北京市地下水地源热泵系统应用效果分析评价.docx

北京市地下水地源热泵系统应用效果分析评价北京市水科学技术研究院林跃朝刘立才摘要统计分析了个热泵项目的调研数据，对比相关规范要求，主要评价了地下水地源热泵系统的性能、节能性、回灌效果以及抽灌井之间的“热突破”程度。结果表明，北京市地下水地源热泵系统的性能一般，节能效果较好，抽灌井之间的“热突破”程度较低，回灌效果总体较好。关键词 地下水地源热泵 性能 节能 回灌 热突破 ， ， ， ， ， ， ，本文在对北京市已建设投运的 个热泵项目进行调研的基础上，从系统性能、运行成本，节能、 回灌效果等方面主要分析和评价地下水地源热泵 的运行效果。效比（见 表 ）进 行 评 价。 当 估 算 出 的 值 或 值大于标准能效比时，则表示热泵系统性能 较好，达到标准要求；否则，则认为热泵系统性能较 差，不能满足标准要求。系统性能、节能效果分析评价表热泵系统标准能效比地下水地源热泵 系统地埋管地源热泵 系统污水源热泵 系统江水、湖水源热泵 系统调研总体情况及业主满意度总体情况制热系统能效比 制冷系统能效比 调研涉及 个项目，其中地下水地源 热 泵 系统 个，污水、再生水源热 泵 个； 个 未 收 集 到 耗电量数据和室内温度数据； 个具备供冷、供暖 双重功能， 个因建筑类型的需要 和 已 有 条 件，或 仅需夏季供冷，或仅需冬季供暖，或仅提供生活热 水。 在调查回灌情况时，补充调查了通州区、昌平 区的 个地下水地源热泵系统。经评价可 知， 个具有夏季制冷 功 能 的 地 下水地源热泵系 统 中， 个 项 目 满 足 制 冷 性 能 标 准 要求， 个项目未达到标准要求； 个具有冬季供 暖功能的热泵 系 统 中， 个 项 目 满 足 供 暖 性 能 标 准要求， 个 项 目 未 达 到 标 准 要 求。 夏 季 制 冷 和 冬季供暖均不达标的项目有 个。 由此可见，地下 水地源热泵系统的制冷性能较好，供暖性能一般。 各热泵系统的冬季 和夏季 见图。根据相关标准给出的地源热 泵 系 统 能 效 比业主满意度 个 项 目 运 行 温 度 能 达 到 采暖通风与空气调节设计规范的规定值：供暖季 ，制冷季 。系统性能评价根据调研获得的热泵系统耗电量和冬季供暖 期、夏季制冷期转移的热量，可估算出热泵系统冬 季运行 值和夏季运行 值。 系统性能的 优劣可根据相关标准中给出的热泵系统标准能 林跃朝，女， 年 月生，大学，副主编，副编审 北京市海淀区 车 公 庄 西 路 路北京市水科学技术 研究院北京水务编辑部（）：收稿日期：修回日期：暖通空调 年第 卷第 期技术交流见，地下水地源热泵系统的节能效果较好，多数热泵系统达到了节能减排的目的。 综合地下水地源 热泵系统的性能和节能效果可见，已实施项目达到 评价标准要求的比例较高。系统运行成本分析和评价 个热泵系统多为业主自用，不 用 考 虑 热 泵 系统的盈利，仅有 个项目可进行盈亏分析。 从调 查情况 看， 个 热 泵 系 统 中， 个 盈 利， 个 亏 损。 具体数据见表。图热泵项目性能分布级别划分（见表）可以看出，制冷能效比达到 级的项目 有 个，占 比 ，而 制 热 能 效 比 达 到 级的项目仅有 个，表明地下水地源热泵系统在实 际运行中制冷能效达标情况好于制热。