地源熱泵技術(shù)在實際應用中的節(jié)能效果分析

北京華商能源管理有限公司 ?余永忠

摘要：隨著我國改革開放的進程不斷加快，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，并且地源熱泵的應用范圍越來越廣泛，在實際的應用過程中，地源熱泵的節(jié)能效果良好。本文對地緣熱泵技術(shù)在實際供暖中的應用進行了分析，對地源熱泵的清潔、環(huán)保等優(yōu)點進行了分析。希望本文的論證可以對今后的應用有借鑒意義。

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)階段我國處于工業(yè)、經(jīng)濟高速發(fā)展的階段。我國的建筑行業(yè)也迎來了新的春天，但是在實際的建筑建造過程中，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到節(jié)能效果的新技術(shù)，把地源熱泵技術(shù)引用到我國的建筑施工中，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)流動為載體，并且塑料管路具有高強度、高密封等性能。地源熱泵可以實現(xiàn)暖通空調(diào)與土壤的熱交換，當夏季來臨，天氣氣溫較高的情況下，地源熱泵設備可以把建筑物所吸收到的熱能轉(zhuǎn)到地下進行存儲，從而對建筑進行降溫的目的。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，即將土壤在夏季儲備的熱能量轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)，達到保溫的效果，并且把建筑的冷氣轉(zhuǎn)移到低下進行儲存，為建筑供暖。通過對自然現(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，對環(huán)境中存儲的熱量進行控制。一般情況下，整個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。除此之外，根據(jù)熱力學的第二定律可知，壓縮機消耗的電能可以起到補償作用，通過循環(huán)不斷從低溫中吸熱，進而向高溫環(huán)境中釋放能量，然后不斷進行良性循環(huán)。熱泵與制冷的原理與系統(tǒng)的設備組成、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)設備的組成與功能相一致。

三、地源熱泵的系統(tǒng)分類及特點

地源熱泵系統(tǒng)一般是以水源熱泵機組運行，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)水源的來源不同，可進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)和土壤進行進行熱交換是在一個封閉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，再通過集管匯集進入建筑物內(nèi)部至熱泵機組的循環(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）進行冷熱交換來作為地源熱泵的冷熱源，冬季把地能中的熱量“取”出來，供給室內(nèi)采暖，此時地能為“熱源”；夏季把室內(nèi)熱量取出來，釋放到地下水中，此時地能為“冷源”。地下水熱泵屬于地源熱泵中的一個重要分支，也是至今為止應用最廣泛的地源熱泵技術(shù)之一。因為地下深井水位的位置處于地層中，其深度比較少，甚至一些深井水的水溫可以常見不變，因此熱泵運行的優(yōu)勢明顯。

2、復合地源熱泵

（一）地源熱泵+冰蓄冷模式
夏季運行，機組在晚上不需要供冷時，可以啟動蓄冰系統(tǒng)，將冷量儲存在蓄冰槽中，白天通過融冰來承擔部分冷負荷，從而降低了主機的負荷。夜間機組運行能享受到低谷電價的優(yōu)惠政策，從而降低了運行成本，也減少了地下?lián)Q熱的負擔，相應的地下?lián)Q熱器工程量減少，從而也降低了系統(tǒng)的初投資。同時，它通過制冷提供了附加產(chǎn)品——熱水，它可以免費為我們提供生活熱水，達到節(jié)能的目的。

（二）地源熱泵+太陽能

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

• 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)，冷負荷大，熱負荷低，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)，熱負荷大，冷負荷低，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。

• 地源熱泵在實際應用中的節(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%，如對北京市11個不同類型建筑地源熱泵項目2003—2004年冬季運行費用調(diào)查結(jié)果表明，7項工程低于燃煤采暖（18.5元/㎡），所有被調(diào)查項目的采暖費均低于燃油、燃氣和電鍋爐供暖價格；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)制冷機組比較，則可以節(jié)能百分之十到三十。

下面以一個實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)濟性，該案例是位于北京地區(qū)的一棟410平方米別墅，需要對該別墅的空調(diào)工程進行方案優(yōu)化設計。

空調(diào)計算設計參數(shù)如下表

項目 名稱	溫度℃		濕度≤%		負荷標準（W/ m2）		帶新風的負荷標準（W/ m2）
	冬季	夏季	冬季	夏季	冷負荷	熱負荷	冷負荷	熱負荷
別墅	20	26	45	55	90	75	—	—

