.5。末端裝置為風機盤管。

配置3臺熱泵機組：單臺額定制冷量1 737 kW，額定輸入電功率343 kW。單臺額定制熱量1 664 kW，額定輸入電功率259 kW。配置4臺地埋管側循環(huán)泵：其中3臺單臺流量400 m3/h，電機輸入電功率55 kW，揚程32 m。另外1臺流量206 m3/h，電機輸入電功率30 kW，揚程32 m。配置4臺用戶側循環(huán)泵：其中3臺單臺流量300 m3/h，電機輸入電功率45 kW，揚程32 m。另外1臺流量139 m3/h，電機輸入電功率22 kW，揚程32 m。

② 住宅小區(qū)B

坐落于棗莊，建筑面積為1.33×104m2。地埋管地源熱泵系統(tǒng)配置140 個鉆孔，每個鉆孔深度為100 m。地埋管鉆孔按數(shù)量平均分為兩個區(qū)域(本文稱為1區(qū)地埋管、2區(qū)地埋管)，分別分配給兩臺性能參數(shù)相同的熱泵機組。地埋管換熱器采用單U形地埋管，規(guī)格為D32×3.5。末端裝置為風機盤管。

配置2臺熱泵機組：單臺額定制冷量452 kW，額定輸入電功率92 kW。單臺額定制熱量358 kW，額定輸入電功率108 kW。配置6臺地埋管側循環(huán)泵：單臺流量40 m3/h，電機輸入電功率5.5 kW，揚程30 m。配置2臺用戶側循環(huán)泵：單臺流量100 m3/h，電機輸入電功率15 kW，揚程32 m。

③ 住宅小區(qū)C

坐落于濟寧，建筑面積為5.2×104m2。地埋管地源熱泵系統(tǒng)配置444 個鉆孔，每個鉆孔深度為100 m。地埋管換熱器采用單U形地埋管，規(guī)格為D32×3.5。末端裝置為風機盤管。

配置2臺熱泵機組：額定制冷量1 350 kW，額定輸入電功率243 kW。額定制熱量1 336 kW，額定輸入電功率309 kW。配置2臺地埋管側循環(huán)泵：單臺流量320 m3/h，電機輸入電功率45 kW，揚程32 m。配置2臺用戶側循環(huán)泵：單臺流量245 m3/h，電機輸入電功率37 kW，揚程32 m。

3 測試方案

3.1 測量儀表與參數(shù)

3座住宅小區(qū)的地埋管地源熱泵系統(tǒng)均未安裝數(shù)據測量儀器儀表。筆者選取管外超聲波流量計、貼片式溫度傳感器、電流傳感器、溫濕度記錄儀、Fluke數(shù)據記錄儀等儀器儀表對地埋管地源熱泵系統(tǒng)的運行參數(shù)進行測量。測量儀表的性能參數(shù)及測量參數(shù)見表1。Fluke數(shù)據記錄儀用于采集和記錄電流傳感器測量的熱泵機組、循環(huán)泵輸入電流。

人工記錄：考慮到住宅小區(qū)供暖、供冷具有間歇運行的特點，測量人員在每個測試日的22:00進行流量測量。待熱泵用戶側、地埋管側循環(huán)水流量穩(wěn)定后，用管外超聲波流量計連續(xù)測量30 min。管外超聲波流量計具有數(shù)據記錄功能(數(shù)據記錄時間間隔設定為1 s)，將30 min測得的數(shù)據導出至計算機后，由Excel軟件計算30 min的平均流量，作為該測試日的熱泵用戶側、地埋管側循環(huán)水流量。

自動記錄：除電流傳感器配置Fluke數(shù)據記錄儀外，貼片式溫度傳感器、溫濕度記錄儀也配置了數(shù)據自動記錄儀。熱泵機組、循環(huán)泵輸入電流每15 min記錄1次。熱泵用戶側、地埋管側進出水溫度每15 min記錄1次。室內外溫濕度：供暖期每5 min記錄1次，供冷期每15 min記錄1次。

表1 測量儀表的性能參數(shù)及測量參數(shù)

3.2 測試時間

由于3座住宅小區(qū)分別坐落在不同地點，因此課題組分別派遣3組人員在同一測試期進行測量。截止測試期，3座住宅小區(qū)的地埋管地源熱泵系統(tǒng)已投入運行3～4 a。

由于被測對象為住宅小區(qū)，因此在進行參數(shù)測量時應考慮到人員在室情況。對于熱泵用戶側循環(huán)水流量、熱泵地埋側循環(huán)水流量、熱泵用戶側進出水溫度、地埋管側進出水溫度、熱泵機組輸入電流、循環(huán)泵輸入電流，測試時間為每日的18:00至次日8:30，供暖期與供冷期測試時間相同。供暖期測試期為2017年12月25日—2018年3月15日，供冷期測試期為2018年6月12日—9月15日。

對于室內溫濕度測試用戶，考慮到室內溫度響應時間，測試時間為19:00至次日8:30，供暖期與供冷期測試時間相同。供暖期測試期為2018年1月15日—3月20日，供冷期測試期為2018年6月12日—21日。

