（工商管理专业论文）地源热泵空调系统在草莓产业核心区的技术经济分析.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着资源短缺和环境恶化的日益严重，在满足人们健康、舒适要求 的前提下，合理利用资源，保护环境，减少常规能源消耗，己成为社会需要面对 的重要问题。地源热泵是一种利用地下浅层地热资源( 也称地能，包括地下水、 土壤、地表水或城市中水等) ，既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热 泵通过输入少量的高品位能源( 如电能) ，利用铺设在土壤、地表水等中的换热 管道，实现低温品位热能向高温品位热能的转移，从而达到建筑空调的效果。地 能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热 量“取 出来，提高温度后，供给室内取暖；夏季，把室内的热量取出来，释放 到低能中去。地源热泵系统充分利用了地下土壤温度恒定、可再生的特点，并通 过电力这一清洁能源，实现了冬季采暖、夏季制冷的两项功能。由于不抽取地下 水，仅靠埋设在土壤里的p e 管与土壤发生热交换，在冬季，提取土壤中热量作 为能源，使得冬季运行成本大大降低，而且系统运行中没有污染。 本文以昌平草莓产业核心区地源热泵空调系统为例，对其应用特点进行了介 绍，对经济效益和社会效益进行了分析，详尽阐述该系统节能环保的优势，达到 了推广应用的目的。 关键词：地源热泵：节能；环保；经济效益 华北电力大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t l lt h ep r o b l e mo fr e s o u r c e sa n dt h e 锄v i r o l m l e n ts e r i o u s l y i n c r c a s i i l g ，m er a t i o n a lu s eo fn a t u r a lr e s o u r c e s ，e n v i r 0 】姗e i l t a lp r o t e 曲o n ，a i l d r e d u c i n gc o n v e n t i o n a le n e r g yc o n s u m p t i o nh a v eb e c o m ea ni m p o n a n ti s s u et 0r e l a t e d i n d u s t f i e s ，i no r d e rt 0m e e tp e o p l e sh e a l t ha n dl i v i n gr e q u i 凇n e i l t s g r o u n ds o u r c e h e a tp u m pi sas h a l l o wg e o t h e n n a lr e s o u r c e s ，u n d e r g r o u n de a r t h ( a l s ok n o w na s g e o t l l e n n a le n e r g y ，i n c l u d i n gg r o u n d w a t e r ，s o i l ，s u r f a c ew a t e ro rc i t yw a t e r e t c ) ， w h i c hc a l lp r o v i d eb o me n e 唱y - e 佑c i e n th e a t i n ga n dc o o l i n ga i rc o n d i t i o n i n g b y e n t e d n gas m a ua m o u n to fh i 曲- 蓼a d ee n e 唱y ( e ge l e c t r i c i t y ) ，t h eg r o u n ds o u r c eh e a t p u m pu s e sm et u b e sl a ) ，i n gi nt h es o i l ，s u r f a c ew a t e rt oa c h i e v eh i 曲一铲a d e1 0 w 铲a d e h e a tt oh e a tt m s f 瓯s oa st oa c h i e v et h ee f f e c to fa i r c o n d i t i o n i n g 。g e o t h e 门m a le n e r g y a sah e a tp u m p ，r e s p e c t i v e l y ，i nm ew i n t e rh e a t i n ga 1 1 ds e ra i 卜c o n d i t i o n i n gh e a t c o l ds o u r c e ，i ei nt l l ew i n t e r ，t h ep u m p ”t a k e so u t ”m eh e a t 怕mg e o t l l e n m le n e r g yt o m i s et h et 锄p e r 砷j r e ，i no r d e rt op m v i d es u 伍c i e n ti n d o o rh e a t i n g ；i ns 咖e r ，t l l ei t c a ne x 仃a c th e a t i n