地源热泵系统实例分析

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1、地源地源热泵热泵热泵热泵 系系统实统实统实统实 例分析例分析20092009年年2 2月月北京市地矿总公司北京市地矿总公司工程概况内容介绍实际运行情况现行运行数据与改造前对比分析本系统与其它热泵系统对比分析本系统与其它空调系统对比分析开头语一、引言建设工程项目成功与否的标志在于项目的 目标能否实现。而在项目实施的过程中，影响项 目目标实现的因素众多，其中包括组织因素、人 的因素以及使用的方法与工具等。 开头语地源热泵系统是将低品位热量转换成高品位 热量进行供热、制冷的新型能源利用方式之一。与使 用燃煤、燃气、燃油等常规能源方式相比，其能量利 用率为3.5以上(燃煤为0.650.85；燃油炉为0

2、.70.9 ；燃气炉为0.80.85；电锅炉电热膜的理想值也只能 接近于1；空气源热泵系统可做到2.5，但在恶劣天气 下效率低，甚至无法启动)。地源热泵系统以其环保、 节能、一机多用、维护量小、系统运行稳定、能源重 复利用等优点而得以推广。据美国环保署估计，一套 设计安装良好的地源热泵系统平均可以节约(30 40)%的运行费用，可减少污染物排放高达70%以上 。开头语然而在实际工程应用中，很多地源热泵 项目因设计、施工及运行管理等问题，远远没有 发挥其应有的优势。下面通过对我单位实施的某 地下水源热泵系统改造前后的运行数据进行对比 ，以及与其它地源热泵项目、与其他空调形式进 行对比，说明了地源

3、热泵系统在运行中的经济性 及影响其经济性的相关因素。 二、工程概况该项目位于海淀区，原地源热泵系统由北京某 地源热泵施工单位承建，总建筑面积4.2万平方米 ，其中主楼2.8万平方米，裙楼1.4万平方米。共 设LWP1800.2型水源热泵机组7台，单台标称功 率123kW；凿井7眼，深井泵7台，单台标称功率 37kW；抽取的地下水除沙后分别经7台板式换热 器与机组进行热交换，作为机组的冷热源；井水 侧二次水循环泵7台，单台标称功率15kW；末端 循环泵7台，单台标称功率18.5kW。系统于2004 年6月建成并部分投入使用，运行效果较差，不能 满足正常的使用要求。 二、工程概况2006年初由建研

4、院空调所进行热泵系统改造设计、北 京市地质矿产勘查开发总公司进行了系统改造施工、调 试，并承担了空调系统的日常运行维护管理工作。改造 后主楼利用原有水源热泵机组5台，钻凿抽水井3眼、回 灌井3眼、水量调节池1眼，新安装深井泵3台，标称功率 55kW并配ABB变频器3台，井水经除沙器及电子水处理 仪处理后直接进入机组，无井水侧二次循环泵；使用原 末端循环泵5台；末端设备采用新风机组加风机盘管进行 冬季供暖及夏季供冷。其中新风机组17台，合计71.1kW ；风机盘管542台，合计20.3kW。裙楼利用原有水源热 泵机组2台；井水部分与主楼共用，使用原末端循环泵2 台。 二、工程概况本文以主楼地源热

5、泵系统07年冬季及08年夏 季运行数据进行分析，在下文中将改造后的主楼 地源热泵空调系统简称为本系统。 本系统运行以来，井水出水温度最高 16.3，最低15.3；利用温差大多在3.57 之间；单井出水量大于180m3/h； 静水位 30.15m、动水位约30.5m；抽水降深为 0.35m8%；水量调节池静水位为12.13m、动 水位15.3m，差为3.17m；井水含沙量小于二十 万分之一。依此数据判定地下水系统运行较为 稳定。三、本系统运行情况热泵机组开启3台的时间占总运行时间7% 以下、开启2台时间占74.5%、开启1台时间占 18.5%；深井泵及变频器从06年10月运行以来 最多开启1台，

