談地源熱泵技術(shù)與水和土壤資源的利用

邢玉學(xué)，王蘭鋒

（中城建北方建筑勘察設(shè)計(jì)研究院，內(nèi)蒙古赤峰024000）

談地源熱泵技術(shù)與水和土壤資源的利用

邢玉學(xué)，王蘭鋒

（中城建北方建筑勘察設(shè)計(jì)研究院，內(nèi)蒙古赤峰024000）

介紹了地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)，工作原理和分類；對地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析.關(guān)鍵詞：地源熱泵；空調(diào)系統(tǒng)；經(jīng)濟(jì)性

隨著建筑業(yè)持續(xù)不斷的發(fā)展，對建筑節(jié)能的要求越來越高，而供熱系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)是建筑能耗的主要組成部分，因此，設(shè)法減小這兩部分能耗意義非常顯著.地源熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)是一種使用可再生能源的高效節(jié)能、環(huán)保型的系統(tǒng).地源熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)，冬季通過吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天然能源，向建筑物供熱；夏季向大地釋放熱量，給建筑物供冷.地源熱泵系統(tǒng)包括三種不同的系統(tǒng)：一是以利用土壤作為冷熱源的土壤源熱泵，也有資料文獻(xiàn)成為地下耦合熱泵系統(tǒng)或者叫地下熱交換器熱泵系統(tǒng)；二是以利用地下水為冷熱源的地下水熱泵系統(tǒng)；三是以利用地表水為冷熱源的地表水熱泵系統(tǒng).這樣的分類在國內(nèi)的暖通空調(diào)界已經(jīng)成為共識.

1 地源熱泵簡介

地源熱泵是一種先進(jìn)的技術(shù)，它高效、節(jié)能、環(huán)保，有利于可持續(xù)發(fā)展.地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)是一種利用地下淺層冷熱資源（如地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng).地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)通過輸入少量的高品味能源（電能），實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移.與鍋爐（電、燃料）供熱系統(tǒng)相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70-90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量，供用戶使用.因此地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省二分之一以上的能量；由于地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的冷熱溫度全年較為穩(wěn)定，一般為8-14℃，其制冷制熱系數(shù)可超過3.5-6.3，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運(yùn)行費(fèi)用為普通中央空調(diào)的50-60%.因此，近幾年來，地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)在發(fā)達(dá)國家取得了較快的發(fā)展，我國的地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)市場也日趨活躍，可以預(yù)計(jì)，該項(xiàng)技術(shù)將會成為今后最有效和最有發(fā)展前景的冷暖空調(diào)技術(shù)之一.

2 地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)

2.1 屬可再生能源利用技術(shù)

地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)是利用了地球表面淺層的資源（通常小于400米）作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng).地表淺層資源可以稱為地源（EarthEnergy），是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地?zé)崮芏N(yùn)藏的低溫位熱能.地表淺層是一個巨大的太陽熱能集熱器，收集了47%的太陽能，比人類每年利用能量的500倍還多.它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在.這種存儲于地表淺層近乎無限的可再生能源，使得地源也稱為清潔的可再生能源一種形式.

2.2 屬經(jīng)濟(jì)有效的節(jié)能技術(shù)

地源或地表淺層地?zé)豳Y源的溫度一年四季相對穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，這種溫度特性使得地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)比傳統(tǒng)空調(diào)運(yùn)行效率要高40%，因此要節(jié)能和節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用40%左右.另外，地源溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性.

2.3 環(huán)境效益顯著

地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的污染物放，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少40%以上，與常規(guī)電供暖相比，相當(dāng)于減少70%以上如果結(jié)合其他節(jié)能措施減排會更明顯雖然也采用制冷劑，但比常規(guī)空調(diào)裝置減少25%的充灌量.該裝置的運(yùn)行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，沒有燃燒沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量.

3 地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)工作原理

地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)是利用稍經(jīng)處理的水（或水加乙二醇）與地源（地下水、土壤或地表水）進(jìn)行冷熱交換來作為水源熱泵的冷熱源，冬季把地源中的熱量“取”出來，供給室內(nèi)采暖，此時(shí)地源為“熱泵”；夏季把室內(nèi)的熱量“取”出來，釋放到地下水、土壤或地表水中，此時(shí)地源為“冷源”.地源熱泵中央空調(diào)供暖系統(tǒng)主要分三部分：室外地源換熱系統(tǒng)、水源熱泵機(jī)組和室內(nèi)采暖空調(diào)末端系統(tǒng).三個系統(tǒng)之間靠水和空氣換熱介質(zhì)進(jìn)行熱量的傳遞，水源熱泵與地源之間的換熱介質(zhì)為水，與建筑物采暖空調(diào)末端換熱介質(zhì)可以是水或空氣.地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)同空氣源熱泵相比，有許多優(yōu)點(diǎn)：⑴全年溫度波動小.冬季溫度比空氣高，夏季比空氣低，因此地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的制熱制冷系數(shù)要高于空氣源熱泵，一般可高40%,因此可節(jié)能和節(jié)省費(fèi)用40%左右.⑵冬季運(yùn)行不需要除霜，減少了結(jié)霜和除霜的損失.⑶地源有較好的儲能作用.

