土壤源熱泵在天津某別墅項目的應用及其經(jīng)濟分析

王存艷，侯家濤，郭宏賓

（1.天津奧瑞特環(huán)保節(jié)能工程技術(shù)有限公司，天津大港 300270；2.中國石油大港油田公司電力公司，天津大港 300280）

1 引 言

1912年瑞士學者H.Zoelly在其專利中首次提出了土壤源熱泵的概念[1]，但當時土壤源熱泵技術(shù)沒有引起重視，發(fā)展緩慢。近年來隨著全球能源危機凸顯和環(huán)境污染的日益嚴重，土壤源熱泵系統(tǒng)以其獨特的優(yōu)點在國內(nèi)外得到了長足的發(fā)展。土壤源熱泵 （Ground Source Heat Pump）是一種利用地下淺層土壤源的高效節(jié)能空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。它采用熱泵原理，通過輸入電能，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)換的一種技術(shù)，能夠有效的避免傳統(tǒng)制冷、供暖方式帶來的能源消耗大、環(huán)境污染嚴重的問題，經(jīng)濟效益和環(huán)境效益顯著。天津地處渤海之濱，地源溫度全年較為穩(wěn)定，一般維持在10～15℃[2]，且淺層地源資源十分豐富，推廣應用土壤源熱泵技術(shù)具有得天獨厚的條件。本文闡述了土壤源熱泵系統(tǒng)在天津某別墅項目上的應用，并分析了其經(jīng)濟性，可為土壤源熱泵的應用和推廣提供參考。

2 項目應用

2.1 工程概況

該項目為某聯(lián)體別墅中央空調(diào)系統(tǒng)工程，位于天津渤海之濱，冬夏季采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱和制冷，工程總建筑面積25345m2，包括18棟三層的別墅住宅建筑，其中地上建筑面積21426m2，地下建筑面積3919m2。建筑地上部分高9m，地下部分高為3m。該別墅群分A、B、C、D 4種戶型。按戶型分四種面積，A為313.8m2，B為426m2，C為258.76m2，D為353.8m2（不包括車庫）。

2.2 相關(guān)氣象資料

根據(jù)天津的氣象資料和國家現(xiàn)行中央空調(diào)設(shè)計施工規(guī)范取天津市氣象條件如下：冬季采暖室外計算溫度：-9℃；冬季空調(diào)室外計算溫度：-11℃；夏季空調(diào)室外計算溫度：33.4℃；夏季空調(diào)日平均溫度：29.2℃；年平均溫度：12.2℃；最大凍土深度：80cm；采暖天數(shù)：120天；制冷天數(shù)：90天。

2.3 冷熱負荷計算

聯(lián)體別墅室內(nèi)參數(shù)計算溫度：冬季：20±2℃；夏季：26±2℃。根據(jù)以往的工程慣例，冷熱負荷按單位面積估算，單位冷指標取100W/m2，單位熱指標取55W/m2，計算得各個戶型的冷熱負荷，結(jié)果如表1所示。

表1 各戶型冷熱負荷

2.4 系統(tǒng)布置及地埋管換熱器的選擇

根據(jù)以往的工程實踐，該項目所處的地理位置及地質(zhì)條件良好，采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是比較適宜的方案，針對房屋結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境，空調(diào)系統(tǒng)流程布置圖如圖1所示。通過四通換向閥的轉(zhuǎn)換在不改變系統(tǒng)布置的情況下，可以使該空調(diào)系統(tǒng)達到夏天制冷，冬天制熱的效果。

圖1 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)流程圖

地埋管換熱器的布置可分為水平布置和垂直布置，水平布置占地面積大，埋管較淺，垂直布置埋設(shè)較深，占地面積少[3]。本項目根據(jù)現(xiàn)場具體情況，本著減少占地面積的原則，采用垂直布置方式。地埋管熱交換器選用聚乙烯PE管，它是一種高柔性管材，其斷裂伸長率一般超過300%，導熱系數(shù)高，耐化學介質(zhì)的腐蝕，無電化學腐蝕，保證使用50年以上[4]。該項目垂直布置的熱交換器具體參數(shù)如表2所示。

表2 地埋管換熱器布置參數(shù)

