地下水源热泵系统运行能效指标确定方法研究

 文章编号：（2019） 1003­0344 9­009­5建 筑 热 能 通 风 空 调

BuildingEnergy&Environment Vol.38No.9 Sep.2019.9~12 地下水源热泵系统运行能效指标确定方法研究

陈婷婷王智伟王雨李明珠 西安建筑科技大学环境与市政工程学院

摘 要：基于陕西地区地下水源热泵系统的基础性调研数据， 考虑了地下水源热泵系统的地域性以及多样性等特 点， 提出了地下水源热泵系统运行能效指标的确定方法。在对系统合理分级的基础上， 利用TRNSYS17建立地下 水源热泵系统模型，探索性确定了陕南以及关中地区不同级别的地下水源热泵系统运行能效的约束性指标和引 领性指标， 为陕西地区地下水源热泵系统节能运行实施细则的制定提供参考和依据。 关键词：地下水源热泵 能效约束值 能效引领值 StudyonDeterminationofOperationEnergyEfficiencyIndex ofUndergroundWaterSourceHeatPumpSysteminShaanxiProvince CHENTing­ting,WANGZhi­wei,WANGYu,LIMing­zhu SchoolofEnvironmentandMunicipalEngineering,Xi’ anUniversityofArchitectureandTechnology Abstract: Basedonthebasicsurveydataoftheundergroundwatersourceheatpump(GWSHP)systeminShaanxi Province,takingintoaccounttheregionalismanddiversityoftheGWSHPsystem,amethodfordeterminingtheenergy efficiencyindexofthesystemwasproposed.Onthebasisofareasonableclassificationofthesystem,aGWSHPsystem modelwasestablishedusingTRNSYS17,andtheconstraintindexandleadingindexoftheoperationenergyefficiency oftheGWSHPsystematdifferentlevelsinsouthernandcentralShaanxiwereobtained.Theseresultscouldserveasa referenceandbasisforenergy­savingoperationimplementationdetailsofGWSHPsystem. Keywords:GWSHP,constraintindex,leadingindex 地下水源热泵作为节能高效、环境友好型的供 热、 供冷技术， 近年来在我国得到了广泛应用。截至 我国水、 地源热泵系统的应用面积累积已达 2014 年， 2[1] 。然而， 大量实际项目测试数据表明， 地 到3.6 亿m [2­3] 。由于 下水源热泵系统实际运行的能效水平并不高 探索性确 泵系统运行能效指标确定方法进行了研究， 定了陕西地区其指标的约束值与引领值。 1 基本思路及方法 1.1基于实地调研数据确定计算条件 地下水源热泵系统运行能效指标的确定主要取 决于两个方面： 一是客观条件， 反映当地的自然因素， 反 包括气候特征和水文地质条件等。二是主观条件， 映系统的先进水平，包括系统配置以及运行策略等。 地下水源热泵系统运行能效指标的确定应是主观与 地下水源热泵系统实际运行能效与水文地质条件， 气 候特征以及系统配置，运行策略等因素密切相关， 呈 现出强烈的地域性和多样性， 因此有必要对地区性的 热泵系统运行能效进行研究。目前我国虽然已制定了 可再生能源系统运行的相关规范， 但是对地方性指标 本文对地下水源热 实施细则的可操作性较差。为此， 收稿日期： 2018­5­28 作者简介：陈婷婷 （1991~）， 女， 硕士， 研究生； 西安建筑科技大学环境与市政工程学院 （710055）； E­mail:cttxjd@163.com  （2014XT­20） 基金项目：陕西省协同创新项目

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客观相协调的结果。对该地区的地下水源热泵系统进 行实地调研， 统计各系统的水文地质条件， 气候特征， 系统配置，运行策略以及供暖末端方式等关键信息， 为系统的合理分级提供参考依据以及系统模拟提供 计算条件。 1.2 地下水源热泵系统合理分级 热泵机组能效是系统能效的主要影响因素， 因此 对系统分级的前提是对热泵机组的能效进行等级划 分。采用最新标准 《水 （地） 源热泵机组能效限定值及 能效等级》 [4] 作为热泵机组能效等级的划分依据， 采用 全年综合性能系数 ACOP 作为计算热泵机组性能等 级的指标， 计算方法如下： 统计热泵机组样本中额定工况的制热性能系数 COP ref 和制冷能效比EER ref， 根据式 （1）， 计算全年综合 性能系数 ACOP， 再根据热泵机组能效分级表 1， 判断 热泵机组的能效等级。 ACOP=aEER ref +bCOP ref （1） 式中： a， b 为典型城市的办公建筑制冷、 制热时间分别 占办公建筑总的空调时间的比例， a=0.56， b=0.44。 表1 热泵机组能效分级 名义制冷量 CC/kW 