3.3 室內溫濕度測試用戶

對于住宅小區(qū)A～C，分別選取3個用戶進行室內溫濕度的測試，分別為距熱泵機房最近的1個用戶，與熱泵機房距離適中的1個用戶，距熱泵機房最遠的1個用戶。

3.4 數(shù)據處理

在數(shù)據處理時，對明顯存在問題的數(shù)據進行剔除。對處理后的數(shù)據，將當前時刻的測量數(shù)據認為是上一時刻與當前時刻間的平均值。

4 測試數(shù)據及分析

4.1 供暖供冷效果

① 供暖期

在分析各住宅小區(qū)供暖期室內溫濕度時，筆者選取3座住宅小區(qū)中距機房最遠的測試用戶(以下簡稱最遠測試用戶)室內溫濕度測試結果進行分析。

供暖期3座住宅小區(qū)最遠測試用戶日均室內溫度、日均相對濕度分別見圖1、2。由圖1、2數(shù)據，可計算得到供暖期3座住宅小區(qū)最遠測試用戶測試期平均室內溫度分別為23.58、21.35、20.19 ℃，測試期平均室內相對濕度分別為38.25%、45.32%、38.55%。由上述數(shù)據可知，在3座住宅小區(qū)中，住宅小區(qū)B最遠測試用戶室內相對濕度最高，走訪發(fā)現(xiàn)，該測試用戶供暖期有使用加濕器的習慣，還經常向室內地面灑水，這是導致室內相對濕度較高的主要原因。

根據GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》表3.0.2人員長期逗留區(qū)域空調室內設計參數(shù)，可以判定3座住宅小區(qū)供暖期室內熱濕環(huán)境比較理想。

② 供冷期

在分析各住宅小區(qū)供冷期室內溫濕度時，筆者仍選取3座住宅小區(qū)最遠測試用戶的室內溫濕度測量結果進行分析。

供冷期3座住宅小區(qū)最遠測試用戶日均室內溫度、日均相對濕度分別見表2、3。由表2、3數(shù)據，可計算得到供冷期3座住宅小區(qū)最遠測試用戶測試期平均室內溫度分別為26.81、26.56、26.63 ℃，測試期平均室內相對濕度分別為52.85%、56.39%、57.36%。

根據GB 50736—2012表3.0.2，可以判定3座住宅小區(qū)供冷期室內熱濕環(huán)境比較理想。

4.2 循環(huán)水溫度

① 供暖期

筆者選取具有連續(xù)性的數(shù)據進行分析：對住宅小區(qū)A，選取2018年1月21日—3月20日的數(shù)據。對住宅小區(qū)B，選取2017年12月25日—2018年2月21日的數(shù)據。對住宅小區(qū)C，選取2017年12月26日—2018年1月26日的數(shù)據。供暖期3座住宅小區(qū)熱泵用戶側日均進、出水溫度、地埋管側日均進出水溫度分別見圖3～5。

圖1 供暖期3座住宅小區(qū)最遠測試用戶日均室內溫度

圖2 供暖期3座住宅小區(qū)最遠測試用戶日均室內相對濕度

℃

表3 供冷期3座住宅小區(qū)最遠測試用戶日均室內相對濕度 %

由圖3可知，測試期住宅小區(qū)A熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度比較平穩(wěn)。測試期熱泵用戶側平均進、出水溫度分別為37.75、39.74 ℃，熱泵地埋管側平均進、出水溫度分別為8.90、6.66 ℃。由圖4可知，測試期住宅小區(qū)B用戶側日均進、出水溫度、地埋管側日均進出水溫度出現(xiàn)小幅波動，測試期熱泵用戶側平均進、出水溫度分別為36.19、37.23 ℃，熱泵地埋管側(1區(qū))平均進、出水溫度分別為17.79、17.23 ℃，熱泵地埋管側(2區(qū))平均進、出水溫度分別為12.59、11.24 ℃。由圖5可知，測試期住宅小區(qū)C熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度比較平穩(wěn)，測試期熱泵用戶側平均進、出水溫度分別為35.46、37.14 ℃，熱泵地埋管側平均進、出水溫度分別為12.32、11.66 ℃。

由實測數(shù)據可知，這3座住宅小區(qū)在供暖期均存在小溫差運行的情況。由圖1、2可知，供暖期3座小區(qū)的室內溫度比較理想。由此可以說明，3座小區(qū)均存在小溫差、大流量運行的情況。

圖3 供暖期住宅小區(qū)A熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度

圖4 供暖期住宅小區(qū)B熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度

圖5 供暖期住宅小區(qū)C熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度

② 供冷期

供冷期3座住宅小區(qū)熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度分別見圖6～8。由圖6～8可知，供冷期3座小區(qū)熱泵地埋管側的進出水溫度變化基本合理。供冷期，住宅小區(qū)A測試期熱泵用戶側平均進、出水溫度為16.95、15.47 ℃，住宅小區(qū)B測試期熱泵用戶側平均進、出水溫度為16.15、13.35 ℃，住宅小區(qū)C測試期熱泵用戶側平均進、出水溫度為16.43、14.81 ℃。

