（安全技术及工程专业论文）地下水源热泵系统的性能分析及经济性评价.pdf

s u b j e c t ：p e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n de c o n o m i ce v a l u a t i o no f t h e g r o u n d w a t e rs o u r c eh e a tp u m ps y s t e m s p e c i a l t y ：s a f e t ye n g i n e e r i n g n a m e：b a iy a - j u a n i n s t r u c t o r ：z h a oj i a n h u i a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 幽猕业 ( s i g n a t u r e ) 么匆叠盛 t h eg r o u n d w a t e rs o u r c eb e a tp u m ps y s t e m ( g w s h p ) h a sb e e ni d e n t i f i e da sam o s t e n v i r o n m e n t - f r i e n d l ya n de f f i e i e n tb e a tp u m ps y s t e m t h eg w s h ps y s t e mw i l lh e l po u r c o u n t r ya d j u s tt h ee n e r g ys t r u c t u r ea n dm e e tt h er e q u i r e m e n t so fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t s t r a t e g i e s i nr e c e n ty e a r s ，t h eg w s i - i ps y s t e mh a sb e e na p p l i e dv e r yw i d e l yi nc h i n a h o w e v e r , s o m ep r o b l e m so c c u ri np r a c t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s i t i sac o m m o n p h e n o m e n o nt h a td e s i g n e r su s eg w s h ps y s t e mb l i n d l yw i t h o u ta n a l y s i so fh y d r o g e o l o g y c o n d i t i o no fe n g i n e e r i n gf i e l da n da c c u r a t ee c o n o m i ce v a l u a t i o n t h e r e f o r e ，t a k i n gx i a na r e a g w h ps y s t e mt y p i c a lp r o j e c tc a s ef o re x a m p l e ，c o m b i n i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sw i t hp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ，t h i sp a p e rw i l la n a l y z ea n dr e s e a r c ht h ea p p l i e dc o n d i t i o n s ，a i r - c o n d i t i o n i n gl o a d c h a r a c t e r i s t i c sa n de c o n o m i ce v a l u a t i o no ft h eg w h ps y s t e m ，i no r d e rt ob e t t e rg u i d et h e g w h p s y s t e m sp o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r ，f i r s t l yc h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eg w s h ps y s t e ma r e g i v e nb yas y s t e m a t i ce x p o s i t i o nb a s e do nt h ec o n c e p ta n dc o m p o s i t i o no ft h eg w s h p s y s t e m ，a n da n a l y z eh y d r o g e o l o g yc o n d i t i o n so ft h et y p i c a lp r o j e c t ；s e c o n d l y ，t a k i n gt y p i c a l g w s h p s y s t e mp r o j e c tf o rc o m m e r c i a la n dc i v i lb u i l d i n gi nx i a na se x a m p l e ，u s et h ed e s t s o f t w a r ef o rb o t ht y p e so fb u i l d i n gt os i m u l a t ea i r - c o n d i t i o n i n gl o a dr e s p e c t i v e l y ，d i s c u s st h e s y s t e m1 0 a dc h a r a c t e r i s t i c ，a n dc o m p a r ew i t ht h em e a s u r e dd a t at o t e s t t h er