1 级 2级 3级 CC＜150 

5.3 4.9 3.9 CC＞150 

5.9 

5.5 

4.4 

供暖末端方式选择地板辐射供暖， 结合热泵机组 能效的不同等级， 以及水泵是否应用变频技术进行组 合， 将热泵系统划分为3级， 如表 2所示。 表2 热泵系统分级 系统级别 系统配置 

1 级 热泵机组能效等级 1 级+水泵变频+地板辐射 2 级 热泵机组能效等级 2 级+水泵变频+地板辐射 3 级

热泵机组能效等级 2 级+水泵定频+地板辐射

1.3 兼顾地下水源热泵系统的地域性特点袁不同地区 设置不同的指标 地下水源热泵系统受水文地质条件以及气候特 征等客观条件的影响， 呈现出强烈的地域性。由于陕 西地区自然地理条件特殊， 造成水文地质特征差异较 大， 而水文地质特征是影响地下水源热泵系统能效的 主要因素。据调研资料显示， 关中地区地下水温度一 般为15益， 井深150m， 单井涌水量80m 3 /h。 陕南地区 平均地下水温度一般为18益， 井深120m， 单井涌水量 120m 3 /h [5] 。可见陕南地区的水文地质条件较关中地区 要好， 而陕北地区属于贫水区， 不适宜应用地下水源热 泵系统。 同时， 根据我国的气候分区， 秦岭以北的陕北、 关 中地区大部分属于寒冷地区， 冬季较长且寒冷干燥， 供 暖季节较长。 秦岭以南的陕南地区属于夏热冬冷地区， 冬季阴冷， 供暖季节较短。 因此陕西地区地下水源热泵系统运行能效指标 的确定应兼顾不同水文地质特征以及气候区， 根据其 实际运行条件， 对不同的地区提出不同的指标要求。 1.4 能效指标确定思路 基于该地区实际调研数据， 利用 TRNSYS17建立 地下水源热泵系统的仿真模型。以实际调研数据为计 算条件， 在系统合理分级的基础上， 分别模拟传统运行 策略以及优化运行策略下系统的能效， 将传统运行策 略的模拟值作为约束性指标， 优化运行策略的模拟值 作为引领性指标。图1为地下水源热泵系统运行能效 指标确定方法框架图。 调研地下水源热泵系统 ˆ气候特征 划分依据 ˆ水资源条件 根据国家标准对 ˆ系统配置 热泵系统合理分级 ˆ运行策略 模型建立 ˆ末端方式选择 ˆ机组配置 ˆ水泵选型 计算条件 不同地区住宅建筑 TRNSYS能耗模拟 传统运行策略得约束值 优化运行策略得引领值 不同地区不同级别 地下水源热泵系统运行 能效的约束值与引领值 图1 确定方法框架图 2 模型建立 2.1 建筑概况 以陕西省西安市典型住宅建筑为模拟对象， 层高 都是3m， 总建筑面积约2.576万m 2 。该建筑采用地下 水源热泵系统集中供暖， 系统末端采用地板辐射供暖。 室外气象参数采用典型气象年数据， 室内设计温 度为18 益， 模拟供暖热负荷为1030kW。模拟过程忽 略人员， 灯光以及其他设备对负荷的影响， 具体模拟 条件如表3所示。 第 38 卷第 9 期 陈婷婷等： 地下水源热泵系统运行能效指标确定方法研究 ·11·

表3 模拟条件 项目

条件

供暖模式 0:00­24:00 连续供暖 围护 墙 多孔砖+聚苯乙烯泡沫板

结构

窗 中空玻璃塑钢窗

门 保温外门 屋顶 发泡聚苯板保温

地面 地板辐射供暖，详细结构参数见表 4 

渗透 换气次数=0.5/h 模拟时间 

11 月 15 日～次年 3月 15 日

表4 辐射地板结构参数 类别 材料 厚度/mm 

导热系数/W/(m∙K) 