表热泵系统运行盈亏系统 平均电价（元收费标准年盈亏情况 盈亏占成本编号（万元）百分比（）供暖费： 元制冷费： 元 供暖费： 元 制冷费： 元 供暖费： 元 制冷费： 元 供暖费： 元 制冷费： 元 供暖费： 元 制冷费： 元 供暖费： 元 制冷费： 元表地源热泵系统能效比的级别划分 级 级 级制热制冷制热制冷制热制冷 导致地下水地源热泵系统能效比不达标的原因为：）热泵系统的设计负荷大于实际所需负荷， 造成机组频繁启停，在机组停机期间，末端循环泵 和地下水循环泵仍需运行，从而造成水泵功耗的增 加，导致热泵系统整体性能降低，分析发现，末端负 荷过小、机组频繁启停的项目有 个，而且多是由 于冬季热负荷 过 小。）各 种 水 泵 选 型 偏 大，耗 电 量高且效率低。）冷 热 源 温 度 不 合 适，夏 季 进 水 温度过高，冬季进水温度过低。其中 个项目系统性能差与冷热源温度有关。 一个项目水源是经处理后的河水，夏季进水温度过 高，为 ；冬季进水温度过低，平均为 。 另一个项目水源是地下水，由于抽灌井之间的“热突破”现象较为严重，冬季地下水侧进水温度低 于 ，夏季地下水侧进水温度高于 。供暖费： 元制 ： 元冷费 供暖费： 元分析表 数据可见，热泵系统运行的盈亏与收取的供暖、制冷费以及电价直接相关。 北京市集中 供暖收费标准：市热力集团供暖价格为 元 ， 天然气、油、电 等 清 洁 能 源 供 暖 价 格 为 元 。 表 有 个 项 目 的 供 暖 费 用 大 于 等 于 元 。 制冷收 费 各 项 目 差 异 悬 殊，最 低 仅 元 ，最 高 达 元 。 电价为 元（）不 等，差异悬殊。 综合分析，地下水地源热泵系统制 冷供暖收费过低、电价高是运行亏损的重要原因。建议适当提高供暖制冷收费，增加地下水地源热 泵系统运行的盈利空间，降低地下水地源热泵系统的 电价，降低运行成本，提高投资和运营方的积极性。地下水地源热泵运行成本主要是电费，由于影 响电价的因素较多，差异性较大，因此，系统耗电量 可以间接作为运行成本的评价因素。 为了减小地 下水地源热泵供暖制冷面积不同、时间长短不同的 影响，采用每天的耗电量反映地下水地源热泵系统 的能耗。 具体数据见图。分析图可知，剔除因利用热泵机组进行冰蓄冷 使耗电量明显增大的项目，地下水地源热泵系统制冷期的耗电量为（ ）；冬季供系统节能评价根据调研获得的数据，依据相关标准评价地 下水地源热泵系统节能效果，即供暖期与燃煤锅炉 相比，制冷期与常规冷水机组相比，评价热泵系统 的节能效果及其带来的环境效益。 按照评价标准 中提供的计算方法，结合 个项目的实际运行数 据，经计算，具有制冷功能的 个地下水地源热泵 项目中，在夏季制冷期， 个节能， 个不节能。 在 具有供暖功能的 个地下水地源热泵项目中， 个节能， 个不节能。 按照全年统计， 个地下水 地源热泵项目中， 个节能， 个不节能。 由此可林跃朝，等：北京市地下水地源热泵系统应用效果分析评价（）制冷期，回灌水与抽水井的温度变化较为平稳。 地下水温度约为 ，回灌水温度约为 ，抽灌井 温差为 。在冬季供暖期，地下水温度平稳，约为 。回灌水的温度也平稳，约为 。抽灌井温 差维持在 。地下水平稳的低温度和抽灌水之间 的高温差，表明该地下水地源热泵系统的抽灌井之 间基本未发生“热突破”，热泵长期运行稳定。项目：地下水抽灌采取两抽一灌的对井抽灌 模式，回灌井为大口井，抽灌井不季节性轮换，最小 抽灌井间距为 ，抽灌量为 。 