地源熱泵技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的節(jié)能效果分析

北京華商能源管理有限公司 ?余永忠

摘要：隨著我國(guó)改革開(kāi)放的進(jìn)程不斷加快，人們的生活水平和文化水平也不斷提高。地源熱泵技術(shù)逐漸成熟，并且地源熱泵的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，地源熱泵的節(jié)能效果良好。本文對(duì)地緣熱泵技術(shù)在實(shí)際供暖中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，對(duì)地源熱泵的清潔、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了分析。希望本文的論證可以對(duì)今后的應(yīng)用有借鑒意義。

關(guān)鍵字：地源熱泵技術(shù)、地源熱泵節(jié)能、清潔環(huán)保

• 前言

現(xiàn)階段我國(guó)處于工業(yè)、經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的階段。我國(guó)的建筑行業(yè)也迎來(lái)了新的春天，但是在實(shí)際的建筑建造過(guò)程中，并不能很好的做好節(jié)能工作。而地源熱泵是一種利用其他能源達(dá)到節(jié)能效果的新技術(shù)，把地源熱泵技術(shù)引用到我國(guó)的建筑施工中，可以有效的節(jié)約能源，減少成本，降低能耗，促進(jìn)建筑行業(yè)的發(fā)展。

• 地源熱泵技術(shù)原理

地源熱泵系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是空調(diào)系統(tǒng)的熱交換器埋在地下，并且水源以塑料管環(huán)路的持續(xù)、循環(huán)流動(dòng)為載體，并且塑料管路具有高強(qiáng)度、高密封等性能。地源熱泵可以實(shí)現(xiàn)暖通空調(diào)與土壤的熱交換，當(dāng)夏季來(lái)臨，天氣氣溫較高的情況下，地源熱泵設(shè)備可以把建筑物所吸收到的熱能轉(zhuǎn)到地下進(jìn)行存儲(chǔ)，從而對(duì)建筑進(jìn)行降溫的目的。在冬天氣溫較低的情況下，地源熱泵系統(tǒng)又能起到相反的作用，即將土壤在夏季儲(chǔ)備的熱能量轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)，達(dá)到保溫的效果，并且把建筑的冷氣轉(zhuǎn)移到低下進(jìn)行儲(chǔ)存，為建筑供暖。通過(guò)對(duì)自然現(xiàn)象的觀察可知，熱量也總是從高溫流向低溫，而通過(guò)熱泵可以把熱能從低溫送到高溫。熱泵的工作原理就是把熱能提升，對(duì)環(huán)境中存儲(chǔ)的熱量進(jìn)行控制。一般情況下，整個(gè)熱泵裝置所消耗的能量為其供熱量的三分之一，或者耕地，這是熱泵的一大節(jié)能特點(diǎn)。除此之外，根據(jù)熱力學(xué)的第二定律可知，壓縮機(jī)消耗的電能可以起到補(bǔ)償作用，通過(guò)循環(huán)不斷從低溫中吸熱，進(jìn)而向高溫環(huán)境中釋放能量，然后不斷進(jìn)行良性循環(huán)。熱泵與制冷的原理與系統(tǒng)的設(shè)備組成、功能是一致的，其中蒸發(fā)器、節(jié)流閥、冷凝器、壓縮機(jī)組成了蒸汽壓縮式熱泵，其工作原理與制冷原理一致，系統(tǒng)設(shè)備的組成與功能相一致。

三、地源熱泵的系統(tǒng)分類及特點(diǎn)