由以上數(shù)據可知，3座住宅小區(qū)均存在小溫差運行情況。由表2、3可知，供冷期3座小區(qū)的室內溫度比較理想。由此可以說明，3座小區(qū)均存在小溫差、大流量運行的情況。

圖6 供冷期住宅小區(qū)A熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度

圖7 供冷期住宅小區(qū)B熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度

圖8 供冷期住宅小區(qū)C熱泵用戶側日均進出水溫度、地埋管側日均進出水溫度

5 能效比評價

采用供暖期測試時間2017年12月25日—2018年3月15日以及供冷期測試時間2018年6月12日—9月15日的相關測試數(shù)據，計算地埋管地源熱泵系統(tǒng)供暖期能效比、供冷期能效比。

為方便計算，熱泵機組的供暖期制熱量、供冷期制冷量以kW·h計。地埋管地源熱泵系統(tǒng)供暖期、供冷期能效比I的計算式為：

式中I——地埋管地源熱泵系統(tǒng)供暖期、供冷期能效比

Q——熱泵機組供暖期制取的熱量、供冷期制取的冷量，kW·h

Eu——熱泵機組耗電量，kW·h

Ep——循環(huán)泵(包括用戶側循環(huán)泵、地埋管側循環(huán)泵)耗電量，kW·h

熱泵機組供暖期制取的熱量、供冷期制取的冷量Q的計算式為：

式中n——實測時間，h

t——時間，h，取1 h

Φi——逐時平均制冷量、制熱量，kW

熱泵機組制冷量、制熱量Φ的計算式為：

Φ=qρcpΔθ

式中Φ——熱泵機組制冷量、制熱量，kW

q——熱泵機組用戶側循環(huán)水體積流量，m3/s

ρ——熱泵用戶側循環(huán)水密度，kg/m3

cp——循環(huán)水比定壓熱容，kJ/(kg·K)，本文取4.186 kJ/(kg·K)

Δθ——熱泵機組用戶側循環(huán)水溫差，℃

供暖期熱泵用戶側循環(huán)水密度取994 kg/m3，供冷期熱泵用戶側循環(huán)水密度取999 kg/m3。

熱泵機組、循環(huán)泵電動機耗電量E的計算式為：

式中E——熱泵機組、循環(huán)泵電動機耗電量，kW·h

Pi——逐時平均電功率，kW

熱泵機組、循環(huán)泵電動機電功率P的計算式為[7]：

P=1.732×10-3UIηλ

式中P——熱泵機組、循環(huán)泵電動機電功率，kW

U——供電電壓，V，為380 V

I——實測輸入電流，A

η——傳輸效率，本文取0.95

λ——功率因數(shù)，本文取0.85

由實測數(shù)據及上述計算式，可計算得到3座住宅小區(qū)的供暖期能效比分別為2.89、2.12、3.07，供冷期能效比分別為3.86、2.44、4.11。由計算結果可知，在3座住宅小區(qū)中，住宅小區(qū)C的供冷期能效比、供暖期能效比均最高，住宅小區(qū)A居中，住宅小區(qū)B最低。這反映，住宅小區(qū)C熱泵機組的配置比較合理，運行策略比較得當。

GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應用工程評價標準》表6.4.3給出的地埋管地源熱泵系統(tǒng)能效比級別劃分見表4。

表4 地埋管地源熱泵能效比級別劃分

GB/T 50801—2013第6.4.4條規(guī)定，當?shù)芈窆艿卦礋岜孟到y(tǒng)供暖期、供冷期均使用時，應分別依據表6.4.3中供暖期、供冷期能效比級別分別進行分級，當供暖期、供冷期能效比不同時，按表6.4.3取較低級別。由此可判定住宅小區(qū)A為3級，住宅小區(qū)C為2級。由于住宅小區(qū)B供暖期能效比、供冷期能效比均比較低，未能獲得評級。

6 結論

采用實測方法，在供暖期、供冷期對3座采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)(兼具供暖、供冷)住宅小區(qū)A～C的室內溫濕度、熱泵用戶側循環(huán)水溫度與流量、熱泵地埋管側循環(huán)水溫度與流量、熱泵機組耗電量、循環(huán)泵(熱泵用戶側循環(huán)泵、熱泵地埋管側循環(huán)泵)耗電量進行實測計算。根據GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應用工程評價標準》對地埋管地源熱泵系統(tǒng)供暖期、供冷期能效比進行級別劃分，評價3座住宅小區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)的性能。

① 3座住宅小區(qū)供暖期、供冷期室內熱濕環(huán)境比較理想。

② 3座住宅小區(qū)供暖期、供冷期均存在小溫差、大流量運行情況。

③ 住宅小區(qū)A～C的供暖期能效比分別為2.89、2.12、3.07，供冷期能效比分別為3.86、2.44、4.11。根據GB/T 50801—2013的地埋管地源熱泵系統(tǒng)的能效比劃分，住宅小區(qū)A為3級，住宅小區(qū)C為2級，住宅小區(qū)B未獲得評級。