go u to ft h er o o m ，廿1 e nr e l e a s ei tt ot 1 1 e1 0 w e n e r g y g r o u n ds o u r c e h e a tp u i 】1 ps y s t 锄t a k e s 允l la d v 锄t a g eo fm e t e m p e r a m r ec o n s t a i l tc h a r a c t 甜s t i c so f 1 h 1 d e 喀r o u n ds o i l ，u s es u c har e n e w a b l ea n dc l e a i le n 铝yt oa c h i “et h ew i n t 盯h e a t i n g 锄ds 蝴e rc o o l i n go ft h et w om n c t i o n s s i n c en oe x t r a c t i o no f 伊o u n d w a t e r ，t h e p u l 】叩o i l l yb a s e do nt h ep ep i p e sb u r i e di nt h es o i l t oe x c h a j l g eh e a t s i nt h ew i n t e r ， t oe x t r a c th e a tf - r o ms o i la sa ne n e r g ys o u r c e ，t h ep u m p1 e dt h ew i n t e rs i g n i f i c a j l u y r e d u c e do p e r a t i n gc o s t sw i t h o u ta n y p o l l u t i o ni nt h eo p e r a t i n gp r o c e s s t a k em ee x a m p l eo fg r o u n ds o u r c eh e a t i n gp u p ms y s t e mi nc h a l l g p i n gs 饥1 w b e n y c o r e 觚a ，t h i sp 印e ri n t r o d u c ei t sc h a r a c t 商s t i c ，a n a l y z et h ee c o n o m i cb e n e 6 t sa n d t h es o c i a l b e n e f i t s ， d e t a i l e d f i g u r e o u tt h ea d v a n t a g e so fe n e r g ys a v i n ga n d e n v i r o i l i n e n t a lp r o t e c t i 伽o ft h ee q u i p m e n t ，i no r d e rt oa c h i e v et h en e wp r o d u c t s w i d es p r e a d i n ga n d 印p l i c a t i o n 一i i 华北电力大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：g r o u l l ds o u r c eh e a tp u m p ，e n 铭y ， e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ， e c o r l o m i cb e i l e 五t s i i i 华北电力大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究背景及意义 日益增长的能源消耗和环境污染是困扰人类社会的两大难题，逐渐引起了世 界各国的高度重视。到2 0 4 0 年，我国一次能源的总消费量将达到3 8 6 亿吨标准 煤，是现在能源消费量的3 倍。而到本世纪末，国内每年最多可供应的一次能源 生产量为3 2 亿吨标准煤。因此，我国今后较长期的能源消费年均增长率应控制 在2 5 左右，直到2 0 4 0 年能源消费实现零增长目标。 我国已探明的能源总体储量，煤炭储量约占世界储量的1 1 ，原油占2 4 ， 天然气仅占1 2 ，我国人口约占世界人口的2 0 ，人均能源占有量不到世界平均 水平的一半。我国是煤炭大国，但世界七大煤炭大国中其余六国的储量比都在 2 0 0 年以上，只有我国的储量不足百年。石油的储量比为四十年，并且中国石油、 天然气的平均丰度值也仅为世界平均水平的5 7 和4 5 。 面对如此严峻的能源形势，国家总的能源政策还是节能和新能源开发、再生 能源利用并重。因此，地源热泵技术的推广应用在我国具有极大的现实意义和广 阔的发展前景。除此之外，我国燃煤型锅炉供热污染及以大气为冷源的空调系统 造成的环境温度升高，使热泵作为一种有利于环境保护的高效节能装置而更加受 到广泛的重视。 1 2 国内外发展及应用情况 1 2 1 地源热泵在发达国家的应用 1 2 1 1 地源热泵在美国应用前景广阔 如果往地下挖6 英尺，你会发现在美国任意地区的地下温度均保持在4 5 至 7 5 华氏度之间。这为地热能的利用提供了得天独厚的条件。通过地源热泵为家 庭供暖就是对地热能的一种典型利用。尽管成本偏高，但其简单、可靠、无噪音 且低污染等诸多优势还是让地源热泵能得到了越来越多的重视。