装饰层 木质地板 20 0.14 抹灰层 水泥砂浆 20 0.93 填充层 豆石混凝土 60 

1.28 地暖盘 PE­X 管 外径 20/内径 16 

0.38 填充层 豆石混凝土 60 1.28 绝热层 聚苯乙烯泡 30 0.047 楼板层 钢筋混凝土 80 1.74 抹灰层

水泥砂浆 

20 

0.93 

2.2 系统设计参数 整个热泵系统冷热源采用3 台水源热泵机组， 负 荷侧、 水源侧均为一次泵系统， 运行台数与机组台数 一致。 潜水泵为一抽三灌， 间歇运行。 系统的设计参数 为：冬季额定工况下，机组水源侧进 / 出口水温为 15/10 益，流量为 120m 3 /h。负荷侧供 / 回口水温为 45/40 益， 流量为180m 3 /h。 2.3 热泵机组选型 根据建筑物的供暖设计热负荷分别选取能效等 级为 1 级、 2 级的热泵机组，机组的制热性能系数 COP ref 分别如图2、 3所示。 图2 能效等级1级热泵机组变工况COP ref

图3 能效等级2级热泵机组变工况COP ref

2.4 水泵选型 根据设计参数对负荷侧、水源侧水泵进行选型。 如上所述， 负荷侧设计总流量为180m 3 /h， 每台水泵设 计流量为 60m 3 /h，扬程26m。水源侧设计总流量为 120m 3 /h， 每台水泵设计流量为40m 3 /h， 扬程45m。潜 水泵为一抽三灌， 间歇运行， 每台水泵流量为120m 3 h， 扬程120m。水泵型号及主要参数见表5。 表5水泵型号及主要参数 额定 额定 额定 额定 类型 型号 流量 扬程 功率 效率 台数 /m 3 /h /m /kW /% /台 负荷侧水泵 DFW80­160B/2 80 24 7.5 74 3 水源侧水泵 DFW80­200A/2 44 44 11 66 3 潜水泵 

250QJ125­112/7 

125 

120 

63 

65 

4 

负荷侧水泵以及水源侧水泵均为变频运行， 潜水 泵间歇定频运行， 供暖季平均每小时的输入功率为 22kW。采用最小二乘法对负荷侧、 水源侧水泵的样本 数据进行拟合， 分别得到负荷侧水泵及水源侧水泵的 特性曲线方程。 负荷侧水泵特性曲线方程： HL  = 29.  8917 + 0 . 0143 G L - 1 . 134 ´ 10 - 3 

G L 

2 

（2） hL  = 0.  2678 + 1 . 0764 ´ 10 - 2 GL  - 6 . 0764 ´ 10 - 5 G L 

2 

（3） 水源侧水泵特性曲线方程： HS  = 50.  11 + 0 . 01389 G S - 3 . 472 ´ 10 - 3 

G S 

2 

（4） h S = - 0 . 0122 + 2 . 5972 ´ 10 - 2 GS  - 2 . 43 ´ 10 - 4 

G S 2 

（5） 由于室外温度波动导致负荷的变化， 不同的热负 荷对应不同的水泵流量需求特性， 不同的水泵流量对 应不同的输入功率。负荷侧水泵流量与输入功率以及 水源侧水泵流量与输入功率的函数表达式： PL  = 3 . 36 ´ 10 -3 

G L 2 ­ 0 . 1079 G L + 1 . 493 

（6） PS = 8 . 6 ´ 10 - 3

Gs 2 

­ 0 . 1735 Gs + 1 . 9183 

（7） 根据上述热泵机组、水泵的选型结果， 在 TRNSYS17中建立地下水源热泵地板辐射供暖系统， 如图4所示。 图4 地下水源热泵地板辐射供暖系统 ·12·建 筑 热 能 通 风 空 调 2019年

3 结果分析 传统运行策略根据管理人员运行经验， 不同时间 对应的热泵机组与水泵开启台数如表6所示。 表6 不同日期机组水泵运行台数 时间 热泵机组 负荷侧

水源侧

台数 水泵台数 水泵台数 

11.15～12.15 

2 2 2 12.15～次年2.15 3 3 3 次年2.15～次年 

2 

2 

2 

优化运行策略则根据 E.Granryd 的方法 [6] ， 得到 不同的日室外最低温度所对应的最佳热泵机组， 水泵 的运行台数以及负荷侧，水源侧的最佳运行流量， 如 表7所示。 表7 优化运行策略 日室外