• 供暖熱負荷：
• Qr = Fq/1000=410×75/1000=23kW
• 式中：F—供暖面積（m²）
• q—供暖熱指標（75W/ m²）
• 總冷負荷確定
• ①供冷總負荷：考慮同時使用系數(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（90W/ m²）

建筑物冷暖負荷比例的天數(shù)

負荷百分數(shù)	夏季運行天數(shù)	冬季運行天數(shù)
0～25%	50	25
25～50%	30	35
50～75%	25	35
75～100%	15	25

運行費用分析：

計算條件：運行天數(shù)為夏季120天，冬季為120天；空調(diào)平均每天運行時間為16小時；白天和夜晚平均電價按0.44 /kwh計算。

• 地源熱泵運行費用：

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：夏季年制冷運行費用3905元，冬季年制冷運行費用5322.2元。

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

• 燃氣鍋爐運行費用：

1、熱負荷：Qr=42470kw/年

2、燃氣鍋爐年燃料消耗量：

天然氣熱值：q = 8470Kcal/m³

鍋爐效率：η= 0.88

B = 42470×860/（8470×0.88） =4900m³/年

3、天然氣年費用：

每m³天然氣北京現(xiàn)行市場價計q1 = 1.8元/ m³

B1 = B·q1 = 4900×1.8=8820元/年

4、折合每m²采暖費

B2 = (B) =8820/410= 21.5元/m²·年

地源熱泵機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（萬元）	運行費用（元/平米·年）	優(yōu)點	缺點
集中鍋爐+分體空調(diào)	7.62	39	初投資低	運行管理復雜，有環(huán)境污染，鍋爐房及煤場渣場占用土地，隱性增加了初投資，并影響小區(qū)美觀，采暖費收取有難度。
集中鍋爐+戶式中央空調(diào)	12.01	37.6		初投資高，運行管理復雜，有環(huán)境污染，鍋爐房及煤場渣場占用土地，影響美觀。采暖費收取有一定難度。
燃氣壁掛爐+分體空調(diào)	7.02	43	初投資低，運行可由用戶自行調(diào)節(jié)，可根據(jù)銷售情況，分期投入設備	分體空調(diào)的室外機，破壞建筑美觀。
燃氣壁掛爐+戶式中央空調(diào)	12.23	41.6	可根據(jù)銷售情況，分期投入設備	初投資高，運行費高
分戶水源熱泵	11.02	22.5	節(jié)能環(huán)保，運行費用低，用戶可自行調(diào)節(jié)，可根據(jù)銷售情況，分期投入設備	初投資高，需要當?shù)氐牡刭|(zhì)條件滿足打井要求（打井需地方政府批準；受國家政策制約）

• 地源熱泵的環(huán)境效益和社會效益

地源熱泵系統(tǒng)沒有氮氧化物、二氧化硫和煙塵的排放，真正做到了無污染；如果全國每年在2000萬平方米建筑中推廣應用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，則可替代70萬噸左右標煤，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，設計良好的地源熱泵機組的電力消耗，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，相當于減少40%以上，與電供暖相比，相當于減少70%以上。地源熱泵技術(shù)在減少環(huán)境污染的同時可有效減少目前困擾社會發(fā)展的溫室效應，避免酸雨的產(chǎn)生，阻止全球氣候變暖的走勢，有利的緩解城市熱島現(xiàn)象的發(fā)生，產(chǎn)生巨大的環(huán)境效益和社會效益。

七、結(jié)束語

總之，地源熱泵技術(shù)在實際的應用中單位能耗都比較低，并且節(jié)能率相對較高，與傳統(tǒng)的供暖或空調(diào)系統(tǒng)相比，在經(jīng)濟性、環(huán)境及社會效益上都存在巨大的發(fā)展優(yōu)勢，這種新型的暖通技術(shù)在未來有廣泛的市場空間和應用空間，因此要加強對地緣熱泵技術(shù)的研究和探討，促進我國的節(jié)能建設和可持續(xù)發(fā)展，促進建筑行業(yè)和暖通節(jié)能的發(fā)展。

參考文獻

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[2] 呂悅,莫然,周沫,鄧海燕. ?中國地源熱泵技術(shù)應用發(fā)展情況調(diào)查報告(2005～2006)[J]. 工程建設與設計. 2009(09)

[3]??徐偉 ???地源熱泵技術(shù)手冊 ??2011.1