美国地源热泵的 使用面积和当量台数最大，各项指标都远远超过了世界上其他国家的利用规模。 经过几十年的发展，地源热泵技术在美国已经非常成熟，是一种被广泛采用的供 热空调技术。针对水源热泵机组、地热换热器，系统设计和安装有一整套标准、 规范、计算方法和施工工艺。 华北电力大学硕士学位论文 自上世纪4 0 年代，地热在美国开始被利用以来，地源热泵技术一直在不断 发展。比起使用空调来取暖或制冷，地源热泵的效率显然要高出许多，同时也更 为可靠和持久。一台地源热泵的寿命可以长达2 5 年到5 0 年。 美国的地源热泵起源于地下水源热泵。由于土壤源热泵的初投资较高、计算 复杂以及金属管的腐蚀等问题，早期美国的地源热泵中土壤源热泵占的比例比较 小，主要以地下水源热泵为主。早在2 0 世纪5 0 年代，美国市场上就开始出现以 地下水或者河湖水作为热源的地源热泵系统，并用它来实现采暖，但由于采用的 是直接式系统，很多系统在投入使用1 0 年左右的时间后由于腐蚀等问题失效了， 地下水源热泵的可靠性受到了人们的质疑。 2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初，在能源危机的促使下，人们又开始关注地下 水源热泵系统。通过改进，水源热泵机组扩大了进水温度的范围，加上欧洲板式 换热器的引进，闭式地下水源热泵逐渐得到了广泛应用。 与此同时，人们也开始关注土壤源热泵系统。在美国能源部的支持下，美国 橡树山和布鲁克海文等国家实验室和俄克拉荷马州立大学等研究机构进行了大 量的研究。主要研究工作集中在地下换热器的传热特性、土壤的热物性、不同形 式埋管换热器性能的比较研究等。为了解决腐蚀问题，地埋管也由金属管变成了 聚乙烯等塑料管。此外，美国还进行了多种形式的地下埋管换热器的研究、安装 和测试工作。现在美国所安装的土壤源热泵主要是闭式环路系统，它根据塑料管 的安装形式的不同可分为水平埋管和垂直埋管，此系统可以被高效地应用于任何 地方，也正是土壤源热泵系统的广泛应用，推动了最近几十年美国地源热泵产业 的快速增长。 1 9 9 8 年美国能源部要求在具有使用条件的联邦政府机构建筑中，推广应用 土壤源热泵系统。为了支持这种节能环保新技术，美国总统布什在他德克萨斯州 的宅邸中也安装了这种地源热泵系统。在美国，地源热泵空调系统占整个空调系 统的4 0 ，是美国政府极力推广的节能、环保技术。截止2 0 0 9 年，美国已安装 了6 0 0 ，o o o 台，而且计划以后，每年安装4 0 万台，降低温室气体排放一百万吨， 相当于减少5 0 万辆汽车的污染排放，或种植树木一百万英亩，年节约能源费用 4 2 亿美元。 进入2 1 世纪后，随着美国建筑规模的扩大，其地源热泵的使用量也逐渐增 加。其中，地源热泵系统在单元住宅中占6 3 ，商业建筑占3 7 。在单体住宅中， 新建筑占7 5 ，但目前受美国次贷危机影响，此比例在逐渐下降；既有建筑改造 2 5 ，预计此比例可上升到3 5 。在商业建筑中，学校、政府办公建筑、宗教建 筑、办公建筑和零售商场均有应用心1 。 各种不同系统安装的数目和比例见表卜l 。 华北电力大学硕士学位论文 表卜1 美国地源热泵系统目前安装比例 安装比例( ) 垂直埋管土壤源热泵系统 4 6 水平埋管土壤源热泵系统 3 8 地下水源热泵系统 1 5 其他 l 总计 1 0 0 美国地源热泵发展中遇到的障碍主要有：地源热泵系统相对传统系统以及 空气源热泵的一次性投资较大。由于初期投资涉及到大量的地下旅工，北美地区 高昂的劳动力成本，使得地源热泵系统的初期投资可以超过常规系统1 0 0 乃至 1 5 0 9 6 。初期投资过高，极大地限制了地源热泵的使用。在目前的应用中，主要还 是以公立的学校，尤其是中小学为主，其次是联邦政府的公用设旌，包括军用设 施。在真正的私人投资的商用建筑中，使用的比例要低于前两者。各种地方法 规对地源热泵使用的限制；承包商施工的不规范：水平埋管土壤源热泵系统 需要大量的土地面积。 为了促进地源热泵的发展，美国各州政府也相继出台了很多激励措施来鼓励 地源热泵的发展。 表卜2 美国地源热泵的激励措施昭1 蒙大拿州 允许居民由于地源热泵的安装申请1 5 0 0 美元的免税 u n i v e r s a ls y s t e mb e n e f it sp r o g r a m r e n e w a b1ee n e r g yf u n d 西北能源公司周期性的向可再生能源工 程提供资金帮助 华北电力大学硕士学位论文 表卜2 ( 续表) 州计划名称 概述 1 2 1 2 欧洲地源热泵发展概况 2 0 世纪5 0 年代，欧洲开始了研究地源热泵的第一次高潮，但由于当时的能 源价格较低，这种系统并不经济，因而未得到推广。1 9 7 3 年第一次石油危机之 后，美国、同本已经有了热泵市场，两个国家都在运用各自的知识和经验来促进 热泵的销售量，而当时欧洲的两个组织欧洲经济共同体( e w g ) 和欧洲自由贸易 联盟( e f t a ) 都在致力于用太阳能的研究来解决能源问题，直到第二次石油危机 之后，欧洲才开始关注热泵系统，逐渐引用了用室外空气、通风系统中的排气、 土壤、地下水等位热源的热泵机组，与美洲不同，欧洲的热泵系统一般仅用来供 热或提供生活热水。 4 华北电力大学硕士学位论文 欧洲地源热泵发展初期，专家与安装工人之问缺乏沟通，导致在一段时间的 快速增长之后，市场上充斥了许多设计、安装失败的项目，并且由于价格较传统 系统高很多，地源热泵销售量出现明显地下降，大部分热泵企业也纷纷倒闭，只 有几家大型企业生存了下来。