机组、水泵 单台机组 单台机组

最低温度 运行台数 负荷侧水泵

水源侧水泵

/℃ /台

最佳流量/m 3 

/h 

最佳流量/m 3 

/h 

­11 3 52 28 ­10 3 51 27.5 ­9 3 50.5 27.2 ­8 3 50 27 ­7 3 49 26.5 ­6 3 48.5 26 ­5 3 47.7 25.8 ­4 3 47 25.4 ­3 2 52 28 ­2 2 51 27.5 ­1 2 50 27 0 2 49 26.5 1 2 48 26 2 2 47 25.5 3 2 46 24.7 4 2 44.5 24 5 2 43 23.3 6 1 52 27.5 7 1 49 26.4 8 

1 

47 

25.3 

在满足热负荷需求的前提下， 在传统运行策略以 及优化运行策略下分别对不同级别的热泵系统进行 模拟。将传统运行策略下的能效作为约束性指标， 优 化运行策略时的能效作为引领性指标。 系统评价指标采用单位建筑供暖面积能耗以及 系统性能系数COPsys 综合指标评价系统能效。采用水 源侧耗电输热比 EHR­h(S) [7] 、 热泵机组季节性能系数 SCOP [8] 、 负荷侧耗电输热比 EHR­h(L)， 分别评价水源 侧输配系统，热泵机组以及负荷侧输配系统的能效。 经模拟计算以西安为代表城市的关中地区地下水源 热泵系统能效指标以及各分项指标的约束值以及引 领值见表8、 9。 表8 关中地区地下水源热泵系统能效指标 单位建筑供暖面积能耗 

系统制热 系统 /kW∙h/(m 2 

∙a) 性能系数 级别 约束值 引领值 约束值 引领值 1 级 30.67 27.3 3.37 3.9 2 级 32.63 29.32 3.2 3.6 3 级 

32.96 

30.63 

3.1 

3.4 

表9 关中地区地下水源热泵系统分项能效指标 系统 热泵机组季节 负荷侧 水源侧 级别 性能系数 耗电输热比 耗电输热比 约束值 引领值 约束值 引领值 约束值 引领值 1 级 5.0 5.5 0.0189 0.0115 0.0448 0.0289 2 级 4.5 5.1 0.0192 0.0115 0.0448 0.0293 3 级 

4.3 

4.7 

0.0202 

0.0192 

0.052 

0.0447 

由于陕南地区与关中地区相比， 冬季室外平均温 度高 3.5益，造成相同建筑汉中市冬季热负荷较西安 市小， 同时地下水进水温度为 18 益， 比关中地区高 3 益。水源侧井深小以及单井涌水量高， 因此水源侧潜 水泵能耗降低。结合以上影响因素，采用相同方法对 汉中市地下水源热泵系统进行模拟分析， 给出以汉中 为代表城市的陕南地区地下水源热泵系统能效指标 以及各分项指标的约束值以及引领值， 见表 10、 11。 表10 陕南地区地下水源热泵系统能效指标 系统 单位建筑供暖面积能耗 系统制热 2 

级别 /kW∙h/(m ∙a) 

性能系数

约束值 引领值 约束值 引领值 1 级 24.54 21.84 3.5 4.06 2 级 26.1 23.46 3.33 3.74 3 级 

26.37 

24.5 

3.22 

3.54 

表11 陕南地区地下水源热泵系统分项能效指标 热泵机组 负荷侧 水源侧 系统 季节性能系数 耗电输热比 耗电输热比 级别 约束值 引领值 约束值 引领值 约束值 引领值 1级 5.1 5.61 0.0179 0.0109 0.0313 0.0202 2级 4.59 5.2 0.0182 0.0109 0.0314 0.0205 3级 

4.37 

4.79 

0.0192 

0.0182 

0.0364 

0.0313

4 结论 本文将实地调研数据与模拟仿真相结合， 提出了 地下水源热泵系统运行能效指标的确定方法。基于实 际调的研数据建立了地下水源热泵系统的仿真模拟， 统计了不同地区的水文地质条件， 气候特征， 系统配置 以及运行策略等信息， 为地下水源热泵系统的合理分 级提供了依据以及模拟计算分析提供了可靠的计算 基础。1） 根据本文所提出的地下水源热泵运行能效指标 的确定方法， 分别给出了关中地区以及陕南地区地下 （下转38页） ·38·建 筑 热 能 通 风 空 调 2019年