地源熱泵系統(tǒng)一般是以水源熱泵機(jī)組運(yùn)行，從低位熱源中提取熱量，采用高品位能源將其提升至滿足用戶要求的溫度水平。根據(jù)水源的來(lái)源不同，可進(jìn)一步將地源熱泵系統(tǒng)分為：土壤源熱泵系統(tǒng)、地下水源熱泵系統(tǒng)、地表水、海水源熱泵系統(tǒng)、污水源熱泵系統(tǒng)。以下說(shuō)的地源熱泵系統(tǒng)均是指土壤源熱泵系統(tǒng)，它和其它幾種熱泵系統(tǒng)的不同之處，就是該系統(tǒng)和土壤進(jìn)行進(jìn)行熱交換是在一個(gè)封閉PE管中，與外部的水系統(tǒng)不發(fā)生直接接觸，這樣也增加了系統(tǒng)的可靠性。一般是水平安裝在地溝中，或是以U形管狀垂直安裝在豎井中，不同的管溝或管井中的熱交換器并聯(lián)連接，再通過(guò)集管匯集進(jìn)入建筑物內(nèi)部至熱泵機(jī)組的循環(huán)管路，在北方溫度較低的地區(qū)，為了防凍可在系統(tǒng)中加入防凍液。

 

四、地源熱泵技術(shù)在暖通工程中的應(yīng)用模式

1、單一地源熱泵

地下水熱泵是利用水與地能（地下水）進(jìn)行冷熱交換來(lái)作為地源熱泵的冷熱源，冬季把地能中的熱量“取”出來(lái)，供給室內(nèi)采暖，此時(shí)地能為“熱源”；夏季把室內(nèi)熱量取出來(lái)，釋放到地下水中，此時(shí)地能為“冷源”。地下水熱泵屬于地源熱泵中的一個(gè)重要分支，也是至今為止應(yīng)用最廣泛的地源熱泵技術(shù)之一。因?yàn)榈叵律罹坏奈恢锰幱诘貙又?，其深度比較少，甚至一些深井水的水溫可以常見(jiàn)不變，因此熱泵運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)明顯。

2、復(fù)合地源熱泵

（一）地源熱泵+冰蓄冷模式
夏季運(yùn)行，機(jī)組在晚上不需要供冷時(shí)，可以啟動(dòng)蓄冰系統(tǒng)，將冷量?jī)?chǔ)存在蓄冰槽中，白天通過(guò)融冰來(lái)承擔(dān)部分冷負(fù)荷，從而降低了主機(jī)的負(fù)荷。夜間機(jī)組運(yùn)行能享受到低谷電價(jià)的優(yōu)惠政策，從而降低了運(yùn)行成本，也減少了地下?lián)Q熱的負(fù)擔(dān)，相應(yīng)的地下?lián)Q熱器工程量減少，從而也降低了系統(tǒng)的初投資。同時(shí)，它通過(guò)制冷提供了附加產(chǎn)品——熱水，它可以免費(fèi)為我們提供生活熱水，達(dá)到節(jié)能的目的。

（二）地源熱泵+太陽(yáng)能

在地源熱泵的冬季運(yùn)行時(shí)，太陽(yáng)能集熱器是地源熱泵的輔助熱源。太陽(yáng)能可以減少換熱器的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，提高制熱的效率。除此之外，如果不需要供暖時(shí)，太陽(yáng)能集熱器可以制造生活用水。而在過(guò)渡季節(jié)，太陽(yáng)能集熱器可以全部用來(lái)為生活供水。

• 地源熱泵+冷卻塔（或鍋爐）

將地源和冷卻塔或加熱鍋爐聯(lián)合使用作為冷熱源的系統(tǒng)，混合系統(tǒng)與分散系統(tǒng)非常類似，只是冷熱源系統(tǒng)增加了冷卻塔或鍋爐。南方地區(qū)，冷負(fù)荷大，熱負(fù)荷低，夏季適合聯(lián)合使用地源和冷卻塔，冬季只使用地源。北方地區(qū)，熱負(fù)荷大，冷負(fù)荷低，冬季適合聯(lián)合使用地源和鍋爐，夏季只使用地源。這樣可減少地源的容量和尺寸，節(jié)省投資。分散系統(tǒng)或混合系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種水環(huán)路熱泵空調(diào)系統(tǒng)形式。