近年来，随着油价与电价比例的上扬，政府对降低 能耗和环境污染的法律制定越来越严格，为了提高能源利用率、实现联合国气 候变化框架公约( 京都协定书) 确定的减排义务、发展可再生能源和确保能源 安全供应，欧洲议会和欧盟理事会于2 0 0 2 年1 2 月通过了建筑能效指令 2 0 0 2 9 l e c ，该指令的制定意味着欧盟各国加强了对建筑节能技术的研究和管 理，地源热泵作为一项有力的节能措施迎来了它的又一次高潮n 。 ( 1 ) 瑞典 瑞典地形狭长，南北气候迥异。北部为大陆性气候，冬季寒冷漫长，最低气 温达到一1 0 摄氏度，最北部积雪可持续7 个月不化，而夏季只有1 个月的时间。 南部属于海洋性气候，终年气候温和，冬季时长只有1 个月，夏季的时间则在3 个月以上，最高气温可达到3 0 摄氏度。 2 0 世纪8 0 年代初期，因瑞典政府对热泵项目采取免息贷款的方式进行补贴， 以及石油危机的影响，促进了热泵市场的发展，这一时期，市场上充斥了很多低 劣质量产品以及安装者根本达不到的节能承诺，导致了大量工程的失败，热泵市 场失去了信用度。1 9 8 5 年瑞典热泵安装达到了一个尖峰，但由于较低的信誉， 同时政府补贴取消，热泵市场开始迅速回落，同时，这个时期石油价格的下降助 推了热泵市场的下滑。8 0 年代末期，瑞典经济高速发展，石油价格的恢复性上 涨，大量的新建建筑又重新促使了热泵市场的复苏。9 0 年代初期，商业衰退冲 击了瑞典，人们对热泵前景不抱多大希望，甚至不感兴趣，这段时间新建建筑减 少，致使市场又出现下滑现象。商业衰退期结束后，热泵赢得了很好的公众认知 度，热泵市场开始了迅猛的发展。目前，地源热泵总得安装台数约为4 万台年。 瑞典热泵形式的组成比例在过去的2 0 年中也发生了很大的变化，瑞典处于 寒带气候区，北方地区年平均温度为2 摄氏度，南方地区年平均温度也只有8 摄氏度，在这种气候条件下，地源热泵具有空气源热泵无可比拟的优点，使其逐 渐主宰了热泵市场，地源热泵系统由1 9 9 0 年的9 上升到2 0 0 4 年的5 9 。 近几年，瑞典安装的土壤源热泵系统中，9 0 为垂直埋管系统，1 0 为水平埋 管形式。瑞典每年总供热量以及家用生活热水所需能量约8 5 m 1 h ，2 0 q 5 年，约 1 5 m w h ( 约1 8 ) 的能量需求是由热泵来提供的，约3 0 的单户公寓用1 台热泵即 可实现供暖需求1 。瑞典的土壤源热泵地下换热器的形式主要有同轴套管式换热 器、单u 、双u 管。瑞典在土壤热物性测试方面做了较多的工作，开发了可移动 热响应测试仪器。 瑞典对热泵系统安装项目曾用过的财政补贴方式有以下几种方式：对应用于 华北电力大学硕士学位论文 单户或多户住宅的热泵项目贷款给予利息补助金；根据安装数量，对多户住宅采 用热泵的项目给予资金补偿；根据总的安装费用，对多户住宅采用热泵的项目给 予现金补偿；对采用热泵项目住宅的居民减少税收。 从瑞典地源热泵发展情况，可以清楚的看出政策对市场的影响力，也可以看 出在技术成熟、市场框架形成、消费者信心稳定后，这项技术的市场自身发展能 力。 ( 2 ) 德国 德国属于西欧海洋性与东欧大陆性气候间的过渡性气候，西北部靠近海洋， 主要是海洋性气候，夏季不太热，冬季大部分时间不冷，东部和东南部随地势的 升高，气候差异较大，大陆性气候冬冷夏热的特征逐渐明显，最冷时气温可达 一1 0 ，最热时接近3 0 。平稳温和是德国气候的总体特征，冬季平均气温在1 5 ( 低地) 和一6 ( 山区) 之间，7 月份平原地区的平均温度为1 8 ，南方山谷地 区为2 0 左右。 德国热泵市场的发展也是起始于石油危机1 9 7 3 年，尤其是在1 9 7 9 年发展迅 速，1 9 7 3 年热泵年销售量约为5 0 0 台，而在1 9 8 0 年与1 9 8 1 年之间热泵的销售 安装量上升到了1 2 0 0 0 台，是有史以来安装量最高的一年b 1 。伴随着石油价格的 回落，热泵安装系统较差的可靠性和售后服务使得热泵销售量迅猛衰减，致使 2 0 世纪8 0 年代末期，热泵市场崩溃，几年内热泵机组的年销售不足5 0 0 台。2 0 世纪9 0 年代初，人们开始注意到热泵供热降低了二氧化碳的排放量，对保护环 境有一定的贡献率，联邦政府对应用热泵技术采取了一些补助措施，同时石油价 格的逐步上涨以及电价的相对稳定带来了热泵市场的复苏，热泵的销售量又开始 了稳步的上升。 德国热泵的发展过程中，低温热源有一个明显的改变，2 0 世纪8 0 年代中期， 土壤、水、空气作为低温热源的比例大致相同。不久之后土壤源热泵系统由于其 较好的性能系数逐渐引起重视。如今热泵供热，6 5 采用的是土壤源热泵系统、 1 5 是空气源热泵系统、2 0 是地下水源热泵系统。地源热泵在住宅建筑中的应用 占用最大份额，通过对系统设计、循环泵、制冷机等细微调整，季节性能系数从 1 9 8 5 年的2 5 3 0 上升到了2 0 0 0 年的4 0 。在德国，一般地埋管地源热泵系统 只用来供热和提供生活热水，不用于制冷，这导致了地下温度的持续下降，为了 应对这种情况以保持系统的长期运行，一般会加深地下埋管。 德国通过有效地利用信息系统进行热泵的宣传，使建筑业主认识到采用热泵 系统的益处。主要采用两种方式，一是在大的建筑杂志上做广告，二是在网上传 播应用热泵的信息，不仅有重要的技术信息，同时也会提供一些热泵系统成功的 案仞j 。 