2 下面将分析当屋顶传热系数为6.3W/(m · K)时的 工业厂房模型， 对西安地区不同余热强度条件下围护 结构防热性能进行优化。 在通风换气次数一定的条件下得到西安地区室 3 3 内热强度为45W/m 和 30W/m 时，外墙传热系数推 2 · 屋顶传热系数推荐值为 0.44W/ K)， 荐值为 6.4W/(m 2 · (m K)。 3 时，由于夏季室内通风量 室内热强度为15W/m 内外壁面温度以及传热量大小， 以此说明该传热系数 3 图 5是西安室内热强度为45W/m 屋顶 是否合适。 时， 2 ·内外壁面温差在夏季的变 K)， 传热系数为 6.3W/(m 化情况。 2 从图 5 中可以看出， 屋顶传热系数为 6.3W/(m · 内外壁面温差大于零的时间多， 约占总时长的 K)时， 另外 10%时间屋 该时间段内热量由内向外传递， 90%， 面热 顶需要隔热。 由于Energyplus中的热源为面热源， 面热源散热量不易集 源分布均匀， 相比于集中热源， 中上升排出室外， 同时会对整个屋顶内壁面温度产生 会使得计算结果偏大， 影响， 也就是说实际情况下屋 顶内壁面温度低于目前的计算结果， 内外壁面温度小 于零的时间会增大。同时本研究的目的是保证夏季防 热， 兼顾冬季保温， 围护结构应以夏季防热为主， 内外 壁面温差小于零的时间也不能忽略。综上所述， 屋顶 传热系数不宜取太大， 参考民建中的节能标准， 并考 虑室内温度较高， 建议屋顶传热系数取值与室内热强 3 2 度为30W/m 时一致， 即K=0.44W/(m ·K)。相比于屋 而且受辐射的时间 顶， 外墙接收的太阳辐射量较小， 2 较短， 所以传热系数取6.4W/(m · K)不变。 [2] [3] [4] [5] [6]围护结构传热 较大， 室内热环境主要受通风量影响， 系数对夏季室内热环境影响小， 围护结构应以冬季保 温为主， 此时外墙和屋顶的传热系数可参考该地区民 用建筑节能标准以及现有的围护结构构造取相对较 小值。 参考文献 [1] 中冶建筑研究总院有限公司, 西安建筑科技大学. GB51245­ 2017工业建筑节能设计统一标准 [S].北京: 中国计划出版社, 2017. 冯松海,邓高翔,邹声华.某钢厂热源厂房通风改造[J].工业安 全与环保,2004,30(1):22­4. 邹声华,张登春,李孔清.自然通风改善半封闭热源厂房热环境 的研究[J].矿冶工程,2005,25(2):81­4. 孟晓静.高温热源工业建筑双辐射作用下室内热环境特性研究 [D].西安:西安建筑科技大学,2016. 3 结论 采用室内 本文根据工业建筑围护结构防热特点， 操作温度为工业建筑围护结构防热优化控制参数， 以 并建立典型 “不满意总小时数” 为防热优化控制目标， 中国建筑科学研究院.GB50176­2016民用建筑热工设计规范 [S].北京:中国建筑工业出版社,2017. ThermalEnvironmentalConditionsforHuman Occupancy(ANSI/ ASHRAEStd.55)[S].Atlanta: ASHRAE, 2013. [7] [8] 沙行勉.计算机科学导论—— —以Python为舟(第 2版)[M].北京: 清华大学出版社,2016. 谢比列夫．室内气流空气动力学[M].北京:建筑出版社,1978. （上接12页） 水源热泵系统运行能效的约束性指标以及引领值指 标， 为陕西地区地下水源热泵系统节能运行实施细则 的制定提供参考和依据。由于水文地质条件的优势以 及气候特征， 对陕南地区的地下水源热泵系统的运行 能效提出了更高的要求。 2）对于关中地区以及陕南地区的地下水源热泵 [3][4][5] [6]分析与运行优化[J]. 西安建筑科技大学学报(自然科学版), 2017,49(1): 125­130. LeiF,HuP.Energyandexergyanalysisofaground waterheat pumpsystem[J].FluidMachinery,2012,24(2):169­175. （地） 源热泵机组能效限定值及能效等级 GB/T19409­2013 水

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