黄文丰，吴 涛，夏才初

(1.同济大学，上海 200092；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075)



寒区隧道地源热泵型供热系统运行能效测试研究

黄文丰1，吴 涛2，夏才初1

(1.同济大学，上海 200092；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075)

文章以某寒区隧道地源热泵型供热系统工程为例，选取不同的控制温度(8℃、10℃和12℃)对该隧道热泵机组进行现场运行测试，以分析不同控制温度下热泵机组的运行状态和能效，并与锅炉型供热系统运行测试结果进行比较。分析结果表明地源热泵型供热系统应用于寒区隧道冻害治理具有明显的节能优势。

能源地下工程是把地下连续墙、底板、围护桩，桩基，隧道中的锚杆、衬砌结构等作为热交换构件，利用热泵，冬天把低位热源中的热量泵送到需要供热或加温的地方，夏天将室内的余热转换到低位热源中，达到对建筑物本身和附近建筑物的取暖或者制冷的目的。寒区某隧道进口右幅首次应用了寒区隧道地源热泵型供热系统，从周围地层中获取能量，实现了对隧道洞口衬砌和保温水沟的供热。

国外在能源地下工程运行能效测试方面的主要研究有：奥地利维也纳技术大学的H.Brand(2006)[1]在明挖法隧道中用6台地源热泵将提取的地温能用来为附近的一所学校供暖，监测结果表明：该试验工程能提供150 kW功率的热能；一个供暖季度可提供214 MWh的能量。此后，奥地利研究学者(H.Brandl，2006[2]；Adam.D，2009[3])发现维也纳地铁U2延伸线四个地铁车站的深基础结构年平均可获得能量175 MWh，年平均制冷能力437 MWh。国内在能源地下工程尤其是能源隧道工程方面的运行能效测试研究十分缺乏。国内学者在传统地埋管地源热泵系统运行测试方面开展了大量的试验研究(张银安，2007[4]；刘文学，2008[5]；於仲义，2008[6]；江章宁，2009[7]；胡平放，2009[8]；冯建江，2009[9]；谢运生，2009[10]；袁萌萌，2013[11]；孟祥来，2013[12])，给出了传统地埋管换热器在冬季运行时的测试分析结果，地源热泵不同运行模式下的运行特点，地源热泵系统应用在建筑住宅中运行测试的分析结果等。

上述研究为寒区隧道地源热泵型供热系统运行能效测试研究提供了借鉴作用。本文在上述试验成果的基础上，对某寒区隧道地源热泵型供热系统运行能效进行了测试分析，并与电锅炉型供热系统运行测试结果进行比较，以分析地源热泵型供热系统应用在寒区隧道冻害治理中是否具有明显的节能优势。

某寒区隧道进口右幅首次应用地源热泵型供热系统，该系统的取热段位于YK226+535～YK226+735；衬砌加热段位于YK225+971～YK226+046保温水沟加热段位于YK225+971～YK226+071；热泵机组等设备位于YK226+471位置的设备洞内；系统各组集、回水管道连接安装在隧道右侧共同沟内。图1为某寒区隧道地源热泵型供热系统布置图。

图1 寒区某隧道地源热泵型供热系统布置图

本文以热泵机组不同的控制温度来开展不同的测试；根据测试期间环境大气温度，选取热泵机组的控制温度分别为8 ℃、10 ℃和12 ℃，每组测试工况的运行时间为24 h，分别进行现场运行测试，以分析不同控制温度下热泵机组的运行状态和能效。

1 地源热泵型供热系统运行能效测试结果分析

1.1 系统总管内流量变化

由下页图2可得，三个测试工况下，取热侧总管内循环介质的流量都大于加热侧总管内循环介质的流量，并且加热侧总管内循环介质的流量波动变化都比取热侧总管内循环介质的流量波动变化大。两侧管道内循环介质的流量变化都围绕一个均值在波动。为便于分析，取机组每次开机运行期间流量的平均值作为该次运行时管内循环介质的流量值，具体数值如表1所示。