6 华北电力大学硕士学位论文 1 。2 。2 地源热泵在国内的应用情况 在我国，由于能源价格的特殊性以及人们节能、环保的认识程度等原因以及 其它一些因素的影响，地源热泵空调技术应用和发展比较缓慢，2 0 世纪9 0 年代 开始推广和研究地源热泵系统浅层地热能的开发利用技术。人们对之尚不十分了 解，推广较困难。然而，随着人们生活水平的提高，人均能耗的增长，一次性矿 物能源的日益衰竭以及环境的日趋恶化，地源热泵技术已越来越引起人们的重 视。2 0 0 1 年，国家建设部在夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准中专门作 出推荐。在目前节能和环保的潮流下，该技术以其特有的节能性和稳定性受到行 业的瞩目，国内许多院校、科研所作了大量的应用研究。据统计，仅在北京2 0 0 4 年施工并投入运行的地源热泵系统的空调工程，占全年空调工程总量的三分之二 以上。从2 0 0 6 年开始，国家分别将三个城市作为地源热泵试点城市，分别是北 京、天津、沈阳。国家努力引导发展地源热泵，国家的一些政府部门的建筑、学 校、医院等都进行了地源热泵改造。可以预见，随着经济的发展，人们节能、环 保意识的日益提高，地源热泵作为一种节能、环保的绿色空调设备适应能源可持 续发展战略要求，在中国必将有广阔的应用和发展前景。 例如，作为2 0 0 8 年奥运会羽毛球及艺术体操比赛场馆的北京工业大学体育 馆，采用了深层地热资源和浅层地热资源相结合的模式，搭配热泵技术，以满足 体育馆冷暖气的需求。北京工业大学体育馆总建筑面积占2 4 8 8 3 m 2 ，该项目工程 开凿深层地热井3 处，其中2 处为开采井、1 处为回灌井，平均深度均达1 6 0 0 0 m ， 平均每天出水量超过2 0 0 0 l 。体育馆供暖、冷气系统为一套智能远程操控系统， 采用先进的深层地热技术和水源空调技术。供暖时，从深层地热开采井中提取温 度较高的热水，直接经过板式换热器将部分热量交换给风机盘管中多用的供暖用 循环水，解决体育管供暖热源；供应冷气时，则由浅层水源空调开采井中提取温 度约为1 5 的浅层地下水，经过热泵吸收风机盘管中制冷用循环水中的热量， 将循环水温度降低( 约为7 ) ，进而送出冷气。据了解，北京市利用地热资源 进行供暖、冷气的建筑面积已经超过了6 0 0 万平方米，并在加速增加中h 1 。 目前，南京、苏州、无锡、南通等地的公用建筑都在积极推广地源热泵技术， 并取得了良好的节能效果。近几年，江苏建筑市场发展迅猛，一大批公用建筑都 在向“绿色”靠拢。南京鼓楼国际服务外包产业园将水源热泵系统用于大型办公 区；南京工程学院图书馆将水源热泵系统与附近天然湖成功“嫁接”；南通市政 府1 5 万平方米的机关宿舍小区，利用污水源集中热量交换。南京首个地源热泵 办公建筑新城大厦二期，位于河西奥体中心对面，分为主楼和附楼，总建筑 面积约为1 8 万平方米。作为一幢办公大楼，其最大的特点就是有近1 0 万平方米 的面积采用了地源热泵加热容新风技术，既代替了锅炉和传统的空调设备来供暖 华北电力大学硕士学位论文 制冷，还可以提供生活热水。据了解，其附楼部分为市政服务中心和南京市公共 资源交易中心，附楼已于2 0 1 1 年1 1 月底率先投入运行。据测算，该行政服务中 心投入使用两个月就节约了标准煤大约5 0 0 吨，减少二氧化碳排放量1 2 0 0 吨。 这一批示范工程的出现，标志着地( 水) 源热泵技术正在公用建筑领域大力推广。 据悉，山东省在5 个市实施了农村中小学“2 1 l 工程”试点，阳信、邹平两 县为全省首批试点县。“2 l l 工程 也叫“两热一暖一改”工程，试点分别采用 了“地源热泵+ 暖气片散热”、“地源热泵供暖+ 风机盘管散热( 可制冷) ”、“太阳 能为主、地源热泵为辅供热+ 风机盘管散热”四种不同的供热散热模式。阳信县 银高中学采用“地源热泵+ 风机盘管散热”的模式，冬季取暖每平方米运行费用 约为1 2 元。 2 0 1 1 年秋，北京鲜花港菊花节的温室也应用了地源热泵系统。温室内冬暖 夏凉，为各种节令的鲜花创造了温湿度适宜的生长环境。鲜花港是国内首次在农 业设施上大规模自主开发浅层地能、地热新能源等节能环保技术的标杆项目。鲜 花港采用的供暖系统，属于地源热泵、水源热泵、地热梯级利用加燃气锅炉调峰 的复合式能源利用方案供暖方式，比传统能源提高了3 0 9 6 5 0 的效率。这种供 暖方式是国内首次在农业生产中应用。较采用燃气锅炉减少使用标准煤2 1 4 8 6 吨，减少排放二氧化碳5 6 2 9 3 吨、二氧化硫1 8 3 吨、氮氧化物1 5 9 吨、粉尘9 6 7 吨，基本实现零排放。采用这种梯级优化组合的供暖方式，不仅可以供暖，还可 以制冷。一般温室采用电空调制冷催花，鲜花港则利用热泵技术把地下1 0 0 多米 1 4 度的冷水抽上来，再通过风机盘管制成冷气均匀的输送到温室，从而实现降 温催花。据鲜花港入住公司反映，地源热泵制冷方式具有无污染、成本低、降温 速度快、制冷均匀等特点。 要想使地源热泵系统真正达到节能低碳的效果，必须做好以下几点： 第一个方面就是项目要建设好。这就包括项目要策划好，是不是放在应该建 项目的地方，考虑的因素方方面面都要想到；项目还要设计好，一个工程建设没 有一个设计文件不可能施工。但是设计院对地源热泵系统的设计经验还不是很丰 富。好多都是专业公司做完了以后，由设计院去把关，这是需要关注的一个问题； 地源热泵和一般的暖通空调不一样的就是要和土地打交道，要和我们原来不熟悉 的环境打交道，很多环节上面一定要切切实实做好；设备要采购好，现在许多设 备往往是低价中标的设备，难以做出合格的工程。