2.5 熱泵機組的選擇

根據(jù)表1各個戶型的冷熱負荷選擇熱泵機組。對于A戶型，其夏季冷負荷為31.38kW，冬季冷負荷為17.26kW。可選用勞特斯生產(chǎn)的LWW100HT/2A型戶式地源熱泵機組一臺，名義制冷量34kW，制冷輸入功率7.79kW；名義制熱量30kW，制熱輸入功率10.19kW。根據(jù)相同方法可以選擇B、C、D戶型所適用的機組，具體參數(shù)如表3所示。

表3 各戶型熱泵機組具體參數(shù)

2.6 地埋管換熱器所需井數(shù)計算

地埋管換熱器的所需井數(shù)是本項目土壤源熱泵系統(tǒng)工程設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，可通過以下方式確定所需地埋管的井數(shù)。對于A戶型熱泵機組制冷運行向地下土壤釋放量所需井數(shù)計算如下。

夏季制冷時，地埋管換熱器向大地釋放的熱量為：

其中：

Q冷=熱泵LWW100HT/2A的名義制冷量=34 kW

EER=熱泵LWW100HT/2A的名義制冷量/制冷輸入功率=34/7.79=4.36

其中：

q為每米地埋管與土壤的換熱量，取80W/m；

h為孔深，取120m；

N（井數(shù)）=Q放÷80÷120≈5（孔）

本研究亦發(fā)現(xiàn)SMILE在角膜6～10 mm范圍以及取出基質(zhì)透鏡位置的下方角膜光密度值在手術(shù)前后差異均有統(tǒng)計學意義，這與張琳等[14]的研究不一致，考慮此差異可能受不同的儀器設(shè)備分析軟件的影響。

對于A戶型冬季制熱時，地埋管換熱器從大地吸收的熱量計算如下：

其中：

Q熱=熱泵LWW100HT/2A的名義制熱量=30 kW

COP=熱泵LWW100HT/2A的名義制熱量/制熱輸入功率=30/10.19=2.94

其中：

q為每米地埋管與土壤的換熱量，取46W/m；

h為孔深，取120m；

夏季制冷所需井數(shù)大于冬季制冷所需井數(shù)，則A戶型可以按夏季制冷打孔數(shù)為計算結(jié)果，取5個。對于B、C、D戶型同樣可以采用上述計算方法得所需的井數(shù)，計算結(jié)果如表4所示。

表4 各個戶型所需的地埋管井數(shù)

2.7 地埋管沉沙處理措施

地埋管的使用壽命很長，一般要達到50年以上。由于地埋管使用過程中難免會存在水量損失，需定期進行適量的補水，補充的水量會摻雜少量泥沙等雜質(zhì)，隨著時間的推移泥沙會逐漸沉積到地埋管最底端的U型管處，減緩水的流動，惡化傳熱效果，嚴重時堵塞地埋管，達不到換熱目的。本工程采用了沉積式U型管裝置，可以有效的延緩地埋管堵塞時間，保證了地埋管在使用壽命期內(nèi)的換熱效果。圖2為沉積式U型管裝置。

如圖2所示，距離地埋管的最低端約400mm處設(shè)置三通，作為第二水流通道。地埋管90度彎頭與三通之間的長度為泥沙沉積段，當泥沙在彎頭處沉積較多時，水流仍然可以通過三通進行循環(huán)流動，不會產(chǎn)生水流緩慢、不流動的情況，保證了水與土壤之間的換熱效果。本裝置在實際應用中取得了良好的效果，能有效的減緩地埋管的堵塞。

圖2 沉積式U型管

3 與其他空調(diào)型式的經(jīng)濟對比分析

為了分析本工程所選方案的初投資和運行費用，筆者根據(jù)國內(nèi)中央空調(diào)的應用情況，確定了空氣源熱泵和風管式分體機組 （多聯(lián)機）作為參照對象，與本工程的土壤源熱泵系統(tǒng)進行分析比較?？諝庠礋岜脵C組技術(shù)成熟，應用廣泛，具有較強的代表性。風管式分體機組作為一種新型的節(jié)能、環(huán)保和便于控制的空調(diào)系統(tǒng)，雖然在國內(nèi)起步較晚，但是發(fā)展迅速，已成為中央空調(diào)的一個重要選擇[5]。以A戶型為計算對象，選取了相應的主機類型。

空氣源熱泵機組型號：LAWM120HT/2（4）B，制冷量 38 kW，制熱量 41.8 kW，制冷額定功率11.67 kW，制熱額定功率12.88 kW，水流量6.53 m3/h。多聯(lián)機室外機型號：TWA125，制冷量 33 kW，制熱量36.5 kW，制冷額定功率13.3 kW，制熱額定功率11.5 kW，冷媒充注量9.7 kg