表1 不同测试工况总管内循环介质流量值表

(a)8 ℃工况

(b)10 ℃工况

(c)12 ℃工况

1.2 地源热泵机组及系统能效分析

(1)供热负荷

不同测试工况下，系统加热段所需的供热负荷具体数值如表2所示；系统加热段所需的供热负荷随热泵机组运行的变化情况如图3所示。由图3可知，不同测试工况，隧道洞口加热段所需的供热负荷也不同，当机组按照测试工况三(12 ℃)运行时，洞口加热段所需的供热负荷最多，即热泵机组的控制温度越高，洞口加热段所需的供热负荷越多。

同一测试工况下，热泵机组不同开机运行期间，洞口加热段所需的供热负荷也不同，呈现上下波动变化，运行期间，供热负荷不是一个定值，而会伴随着各个影响因素有所变化。

表2 不同测试工况时的供热负荷值表(kW)

图3 不同工况供热负荷随热泵机组运行变化曲线图

(2)地源热泵机组的性能系数

同测试工况下，地源热泵机组性能系数的具体数值如表3所示；地源热泵机组的性能系数随热泵机组运行的变化情况如图4所示。

表3 不同测试工况时热泵机组的性能系数表

图4 不同工况热泵机组性能系数COP变化曲线图

由图4可知，不同测试工况，热泵机组的COP不同，当机组按照测试工况三(12 ℃)运行时，热泵机组的COP相对高于测试工况二(10 ℃)和测试工况一(8 ℃)。这主要是因为热泵机组的控制温度越高，取热段提取的热量越多，单位时间机组的耗能基本一致，因而热泵机组的COP会相对高些。此外，热泵机组某些运行次数时，测试工况三(12 ℃)运行对应的COP反而低于测试工况二(10 ℃)运行的COP，这是因为对于不同测试工况，机组运行次数所对应一天内的时间段不同，即外界环境不同，因而有可能测试工况三(12 ℃)某些时段机组的COP反而会小于测试工况二(10 ℃)某些时段机组的COP。但是整个运行期间，测试工况三(12 ℃)热泵机组运行时COP的平均值肯定会高于测试工况二(10 ℃)对应机组运行COP的平均值。

(3)地源热泵型供热系统的性能系数

不同测试工况地源热泵型供热系统的性能系数如表4所示。对应的不同热泵机组控制温度下系统的性能系数如图5所示。

表4 不同测试工况时地源热泵型供热系统的性能系数表

图5 不同控制温度下的地源热泵型供热系统性能系数COP示意图

由图5可知，地源热泵型供热系统性能系数的变化趋势和热泵机组性能系数的变化趋势相同，即热泵机组的控制温度越高，整个地源热泵型供热系统所对应的性能系数也相应越高。另一方面，对于同一测试工况，即相同的热泵机组控制温度情况下，地源热泵型供热系统的性能系数小于相应热泵机组的性能系数。

2 电锅炉型供热系统与地源热泵型供热系统运行能效对比分析

2.1 电锅炉型加热段总管内流量变化

电锅炉加热运行时，加热侧总管内循环介质流量的测试数据如图6所示。由图6可知。虽然管内循环介质的流量上下波动，但是这种波动围绕着某一均值波动。取总管内循环介质流量测试数据的平均值作为电锅炉加热运行期间总管内循环介质的流量，即循环介质流量均值约4.21 m3/h。

图6 锅炉供热系统加热工况下总管水流量变化曲线图

2.2 与地源热泵型供热系统运行能效对比分析

电锅炉供热系统采用性能系数COP来表示系统运行的能效，即隧道洞口所获供热负荷与所消耗电能之比。因此，计算分析电锅炉的运行性能系数之前，需要计算隧道洞口加热段损耗的供热负荷。

(1)电锅炉型供热系统与地源热泵型供热系统能效比较

为与热泵机组运行的性能参数进行对比分析，取两种加热方式对应测试工况下各参数的平均值来进行对比分析。由于电锅炉加热时，将加热侧的回水温度基本控制在10 ℃左右，所以，热泵机组按照测试工况二(即热泵机组的控制温度为10 ℃)时的运行参数，并与电锅炉运行时相应的参数进行对比分析。两种加热方式下各参数如表5所示。