设备的生产供应和改进是我们 广大设备供应商要做的工作。针对地源热泵项目，还要做好检测工作，一定要有 检测手段，这样才能在运行期间判断系统是不是正常，是不是高耗能。在竣工后 的验收环节，还需严格执行到位。 第二个是政府管理好。要把资源调研好，应用规划好，项目的审批要把关好， 项目竣工以后，要把验收工作和评估工作做好。正常运行的耗能的数据要监测、 华北电力大学硕士学位论文 记录好。还要做好能力建设跟职责的管理。能力建设包括技术资质，包括队伍的 培训等等。除此之外，资质管理对项目的质量也会有很大的影响。 第三个是要有施工好。一个成功运行的地源热泵项目，需要很多环节来完成， 其中最为重要的就是施工环节，无论前期工作做得多么充分，只有落实到工程上 来才可实现，否则就是纸上谈兵。这么重要的环节却恰恰是热泵行业里面最薄弱 的环节。地源热泵作为一项新能源使用的载体，其实有相当多技术含量在里面， 而有些企业启用的施工队伍很少接触这种技术，到目前为止还很少有专业的地源 热泵施工公司，多数是综合性的施工队伍。规范地源热泵行业施工队伍，实现施 工人员持证上岗，由相关部门对施工企业进行资质认证已经成为当前急需解决的 问题。只有这些环节规范了，才能对热泵项目进行标准化施工，才能保证热泵的 正常运行，最大化的维护用户的利益。 第四个是运行管理要好。地源热泵在真正投用后，只有把它运行好才节能。 一般情况下，地源热泵的运行跟传统空调的运行还不一样。运行环节的检测非常 重要，就是要培养能源服务公司跟业主建立关系，实现对节能能效的监测。 1 3 本文研究思路 本项目建设地点位于第七届世界草莓大会相关设旖内，介于世界草莓大会的 国际影响力，结合草莓种植特点，以及此次草莓大会提出的科技、绿色、创新的 总体思路。我们必将选择一套节能环保的供热系统。 本文将通过对地源热泵这种高效节能且环保的空调系统的介绍，使读者对这 项技术有初步的了解和认识。根据对项目建设地点供热负荷的测算，对比传统空 调系统，最终确定供热方案。针对选定的供热系统，分析说明其对环境的影响、 对应的治理措施以及其在节能方面的表现。 1 4 本章小结 本章主要阐述了论文的研究背景和写作意义。通过对地源热泵系统在国内外 应用情况的介绍，使读者对地源热泵系统的应用有了初步的了解。最后，确定了 本文的研究思路。 9 华北电力大学硕士学位论文 第2 章地源热泵系统简介 2 1 地源热泵的热泵原理 地源热泵( g s h p s ) 是一个广义的术语，它包括了使用土壤、地下水和地表 水作为热源和热汇的系统，即地下耦合热泵系统( g r o u n d c o u p l e dh e a tp u m p s y s t e m s ，g c h p s ) ，也叫地下热交换器地源热泵系统( g r o u n dh e a te x c h a n g e r ) ； 地下水热泵系统( g r o u n d w a t e rh e a tp u m ps y s t e m s ，g w h p s ) ；地表水热泵系统 ( s u r f a c ew a t e rh e a tp u m ps y s t e m s ，s w h p s ) 。地源热泵是一种利用浅层地热 资源( 也称地能，包括地下水、土壤或地表水等) ，或者是利用人工再生水源( 工 业废水、地热尾水) 的既可供热又可制冷的高效节能空调系统阵1 。地源热泵通过 输入少量的高品位能源( 如电能) ，实现由低温位热能向高温位热能转移。地能 分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的热量 取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能 中去。通常，地源热泵消耗1 k w 的能量，用户可以得到4 k w 以上的热能或冷能。 它耗能少，不污染环境，还可以利用再生资源实现冬季供暖、夏季制冷和提供日 常生活热水3 大功能，符合可持续发展的要求，具备诸多优势，受到社会各界的 广泛欢迎。 热泵机组装置主要有：压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀四部分组成，通过 让液态工质( 制冷剂或冷媒) 不断完成：蒸发( 吸取环境中的热量) 一压缩一冷 凝( 放出热量) 一节流一再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到水 中h 1 。压缩机( c o m p r e s s o r ) ：起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高 压处的作用，是热泵( 制冷) 系统的心脏；蒸发器( e v a p o r a t o r ) ：是输出冷量 的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热 量，达到制冷的目的；冷凝器( c o n d e n s e r ) ：是输出热量的设备，从蒸发器中吸 收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热 的目的；膨胀阀( e x p a n s i o nv a l v e ) 或节流阀( t h r o t t l e ) ：对循环工质起到节 流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量。