4 地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的分類

地源按照室外換熱放熱方式的不同可分為三類：⑴土壤埋盤系統(tǒng)；⑵地下水系統(tǒng)；⑶地表水系統(tǒng).

根據(jù)循環(huán)水是否為密閉系統(tǒng)可分為閉環(huán)和開環(huán)系統(tǒng).所謂開式系統(tǒng)是將地下水直接供到熱泵機(jī)組，再將井水回灌到地下；閉式是將地下水連接到板式換熱器，需要二次換熱.地表水熱泵系統(tǒng)與土壤源熱泵系統(tǒng)相似，用潛在水下并聯(lián)的塑料管組成的地下水熱交換器替代土壤熱交換器.

雖然采用地下水、地表水的熱泵系統(tǒng)的換熱性能好，能耗低，性能系數(shù)高于土壤源熱泵，但由于地下水、地表水并非到處可得，且水質(zhì)也不一定能滿足要求，所以其使用范圍受到一定限制.現(xiàn)在國外（如美國、歐洲）主要研究和應(yīng)用的地源熱泵系統(tǒng)以及我國研究和實(shí)驗(yàn)研究及普及的重點(diǎn)均是土壤源熱泵系統(tǒng).

5 經(jīng)濟(jì)性對比分析（特定地點(diǎn)）

（以768kW機(jī)組為例進(jìn)行說明）

5.1 基本技術(shù)參數(shù)及設(shè)備初投資（見表1）

表1

5.2 運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算

（1）電力：0.5元/kw·h

（2）天然氣：1.5元/Nm3

夏天制冷90天，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間8小時(shí)/天，夏季平均符合率65%計(jì).

冬季采暖120天，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間8小時(shí)每天，冬季平均符合率按70%計(jì).

以下為空調(diào)主機(jī)年運(yùn)行費(fèi)用：

（1）螺桿冷水機(jī)組制冷運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算：

150kw×8小時(shí)/天×90天×65%×0.5元/kw·h=35100元

（2）水源熱泵機(jī)組年運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算：

制冷期間運(yùn)行費(fèi)用：

130.4 kw×8小時(shí)/天×90天×65%×0.5元/kw· h=30514元

采暖期間運(yùn)行費(fèi)用：

175.6 kw×8小時(shí)/天×120天×70%×0.5元/kw· h=59002元

全年合計(jì)運(yùn)行費(fèi)用：30514+59002=89561元

（3）燃?xì)庑椭比紮C(jī)年運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算：

制冷起期間運(yùn)行費(fèi)用：

天然氣費(fèi)用：85Nm3/h×8小時(shí)/天×90天×65%×1.5元/Nm3=59670元

采暖期間運(yùn)行費(fèi)用：

天然氣費(fèi)用：85Nm3/h×8小時(shí)/天×120天×70%×1.5元/Nm3=85680元

全年合計(jì)運(yùn)行費(fèi)用：59670+85680=145350元

綜上所述，地源熱泵在所有中央空調(diào)機(jī)組中運(yùn)行費(fèi)用最低，而且設(shè)備初投資也比較低廉.當(dāng)有低溫?zé)嵩矗ㄈ绲叵滤l件時(shí)，地源熱泵應(yīng)為首選.

6 結(jié)論

地源熱泵中央空調(diào)設(shè)備初投資不比傳統(tǒng)型中央空調(diào)高，但具有傳統(tǒng)型中央空調(diào)不可比擬的靈活性；資源的來源真正是量大面廣，無處不在，且運(yùn)行費(fèi)用低于一般中央空調(diào)，是所有中央空調(diào)中運(yùn)行費(fèi)用最省的機(jī)組.所以，地源熱泵技術(shù)也將會真正成為今后最有效和最有發(fā)展前景的冷暖空調(diào)技術(shù)中重要的組成部分，充分、合理地應(yīng)用地源熱泵技術(shù)，對我國的能源和節(jié)能政策具有很大的促進(jìn)作用.

〔1〕張衛(wèi)佳.某高檔住宅小區(qū)地下水地源熱泵-太陽能系統(tǒng)方案分析.暖通空調(diào)，2009（3）：45.

〔2〕張春枝.可再生能源在武漢某住宅建筑中的應(yīng)用分析.暖通空調(diào)，2009（3）：107.

TU831

A

1673-260X（2010）11-0084-02