表5 两种加热方式下的运行参数表

由表5所示可知，当采用两种加热方式对隧道洞口进行加热并让回水温度达到10 ℃时，利用电锅炉进行加热时的性能系数COP仅达到2.25，采用热泵机组进行加热时的性能系数达到5.89。与电锅炉供热系统相比，地源热泵型供热系统节能近60%。因而，地源热泵型供热系统具有比常规的电加热方法能耗小和运营成本低等优点。

(2)燃煤锅炉型供热系统与地源热泵型供热系统能效比较

寒区隧道主动供暖方式除了使用电锅炉型供热系统外，还可以使用燃煤锅炉型供热系统。燃料锅炉供热只能将70%～90%的燃料内能转化为供用户使用的热量。地源热泵型供热系统消耗的是电能，而燃煤锅炉型供热系统直接燃烧一次能源，两者消耗的是不同等品质的能源。为评价地源热泵型供热系统的节能效果，采用一次能利用率(即能量利用率)的概念(江章宁，2009[13])。地源热泵的能源利用率是热泵产生的供热负荷与一次能耗的比值(张信树[14])。一次能利用率(或能量利用率)的计算公式如下：

(1)

式中：E——一次能利用率；

Q——洞口加热段供热总负荷，kWh；

P——消耗的电能，kWh；

β——发电厂的发配电效率；

COPh——地源热泵的平均性能系数。

按照国家的有关标准规定，电厂的平均发配电效率取β=0.284；地源热泵的平均性能系数取三个测试工况地源热泵性能系数的平均值，即COPh=5.8。按式(1)可计算得到地源热泵的一次能利用率为E=1.647 2。目前，中型供热锅炉房供暖的一次能利用率一般为0.65左右，有的会更低，则地源热泵型供热系统与采用燃煤锅炉型供热系统相比节能明显。

3 结语

本文详细介绍了某寒区隧道地源热泵型供热系统运行能效测试方案，其中包括测试内容、测试系统和试验工况等内容。并将地源热泵型供热系统测试结果与电锅炉型供热系统作对比，结论如下：

(1)热泵机组的控制温度越高，机组开机运行时间间隔越短，机组运行的能效比也越高。

(2)热泵机组的能效比高于相应地源热泵型供热系统的能效比。

(3)开展了电锅炉型供热系统的对比测试，控制加热侧的回水温度为10 ℃，与地源热泵型供热系统测试工况(10 ℃)进行对比分析，结果表示：与电锅炉型供热系统(COP=2.25)相比，地源热泵型供热系统(COP=5.89)节能近60%。

(4)计算一次能利用率(能源利用率)可知：地源热泵型供热系统的一次能利用率为E=1.647 2，远高于燃煤锅炉型供热系统的一次能利用率(一般为0.65)，具有明显的节能效果。

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Research on Heating System Operation Efficiency Testing of Ground-source Heat Pump for Tunnels in Cold Regions

HUANG Wen-feng1，WU Tao2，XIA Cai-chu1

(1.Tongji University，Shanghai，200092；2.CCCC First Highway Consultants Co.，Ltd.，Xi’an，Shaanxi，710075)

With the heating system engineering of ground-source heat pump type for tunnels in a cold region as the example，this article selected different control temperature(8℃，10℃ and 12℃)for the field operation test of heat pump unit in this tunnel，so as to analyze the operation status and efficiency of heat pump unit under different control temperatures，and then compared to the running test results of boiler-type heating system.The results showed that the application of heating system of ground-source heat pump type in tunnel freezing disease treatment in cold regions has the significant energy-saving advantages.

0 引言

1673-4874(2016)10-0038-05

2016-09-03

黄文丰(1992—)，在读硕士研究生，研究方向：隧道及地下建筑工程；

吴 涛(1979—)，高级工程师，研究方向：公路桥梁与隧道工程设计、咨询及科研工作；

夏才初(1963—)，教授，研究方向：寒区隧道及地下工程稳定性。