• 地源熱泵在實(shí)際應(yīng)用中的節(jié)能效果分析

根據(jù)地域、建筑類型、地源熱泵系統(tǒng)方式的不同，地源熱泵供暖與傳統(tǒng)燃煤鍋爐供暖相比節(jié)能25%—50%，如對(duì)北京市11個(gè)不同類型建筑地源熱泵項(xiàng)目2003—2004年冬季運(yùn)行費(fèi)用調(diào)查結(jié)果表明，7項(xiàng)工程低于燃煤采暖（18.5元/㎡），所有被調(diào)查項(xiàng)目的采暖費(fèi)均低于燃油、燃?xì)夂碗婂仩t供暖價(jià)格；根據(jù)地域、建筑類型、地源熱泵的系統(tǒng)結(jié)差異的不同，對(duì)地源熱泵供暖與傳統(tǒng)的供暖方式相比，可以平均節(jié)能百分之二十到五十，而與傳統(tǒng)制冷機(jī)組比較，則可以節(jié)能百分之十到三十。

下面以一個(gè)實(shí)際案例比較地源熱泵系統(tǒng)和其它采暖（或空調(diào)）系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，該案例是位于北京地區(qū)的一棟410平方米別墅，需要對(duì)該別墅的空調(diào)工程進(jìn)行方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。

空調(diào)計(jì)算設(shè)計(jì)參數(shù)如下表

項(xiàng)目 名稱	溫度℃		濕度≤%		負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)（W/ m2）		帶新風(fēng)的負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)（W/ m2）
	冬季	夏季	冬季	夏季	冷負(fù)荷	熱負(fù)荷	冷負(fù)荷	熱負(fù)荷
別墅	20	26	45	55	90	75	—	—

• 供暖熱負(fù)荷：
• Qr = Fq/1000=410×75/1000=23kW
• 式中：F—供暖面積（m²）
• q—供暖熱指標(biāo)（75W/ m²）
• 總冷負(fù)荷確定
• ①供冷總負(fù)荷：考慮同時(shí)使用系數(shù)，取75%左右。
• Ql = 0.75×Fq/1000=0.75×410×90/1000=27.7 kW
• 式中：F—供冷面積（m²）
• q—供冷冷指標(biāo)（90W/ m²）

建筑物冷暖負(fù)荷比例的天數(shù)

負(fù)荷百分?jǐn)?shù)	夏季運(yùn)行天數(shù)	冬季運(yùn)行天數(shù)
0～25%	50	25
25～50%	30	35
50～75%	25	35
75～100%	15	25

運(yùn)行費(fèi)用分析：

計(jì)算條件：運(yùn)行天數(shù)為夏季120天，冬季為120天；空調(diào)平均每天運(yùn)行時(shí)間為16小時(shí)；白天和夜晚平均電價(jià)按0.44 /kwh計(jì)算。

• 地源熱泵運(yùn)行費(fèi)用：

夏季：（25%×50+50%×30+75%×25+100%×15）×16×0.44×7.0=3018元

水泵耗能：（0. 5+0.55）×16×120×0.44=887

冬季：（25%×25+50%×35+75%×35+100%×25）×16×0.44×8.4=4435.2元

水泵耗能：（0. 5+0.55）×16×120×0.44=887

即：夏季年制冷運(yùn)行費(fèi)用3905元，冬季年制冷運(yùn)行費(fèi)用5322.2元。

夏季每平方米建筑面積供冷費(fèi)用為9.52元/m²，建筑面積供暖費(fèi)用為12.98元/m²。

• 燃?xì)忮仩t運(yùn)行費(fèi)用：

1、熱負(fù)荷：Qr=42470kw/年

2、燃?xì)忮仩t年燃料消耗量：

天然氣熱值：q = 8470Kcal/m³

鍋爐效率：η= 0.88

B = 42470×860/（8470×0.88） =4900m³/年

3、天然氣年費(fèi)用：

每m³天然氣北京現(xiàn)行市場(chǎng)價(jià)計(jì)q1 = 1.8元/ m³

B1 = B·q1 = 4900×1.8=8820元/年

4、折合每m²采暖費(fèi)