根据 个制冷期和供暖期数据分析可知，不论是夏季制冷图热泵项目制冷供暖耗电量分布暖期耗电量为（ ）。其中夏季制冷每日耗电量相对集中在（）的项目合计为个，占总数的。冬季供 暖每日耗电量相对集中在（ ）的项目合计个，占项目总数的。经统 计 可 知，夏 季 制 冷 耗 电 量 均 值 为 （ ），中 位 数 为 （ ）；冬季供暖耗电量均值为（）， 中位数为（ ）。 两者均值都大于 中位数，频率曲线均呈右偏态，表明地下水地源热泵 系统耗电量符合对数正态分布。由于样本容量小于，可利用推断性统计学中的分布估算北京市地 下水地源热泵总体在置信水平 时的耗电量对 数置信区间，并经反算，可得出夏季耗电量为（ ），均值为（ ）；冬季耗电量为（ ），均 值为（）。由此可见，地下水地源 热泵系统在冬季供暖期的耗电量大于夏季制冷期。 由于夏季制冷期建筑物所需的负荷大于冬季供暖期，热泵系统运行状态更加接近设计状态，制 冷期运行效率高于供暖期，制冷期转移相同的热量 消耗的电量较供暖期少。期还是冬季 供 暖 期，抽 灌 井 之 间 均 发 生 了 显 著 的“热突破”。 在制冷和供暖初期，抽水井的温度较为稳定，随后发现了显著的升高（制冷期）和降低（供 暖期）趋势。 虽然抽灌场地在制冷期和供暖期均存 在明显的“热突破”，但经过间歇期后，抽水井温度 能得到较好 恢 复，这 可 能 与 较 大 的 地 下 水 流 速 有 关。 从地下水温度的长年变化看，地下水温度并未 呈现出显著的降低或升高态势，冷热源的温度不会 影响该热泵系统的长年运行。项目 ： 口 抽 灌 井，采 用 组 井 抽 （口）， 组井回（ 口）的运行模式，抽灌井比为。 冬夏季节轮换时，抽灌井亦轮换， 组井 交替使用。 抽灌井之间平均间距 。 年的运 行数据表明，热 泵 场 地 抽 灌 井 之 间 发 生 了 明 显 的 “热突破”，但并不严重；回灌井水温因“热突破”夏 季制冷期渐趋 升 高，冬季供暖期渐趋 降 低；由 于 组井在冬夏季节转换时交替使用，供暖和制冷初期 的地下 水 温 度 均 低 于 ，从 而 显 示 不 出 “热 突 破”对抽水井的影响。 尽管发生了“热突破”，但热 泵运行过程中自供暖制冷初期至末期，抽灌井之 间的温差在波动中较为稳定，未呈现出降低的变化 趋势，表明热泵系统的运行十分稳定。根据对以上 个项目及其他项目的分析表明：）调研的地下水地源热泵系统中，冬季的进水温度 不低于 ，夏季进水温度不高于 ，基本符合 水源热泵机组的规定：机组正 常工作的冷热源温度范围为 。从冷热源 的角度，北京市地下水地源热泵系统能够正常运行。）通过场地地下水温度变化研究可知，在对井模式 下，当抽灌井之间的距离小于 时，将产生较为 明显的“热突破”现象；当抽灌井间距大于 时，地下水温度变化分析和评价地下水地源热泵场地的地下水温度变化是影 响热泵系统运行的重要因素。 地下水温度变化主 要受制于抽灌井之间的距离，距离太短，“热突破” 现象严重，抽水井温度会随着回灌水温度的升降而 升降。 为此，选择对井抽灌模式下抽灌井距离差异 较大的地下水地源热泵场地，评价热泵系统运行过 程中对地下水温度的影响。项目：地下水地源热泵系统采用四抽六灌的 对井运行模式，最小抽灌井间距 ，地下水抽灌 量。根据抽灌井的温度变化数据，在夏季暖通空调 年第 卷第 期技术交流则基本不会发生“热突破”，或“热突破”程度轻微。