根据热力学第二定律，压缩机 所消耗的功( 电能) 起到补充作用，是循环工质不断地从低温环境中吸热，并向 高温环境放热，周而往复地进行循环。 2 1 1 地源热泵的分类 供热是需要冷凝器的热量，蒸发器则从环境中吸热，此时从环境取热的对象 l o 华北电力大学硕士学位论文 称为热源；相反，制冷是需要蒸发器的冷量，冷凝器则向环境排热，此时向环境 排热的对象称为冷源。 蒸发器冷凝器根据循环工质与环境换热介质的不同，主要分为空气换热和水 换热两种形式。热泵根据与环境换热介质的不同，可分为：水一水式，水一空气 式，空气一水式，和空气一空气式共四类嘲。利用空气作冷热源的热泵，称之为 空气源热泵。空气源热泵有着悠久的历史，而且其安装和使用都很方便，应用较 广泛。但由于地区空气温度的差别，在我国典型应用范围是长江以南地区。在华 北地区，冬季平均气温低于零摄氏度，空气源热泵不仅运行条件恶劣，稳定性差， 而且因为存在结霜问题，效率低下。利用水或地热作为冷热源的热泵，称之为地 源热泵。水和地热是一种优良的热源，其热容量大，传热性能好，一般地源热泵 的制冷供热效率或能力高于空气源热泵，但地源热泵的应用常受到水源和地热的 限制。 2 1 2 地源热泵的类型 地源热泵有开式系统和闭式系统两种。开式系统是直接利用水源进行热量传 递的热泵系统。该系统需要配备防砂堵、防结垢、水质净化等装置。闭式系统是 在深埋于地下的封闭塑料管内，注入防冻液，通过换热器与水或土壤交换能力的 封闭系统。闭式系统不受地下水位、水质等因素的影响。 地源热泵在国内也被称为地热泵。根据利用地热源的种类和方式不同，可以 分为以下三类：土壤源热泵或称土壤耦合热泵、地下水热泵、地表水热泵1 ( 1 ) 土壤源热泵系统 土壤源热泵以大地作为热源和热汇，其换热器埋于地下，与大地进行冷热 交换。土壤源热泵系统主机通常采用水一水热泵机组或水一气热泵机组。根据地下 热交换器的布置形式，主要分为垂直埋管、水平埋管和蛇形埋管三类。 1 ) 垂直埋管式地源热泵 垂直埋管可获取地下深层土壤的热量。垂直埋管换热器通常采用的是u 形方 式，按其埋管深度可分为3 种：浅层( 1 0 0 m ) 。垂直埋管通常安装在地下5 卜1 5 0 米深处，一组或多组管与热泵机组相连， 封闭的塑料管内的防冻液将热能传送给热泵，然后由热泵转化为建筑物所需的暖 气和热水。埋管深，则地下岩土温度比较稳定，钻孔占地面积较少，但相应会带 来钻孔、钻孔设备的费用和高承压埋管的造价提高等问题。总的来说，垂直埋管 换热器热泵系统的优势在于：占地面积小；土壤的温度和热特性变化小； 需要的管材最少，泵能耗低；能效比较高，而劣势主要在于：由于缺乏相应的 施工设备和施工人员，造价偏高。垂直埋管是地源热泵系统的主要方式，得到各 华北电力大学硕士学位论文 个国家的政府部门大力支持。 2 ) 水平埋管式地源热泵 水平埋管是在地下2 米深处水平放置塑料管，塑料管内注满防冻液，并与热 泵相连。水平埋管占地面积大，土方开挖量大，而且地下换热器受地表气候变化 的影响。其换热器有单管和多管两种形式。其中单管水平埋管换热器占地面积大， 虽然对管水平埋管换热器占地面积有所减少，但需增加管长以补偿相邻管问的热 干扰。水平埋管换热器热泵系统由于旋工设备广泛使用而且施工容易，再加上许 多家庭有足够大的施工场地，因此造价就可以降低。除需要较大场地外，水平埋 管换热器系统的劣势还在于：运行不稳定( 由于浅层大地的温度和热特性随着 季节、降雨以及埋深而变化) ；泵能耗较高；系统效率较低 3 ) 蛇形埋管式地源热泵 蛇形埋管换热器比较适用于场地有限又较经济的情况。虽然挖掘量只有单管 水平埋管换热器的2 0 3 0 ，但是用管量会明显增加。这种方式优缺点类似于 水平埋管换热器，所以有的文献呻1 将其归入水平埋管换热器。 ( 2 ) 地下水热泵系统 在土壤源热泵得到发展以前，欧美国家最常用的地源热泵系统是地下水热泵 系统。目前在民用建筑中已经很少使用，主要应用在商业建筑中。最常用的系统 形式是采用水一水板式换热器，一侧走地下水，一侧走热泵机组冷却水。早期的 地下水系统采用的是单井系统，即地下水经过板式换热器后直接排放。这样做， 一则浪费地下水资源，二则容易造成地层塌陷，引起地质灾害。后来出现了双井 系统，一个井抽水，一个井回灌。地下水热泵系统的优势是造价要比土壤源热泵 系统低，另外水井很紧凑，不占太多场地，技术也相对比较成熟，水井承包商容 易找。其劣势在于：有些地方法规禁止抽取或回灌地下水；可供的地下水有 限；如水质不好或打井不合格要注意水处理问题；如泵选择过大、控制不良 或是水井与建筑距离偏远，泵能耗就会过大。 ( 3 ) 地表水热泵系统 总的来说，地表水热泵系统具有造价低、泵能耗低、维修率低以及运行费用 少等优点。但是，在公用河水中的设各容易受到损害。另外，如果湖泊过小或者 过浅，湖泊的温度会随着室外气候发生较大的变化，就会使效率降低，制冷或者 供热能力下降。 2 2 地源热泵空调系统与传统中央空调系统对比 2 2 1 地源热泵的特点 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 可再生性 地源热泵是一种利用地球所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的 供暖制冷空调系统，地源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。