6、夏季平均运行频率为74%、冬季 平均运行频率为77.2%；末端循环泵最多开启2 台。末端供回水温差大多在2.54.8之间，系 统运行效率较高。 三、本系统运行情况三、本系统运行情况表1：07年供暖季及08年制冷季统计统计 数据运 行 工 况 相 关 参 数供暖季制冷季备 注主楼建筑面积（m2）2800028000 用电量冷暖机房（kWh）600255204233.4 末 端（kWh）128596.944155.4 小 计（kWh）728851.9248388.8含过渡季通风电 耗实际 运行天数189122 单位用电量（kWh/m2d）0.1380.073含末端（kWh/m2d）0.1130.0

7、6不含末端折算标煤（Kg/m2a）9.213.15含末端（Kg/m2a）7.592.58不含末端备备注：为方便对比分析，在本文中对同一系统进 行对比时，折合电耗单位为千瓦时/每平方 米每天（kWh/m2d）；对不同系统进 行对比时，折合为标 煤千克/每平方米每年（ Kg/m2a），在将电耗折合成标煤数据参考2004年全国平均火力发电 煤耗，即1kWh电力折 合为354g标准煤。表1分别统计 了机房与末端的电耗数据。由于原系统运行能耗数据无从考究，在 与原系统进行对比过程中，根据原运行人员 口述系统设备投入运行的情况做简要对比。四、本系统与改造前系统对比原系统于2004年6月建成并部分投入使用。

8、运 行中地下井水能量短路及含沙量严重超标，加上板 换两侧流体之间的换热效率低下、运行维护不善， 致使系统井水侧水路严重堵塞。系统长期处于大流 量小温差运行状态：为满足一台热泵机组的正常工 作需开启深井泵4台、井水侧二次循环泵3台、末端 循环泵3台，井水侧及板换侧温差均工作在2以下 。末端温度不能有效提升，为满足末端负荷需求进 而增开末端循环泵，无形之中又增加了热泵对冷热 源需求。如此反复恶性循环，造成系统运行效率低 下、热泵机组启停频繁、外管线土方塌陷等问题。四、本系统与改造前系统对比表2列出了改造前后一台热泵机组满负荷运 行工况下所投入的设备，图表1为改造前后节能 情况对比。其中改造后的深井

9、泵供一台热泵机 组运行时只需给定70%的负荷，此时电流约为 43A（在开式系统中适当下延回水管可降低深井 泵扬程以达到节电的目的），合功率约22kW， 故表2中改造后深井泵功率按22kW计算。四、本系统与改造前系统对比四、本系统与改造前系统对比表2：改造前后设备设备 投运情况对对比 对比项目 投入设备改造前改造后改造后节省备 注热泵 机组kW123123无 深井泵kW4*3755/22126频率给定70%井水侧二次循环泵 kW3*15无45 末端循环泵 kW3*18.518.537 合 计kW371.5163.5208 日耗电量kWh371516352080按每天工作10h耗电量供暖季kWh7

10、0213530901539312007年供暖189天制冷季kWh45323019947025376008年制冷122天四、本系统与改造前系统对比图表1四、本系统与改造前系统对比通过以上数据表明系统改造是成功的。按 表中计算系统供暖季节电393120度；制冷季 节电253760度，全年共节电646880度，比原 系统节电56%。四、本系统与改造前系统对比通过对比，可以分析得出原系统出现高能耗 的原因： 1、系统设计不合理。单台深井泵抽水后经一台 板换换热后回灌，能量利用不够充分；地下水系 统存在能量短路现象。 2、施工组织不得力，成井质量不高。井水含沙 量严重超标，造成井周围抽空导致地面塌陷。提

11、 高成井质量可以解决井水含沙量过大的问题，可 去除井水侧的二次循环设备能耗及板换换热的温 差损失，有利于实现井水的100%回灌。四、本系统与改造前系统对比3、运行维护不得力。运维人员未定期除 沙，对系统运行原理理解不够，造成系统管路 严重堵塞（如图1），增加了水阻而降低了深 井泵的运行效率；在井水供应不足的条件下增 开末端循环泵，造成末端系统大流量小温差运 行。四、本系统与改造前系统对比本次同系统对比分析数据来源于北京市地 质调查研究院王泽龙工程师所做的北京市平 原区浅层地温能资源地质勘查项目浅层地温 能资源开发利用经济效益分析研究。文中参 与分析研究的项目为30个，其中地埋管地源热 泵项目5