沉降中心区， 个 位 于 较 适 宜 发 展 区。 可 见，热 泵场地在水文地质条件不适宜回灌的限制发展区是 回灌不畅的主因。回灌效果分析和评价利用浅层地下水资源作为地下水地源热泵的冷 热源，除少量损耗外，要求大部分水回灌到地下含水 层，回灌效果对于地下水地源热泵系统评价至关重 要。参与评价的地下水地源热泵项目共个。根据调查可知，在 个地下水地源热 泵 系 统 中， 个项目回灌情况不理想，占比 ，其中 个 项目因不能回灌已经废弃不用。 其余 个项目回灌效果较好。地下水地源热泵的回灌效果与水文地 质 条 件（含水层岩性、含水层厚度、回灌能力）和水化学条件（地下水中的铁含量和总硬度）有密切的关系。 目 前，针对地下水地源热泵系统将北京平原区划分为 适宜发展区、较适宜发展区、限制发展区和禁止发展 区。限制发展区主要分为两部分：一是地下水流 动快的城市集中水源地补给区，二是难以回灌的地 区，该地区地层结构多为含水层与弱透水层交互叠 置，含水层介质多为粉细砂，不利于地下水回灌。禁 止发展区也包括两部分：一是地下水源地保护区，二 是地面沉降中心区，该区地下水同样难以回灌。比较调查项目的回灌情况与区域划分情况，可 以得出以下结论：）回灌效果较好的地下水地源热泵系统多位 于较适宜发展区、限制发展区的地下水补给区和禁 止发展区的水源地保护区。 个回灌较好的地下 水地源热泵系统中只有大兴区的 家位于限制发 展区，地处永定河冲积扇前缘，且热泵场地东部紧 邻较适宜发展区和水源地保护区，回灌条件相对较 好。 其余 家位于较适宜发展区、限制发展区之 集中水源地补给区和禁止发展区之集中水源地保 护区，回灌条件较好，有利于地下水回灌。）回灌效果不好的地下水地源热泵系统中，个位于限制发展区， 个位于禁止发展区中的地面结论地下水地源热泵系统的制冷性能较好，而供暖性能一般。 主要原因在于：建筑物的实际负荷需求小于设计负荷，热泵系统在较低负荷下工作，偏 离设计点，机组频繁开启，耗电量较高，效率低。综合夏季制冷期和冬季供暖期的节能效果，调研的地下水地源热泵系统基本达到了节能减排目的。地下水地源热泵系统运行成本普遍较高。 成本较高的原因为：大部分地下水地源热泵系统的用电价格以工业用电和商业用电收取，电价较高；部 分热泵系统性能较低，耗电量相对较高。 建议在项 目设计时充分分析冷热负荷的特点，进行地下水地 源热泵系统运行过程中的配置优化。北京市地下水地源热泵系统总体的耗电量较低，夏季耗电量为 （ ），冬季耗电量为（ ）。 当热泵场 地抽灌井间距小于 时，会 发 生较为明显的“热突破”；当抽灌 井 间 距 大 于 时，基本不发生“热突破”。地下水地源热泵系统的回灌效果总体较好。当热泵场地位于限制发展区时，含水层介质多为粉细砂，回灌效果较差。参考文献：邬小波地下 含 水 层储能和地下水源热泵系统中地 下 水回路与回灌技术现状 暖 通 空 调，（）：中国建筑科学研究院，住房和城乡建设部科技发展促进中心可 再 生能源建筑应用 工程评价标准北京：中国建筑工业出版社，张霓，刘立才，郑 凡 东北京市平原区浅层地下水热 泵应用适宜区划分北京水务，（）：櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵 会讯不同地区绿色建筑联盟大会即将召开由中国绿色建筑与节能委员会和内蒙古住房和城乡建设厅主办、内蒙古绿色建筑协会承办的“第