地表土壤 和水体是一个巨大的太阳能集热器，收集了4 7 的太阳辐射热量，比人类每年利 用的5 0 0 倍还多( 地下的水体是通过土壤间接的接受太阳辐射能量) ；它又是一 个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散相对 的平衡，地源热泵技术的成功使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能成 为现实。 ( 2 ) 高效节能 地源热泵机组利用土壤或水体温度冬季为1 2 2 2 ，温度比环境空气温度 高，热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高：土壤或水体温度夏季为1 8 3 2 ， 温度比环境空气温度低，制冷系统冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷 却塔式，机组效率大大提高，可以节约3 0 4 0 的供热制冷空调的运行费用，1 k w 的电能可以得到4 k w 以上的热量或5 k w 以上的冷量n 】。 与锅炉( 电、燃料) 供热系统相比，锅炉供热只能将9 0 以上的电能或7 0 - 9 0 的燃料内能转为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三 分之二以上的电能，比燃料锅炉节省约二分之一的能量；由于地源热泵的热源温 度全年较为稳定，一般为1 0 一2 5 ，其制冷、制热系统可达3 5 4 4 ，与传统的 空气源热泵相比，要高出4 0 左右，其运行费用为普通中央空调的5 0 6 0 h 1 。 2 2 2 地源热泵的优点 ( 1 ) 环保和经济效益显著 地源热泵机组运行时，不消耗水也不污染水，不需要锅炉，不需要冷却塔， 也不需要堆放燃料废物的场地，环保效益显著。地源热泵机组的电力消耗与空气 源热泵相比也可减少4 0 以上；与电供暖相比可以减少7 0 以上，它的制热系统 比燃气锅炉的效率平均提高近5 0 。 ( 2 ) 一机多用，应用广泛 地源热泵系统可供暖、空调制冷，还可提供生活热水，一机多用，一套系统 可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统，特别是对于同时有供热和供冷要 求的建筑物。地源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量的能量，而且用一套设 备可以同时满足供热、供冷、供生活用水的要求，减少了设备的初投资，地源热 泵可应用于宾馆、居住小区、公寓、厂房、商场、办公楼、学校等建筑，小型的 地源热泵更适合于别墅住宅的采暖、空调。 ( 3 ) 自动运行，稳定可靠 华北电力大学硕士学位论文 地源热泵机组由于工况稳定，可以设计成简单的系统，部件较少，机组运行 可靠，维护费用低，自动控制程度高，使用寿命长。且由于地层温度一年四季相 对稳定，其温度的变化远远小于气温的波动，是很好的冷热源，因此，使得系统 运行更加可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。 ( 4 ) 舒适程度高 由于热泵系统的供冷、供热更为平稳，降低了停、开机的频率和空气过热和 过冷的峰值。这种系统更容易适应供冷、供热负荷的分区。 2 2 3 地源热泵空调系统与传统中央空调系统对比 ( 1 ) 环境保护方面 从土壤源热泵的整个运行原理来看，土壤源热泵系统实际是真正意义的绿色 环保空调，不管是冬季还是夏季的运行，都不会对建筑外大气环境造成不良影响。 而普通中央空调系统，将废热气或水蒸气排向室外环境，无一例外的都对环境造 成了极大的污染。以地球表面浅层地热地源作为冷热源，利用清洁的、近乎无限 可再生的能源，符合可持续发展的战略要求。 ( 2 ) 运行效率方面 对于普通中央空调系统，不管是采用风冷热泵机组，还是采用冷却塔的冷水 机组，无一例外的要受外界天气条件的限制，即空调区越需要供冷或供热时，主 机的供冷量或供热量就越不足，即运行效率下降，特别是在夏热冬冷地区的使用 就会受到了影响。而土壤源热泵机组与外界的换热是通过大地，而大地的温度很 稳定，不受外界空气的变化而影响运行效率，因此，土壤源热泵的运行效率是最 高的。 ( 3 ) 经济方面 地源热泵系统还可以集采暖、空调制冷和提供生活热水于一体。一套热泵系 统可以替换原有的供热锅炉、制冷空调和生活热水加热的三套装置或系统，从而 减少使用成本，十分经济。 ( 4 ) 运行费用方面 地源热泵系统在运行中的节能特点也是显而易见的：通常地源热泵消耗1 k w 的能量，用户可以得到4 k w 以上的热量或冷量，其制冷、制热系数可达到4 以上， 与传统的空气源热泵相比，要高出4 0 ，其运行费用为普通中央空调的5 0 _ 6 0 。 达到相同的制冷制热效率，土壤源热泵主机的输入功率较小，即为业主提供了较 低运行费的空调系统，在全年时间使用空调的场所，这种效果尤为明显。锅炉只 能将7 0 一9 0 的燃料内能转为热量，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二 以上的电能，比燃料锅炉节省约二分之一的能量。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 ( 5 ) 主机设置