B2 = (B) =8820/410= 21.5元/m²·年

地源熱泵機(jī)組和其它方式中央空調(diào)的比較（以41m²別墅為例）

冷熱源方式	初投資（萬(wàn)元）	運(yùn)行費(fèi)用（元/平米·年）	優(yōu)點(diǎn)	缺點(diǎn)
集中鍋爐+分體空調(diào)	7.62	39	初投資低	運(yùn)行管理復(fù)雜，有環(huán)境污染，鍋爐房及煤場(chǎng)渣場(chǎng)占用土地，隱性增加了初投資，并影響小區(qū)美觀，采暖費(fèi)收取有難度。
集中鍋爐+戶式中央空調(diào)	12.01	37.6		初投資高，運(yùn)行管理復(fù)雜，有環(huán)境污染，鍋爐房及煤場(chǎng)渣場(chǎng)占用土地，影響美觀。采暖費(fèi)收取有一定難度。
燃?xì)獗趻鞝t+分體空調(diào)	7.02	43	初投資低，運(yùn)行可由用戶自行調(diào)節(jié)，可根據(jù)銷售情況，分期投入設(shè)備	分體空調(diào)的室外機(jī)，破壞建筑美觀。
燃?xì)獗趻鞝t+戶式中央空調(diào)	12.23	41.6	可根據(jù)銷售情況，分期投入設(shè)備	初投資高，運(yùn)行費(fèi)高
分戶水源熱泵	11.02	22.5	節(jié)能環(huán)保，運(yùn)行費(fèi)用低，用戶可自行調(diào)節(jié)，可根據(jù)銷售情況，分期投入設(shè)備	初投資高，需要當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件滿足打井要求（打井需地方政府批準(zhǔn)；受國(guó)家政策制約）

• 地源熱泵的環(huán)境效益和社會(huì)效益

地源熱泵系統(tǒng)沒(méi)有氮氧化物、二氧化硫和煙塵的排放，真正做到了無(wú)污染；如果全國(guó)每年在2000萬(wàn)平方米建筑中推廣應(yīng)用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，則可替代70萬(wàn)噸左右標(biāo)煤，或5.2億立方米左右天然氣，削減約470噸氮氧化物和約40噸顆粒物的排放。

地源熱泵機(jī)組與傳統(tǒng)空調(diào)相比耗電少，造成直接或間接的污染就小，設(shè)計(jì)良好的地源熱泵機(jī)組的電力消耗，與空氣源熱泵相比，減少30%左右。地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少40%以上，與電供暖相比，相當(dāng)于減少70%以上。地源熱泵技術(shù)在減少環(huán)境污染的同時(shí)可有效減少目前困擾社會(huì)發(fā)展的溫室效應(yīng)，避免酸雨的產(chǎn)生，阻止全球氣候變暖的走勢(shì)，有利的緩解城市熱島現(xiàn)象的發(fā)生，產(chǎn)生巨大的環(huán)境效益和社會(huì)效益。

七、結(jié)束語(yǔ)

總之，地源熱泵技術(shù)在實(shí)際的應(yīng)用中單位能耗都比較低，并且節(jié)能率相對(duì)較高，與傳統(tǒng)的供暖或空調(diào)系統(tǒng)相比，在經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境及社會(huì)效益上都存在巨大的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，這種新型的暖通技術(shù)在未來(lái)有廣泛的市場(chǎng)空間和應(yīng)用空間，因此要加強(qiáng)對(duì)地緣熱泵技術(shù)的研究和探討，促進(jìn)我國(guó)的節(jié)能建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)建筑行業(yè)和暖通節(jié)能的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[3]??徐偉 ???地源熱泵技術(shù)手冊(cè) ??2011.1