3.1 地源熱泵與其他幾種空調(diào)型式的初投資對比

初投資作為工程費用的一個重要組成部分，所占份額的大小直接影響項目的整體經(jīng)濟性。雖然本項目的四種戶型的冷熱負荷的面積不同，設(shè)備選擇方法、施工運行工藝等都相同，僅對A戶型采用土壤源熱泵、空氣源熱泵、水源熱泵系統(tǒng)的初投資進行對比。

表5 A戶型采用不同方案初投資費用

由表5可以看出上述各種方案中，土壤源熱泵的初投資最大，單位面積造價最高，達到191.99元/m2，比空氣源熱泵高出53.2%，比多聯(lián)機高出64.4%，所以其初投資不占任何優(yōu)勢。究其原因，相對于其他幾種方案，土壤源熱泵增加了地埋管的鉆孔費用一項，導致初投資較大。

3.2 地源熱泵與其他幾種空調(diào)型式的運行直接費用對比

在空調(diào)系統(tǒng)壽命期內(nèi)的運行費用是消費者十分關(guān)心的問題。在地源熱泵機組初投資高的基礎(chǔ)上是否能在更短時間內(nèi)收回成本，決定了地源熱泵的取舍。下面僅對對A戶型采用土壤源熱泵系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)和多聯(lián)機系統(tǒng)進行冬夏季運行直接費用分析。電價按天津地區(qū)的電價計算。計算結(jié)果如表6、表7所示。

表6 A戶型夏季制冷期間設(shè)備運行直接費用

表7 A戶型冬季制熱期間設(shè)備運行直接費用

由表6可以看出地源熱泵系統(tǒng)的夏季運行費用最低，每平方米為11.53元，比空氣源熱泵系統(tǒng)低25.9%，比多聯(lián)機系統(tǒng)低13.4%。由表7可以看出地源熱泵系統(tǒng)的冬季運行費用也是最低，每平方米16.40元，比空氣源系統(tǒng)低13%，比多聯(lián)機系統(tǒng)低6.3%。綜合表6和表7可以看出，在三種方案中，土壤源熱泵的年運行費用最低。所以，土壤源熱泵系統(tǒng)雖然室外系統(tǒng)較為復雜，初次投資高于其他兩種空調(diào)系統(tǒng)，但其他兩種空調(diào)的運行費用高于土壤源熱泵系統(tǒng)，從使用壽命和運行費用來考慮土壤源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟性最好。

4 結(jié)論

（1）以天津地區(qū)某別墅項目為代表性建筑，描述了土壤源熱泵系統(tǒng)的應用情況。重點闡述了土壤源熱泵的冷熱負荷計算，地埋管的設(shè)計選擇，熱泵機組型號的確定，地埋管井數(shù)的計算以及地埋管沉沙的處理措施，可為此空調(diào)系統(tǒng)在類似項目上的應用提供參考。

（2）通過與其他幾種空調(diào)方案的比較發(fā)現(xiàn)土壤源熱泵系統(tǒng)雖然初投資高，但是系統(tǒng)運行費用低，沒有大氣污染，可實現(xiàn)環(huán)保零排放。同時，可完全避免其傳統(tǒng)空調(diào)形式所必需的冷卻塔的 “熱污染”和 “水霧污染”，對美化建筑周邊環(huán)境大有益處。天津地處渤海之濱，地源豐富，采用土壤源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟效益較為顯著，發(fā)展前景十分樂觀。

[1] 李元旦，張旭.土壤源熱泵的國內(nèi)外研究和應用現(xiàn)狀及展望[J].制冷空調(diào)與電力機械，2002，85（1）：4-7

[2] 馬最良，姚楊，楊自強.水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005

[3] 那威，宋艷，劉俊躍.水平地埋管冬季土壤溫度場及換熱性能研究[J].煤氣與熱力，2010，30（4）：10-13

[4] 王勇.地源熱泵的技術(shù)經(jīng)濟分析[J].建筑熱能通風空調(diào)，2001（5）：12-13

[5] 宋應乾，范蕊，龍惟定.水冷多聯(lián)機系統(tǒng)運行性能[J].暖通空調(diào)，41（9）：128-132