12、个，地下水地源热泵25个；有制冷数据 的项目27个，有采暖数据的项目29个。因多数项目的末端风机盘管或新风机组的电耗 没有单独计量，故在本节的对比分析中不计算 末端设备能耗。 五、本系统与其它地源热泵系统对比表3本系统电统电 耗与其它地源热泵热泵 系统电统电 耗对对比项目指标 运行工况参与分析项目电耗本系统最大值平均值最小值样本数含末端不含末端运行天数供暖季 kWh/(m2d)0.5270.2810.111290.1380.113189制冷季 kWh/(m2d)0.3820.1740.067270.0730.06122五、本系统与其它地源热泵系统对比从表3可知，本系统供暖季电耗 0.113kW

13、h/(m2d)，接近同系统最小值；比同 系统平均值节电59.9%，供暖季合计少耗电 890040 kWh；比同系统最大值节电78.6%。制 冷季电耗0.06 kWh/(m2d)，低于同系统最小值 ；比同系统平均值节电65.5%，制冷季合计少耗 电387747.5 kWh；比同系统最大值节电84%。 热泵系统单位面积电耗差距较大。供暖季最大 值是最小值的4.75倍；制冷季最大值是最小值 的6.37倍。五、本系统与其它地源热泵系统对比以此分析数据可以看出： 1、热泵系统运行能耗效率差距较大，在日后的 推广与发展中还需不断进行优化与完善。 2、热泵系统专业性强。为充分发挥其节能、环 保等优势，还需我

14、们延伸服务范围，从项目全 寿命周期出发，加强日后运行维护管理队伍的 建设，以充分体现地源热泵工程的价值。 3、热泵系统是一项好技术，但是能否达到节能 效果，则需要对项目实施的各个阶段严格把关 ，最重要的环节是地下系统的施工质量。五、本系统与其它地源热泵系统对比与其它采暖系统进行对比的资料为： 中国国际工程咨询公司2001年所做的北 京城市采暖供热方式研究，该报告中计 算了各种采暖方式折合为标准煤的能耗和 污染物的排放量。六、本系统与其它采暖空调系统对比六、本系统与其它采暖空调系统对比表4：本系统统采暖与其它系统统采暖能耗及污污染物排放表指 标 采暖方式单位面积 能耗热效率折算标煤 (Kg /m

15、2.a)So2 (g /m2.a)Nox (g /m2.a)烟尘 (g /m2.a)城市热网21.73（Kg/m2a）0.650.8521.73326121.734.8蓄热式 电锅 炉142.72(kWh/m2a)0.9557.1 电热 膜135.58(kWh/m2a)154.23 壁挂式 燃气炉17.35(Nm3/m2a)0.820.8243.42.95直燃机16.33(Nm3/m2a)0.8519.5940.82.8本系统 (地源热泵 )26.03(kWh/m2a)3.59.21六、本系统与其它采暖空调系统对比图表2六、本系统与其它采暖空调系统对比图表3本系统供暖季能耗折合为煤耗为9.21

16、Kg/m2季，与 其它采暖方式相比能耗最低。与城市热网采暖相比每平 方米每季少耗煤12.52Kg/m2季，节能58%，每平方米 每季少排二氧化硫326克/m2季、氮氧化物121.7克/m2 季、烟尘34.8克/m2季；与蓄热式电锅炉相比每平方米 每季少耗煤47.89Kg/m2季，节能83.9%；与电热膜相比 每平方米每季少耗煤45.02Kg/m2季，节能83%；与壁 挂式燃气炉相比每平方米每季少耗煤11.61Kg/m2季， 节能55.8%，每平方米每季少排氮氧化物43.4克/m2季 、烟尘2.95克/m2季；与直燃机相比每平方米每季少耗 煤10.38Kg/m2季，节能53%，每平方米每季少排氮氧 化物40.8克/m2季、烟尘2.8克/m2季。 六、本系统与其它采暖空调系统对比六、本系统与其它采暖空调系统对比表5：本系统统制冷与冷水机组组制冷能耗表指 标采暖方式单位面积能耗折算标煤(Kg/m2.a)冷水机组19.