地源热泵系统实例分析

地源热泵系统实例分析2009年2月北京市地矿总公司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0.65～0.85；燃油炉为0.7～0.9；燃气炉为0.8～0.85；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3.5～7℃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0.35m±8%；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，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2.5～4.8℃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（kW·h）600255204233.4末端（kW·h）128596.944155.4小计（kW·h）728851.9248388.8含过渡季通风电耗实际运行天数189122单位用电量（kW·h/m2·d）0.1380.073含末端（kW·h/m2·d）0.1130.06不含末端折算标煤（Kg/m2·a）9.213.15含末端（Kg/m2·a）7.592.58不含末端备注：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（kW·h/m2·d）；对不同系统进行对比时，折合为标煤千克/每平方米·每年（Kg/m2·a），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。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：改造前后设备投运情况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kW·h371516352080按每天工作10h耗电量供暖季kW·h70213530901539312007年供暖189天制冷季kW·h45323019947025376008年制冷122天四、本系统与改造前系统对比系统改造前后电耗对比7021354532303090151994703931202537600100000200000300000400000500000600000700000800000供暖季电耗KW.H制冷季电耗KW.H改造前电耗改造后电耗改造后节能图表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本系统电耗与其它地源热泵系统电耗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kW·h/(m2•d)0.5270.2810.111290.1380.113189制冷季kW·h/(m2•d)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·h/(m2·d)，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890040kW·h；比同系统最大值节电78.6%。制冷季电耗0.06kW·h/(m2·d)，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387747.5kW·h；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：本系统采暖与其它系统采暖能耗及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/m2.a)So2(g/m2.a)Nox(g/m2.a)烟尘(g/m2.a)城市热网21.73（Kg/m2·a）0.65～0.8521.73326121.734.8蓄热式电锅炉142.72(kW·h/m2·a)0.9557.1电热膜135.58(kW·h/m2·a)154.23壁挂式燃气炉17.35(Nm3/m2·a)0.820.8243.42.95直燃机16.33(Nm3/m2·a)0.8519.5940.82.8本系统(地源热泵)26.03(kW·h/m2·a)3.59.21六、本系统与其它采暖空调系统对比不同采暖方式单位面积能耗统计21.73142.72135.5817.3516.3326.030204060801001201401601城市热网（Kg/m²·a）蓄热式电锅炉(kW·h/m²·a)电热膜(kW·h/m²·a)壁挂式燃气炉(Nm³/m²·a)直燃机(Nm³/m²·a)本系统(地源热泵)(kW·h/m²·a)图表2六、本系统与其它采暖空调系统对比图表3不同采暖方式单位面积能耗对比（折算标煤）21.7357.154.2320.8219.599.210102030405060单位(Kg/m².a)城市热网蓄热式电锅炉电热膜壁挂式燃气炉直燃机本系统(地源热泵)本系统供暖季能耗折合为煤耗为9.21Kg/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