e l i a b i l i t yo f s i m u l a t i o nr e s u l t ；f i n a l l y ，o nt h eb a s i so ft h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n a l y s i s ，t a k i n gt h et y p i c a l p r o j e c ta sa ne x a m p l e ，c o m p a r a t i v e l yc a l c u l a t et h ee n g i n e e r i n gc o s t s ，a n n u a lo p e r a t i o nc o s t s a n da n n u a lm a i n t e n a n c ec o s t so ft h eg w s h p s y s t e ma n dt h et r a d i t i o n a ld i s t r i c th e a t i n ga n d r e f r i g e r a t i o n , t a k i n gt h ea n n u a lc o s to fh e a tp u m ps y s t e mf o rt h eg o a lo fe c o n o m i ca n a l y s i s ， a n dc a l c u l a t et h er e c o v e r yp e r i o do fa d d i t i o n a li n v e s t m e n to ft h eh e a tp u m ps y s t e m t h i sa r t i c l eg a i n e dt h ec o n c l u s i o n sa n dm e t h o d st h a th a v er e f e r e n c ev a l u ef o rt h e g w s h ps y s t e m sd e s i g n ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n de c o n o m i ce v a l u a t i o n ，a n da l s op r o v i d e r e f e r e n c em e a n i n gf o rt h ep o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o n o fg w s h p s y s t e m k e y w o r d s ：g r o u n d w a t e rs o u r c eh e a tp u m ps y s t e m s l o a dc h a r a c t e r i s t i c s p e r f o r m a n c ea n a l y s i se c o n o m i ce v a l u a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西娄料技丈筝 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 日期：旷哆年乡月，日 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题冉撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：毛趣谤滔 指导教师签名：弘拨 每二旯3 b 1 绪论 课题研究背景及意义 1 1 1 能源与环境污染 1 绪论 能源与环境污染问题是当今世界各国面临的两大社会问题之一。能源是国民经济与 社会发展的重要物质基础，包括提高人类生活质量水平，促进经济发展，带动整个社会 进步。一般来说，一个国家的国民生产总值与其能源消费量大致是成正比的，能源的消 费量越大、产品的产量就越多，经济的发展就越快，整个社会就越富裕，人民的生活水 平就越高。然而，随着工业化和人口数量的发展，人类对能源的巨大需求和大规模地开 采、消耗，致使能源基础的削弱、退化枯竭。 根据1 9 9 4 年世界能源储量的探明结果可知，一次能源已经十分紧缺。探明一次能 源的世界储量和可开采年限以及中国一次能源储量和可开采年限l l j ，具体数据如表1 1 所示。 表1 1 能源储量与可开采年限 资源世界中国 种类可开采储量 可开采年限 可开采储量可开采年限人均储量 煤炭 1 0 4 3 9 0 x1 0 9 吨 2 9 8 年1 1 4 5 0 x 1 0 9 吨一百多年1 4 7 吨 石油1 4 1 x 1 0 9 吨4 0 年3 3 x 1 0 9 吨3 0 年 3 9 吨 天然气1 4 2 x 1 0 1 2m a5 7 年1 7 x l o l 2m 34 2 年 根据上述数据可知，中国人均能源占有量还不到世界平均水平的一半，一次性能源 极为有限，而能源消费却日益增长。这意味着，能源储量与未来能源利用之间存在着很 大的缺口，而且这个缺口还会越来越大。 人们注意到能源消耗在急剧增加，与此同时，能源消耗对环境的负面影响也在与日 俱增。当今，世界各国开发利用的能源，主要是石油、煤、天然气等矿物能源，而其他 能源如地热能、风能、太阳能、生物质能等只有小规模的开发利用。石油、煤、天然气 等矿物燃料，燃烧生成二氧化碳、烟尘和硫化物等有害物质，造成严重的大气污染，给 人类的生存带来很大威胁。根据有关资料统计，1 9 9 0 年，全世界燃烧化石燃料所造成的 环境污染用经济损失来表示为2 3 6 0 0 亿美元，人均为4 6 0 美元。其中煤炭消费量占能源 总消费量3 3 ，污染环境造成的损失占总损失的4 0 ；石油消费量占4 0 ，造成的损失 占4 2 ；天然气消费量占2 7 ，造成的损失占1 8 【2 j 。 西安科技大学硕士学位论文 我国能源消费以石油和煤炭为主，对环境污染十分严重。目前，全国煤炭消费约占 能源总消费量的7 0 以上，而7 0 的烟尘排放量，9 0 的二氧化硫排放量都来自煤炭的 燃烧，全国每年大约有2 3 0 0 万吨的二氧化硫和2 1 0 0 万吨以上的飞灰给大气造成污染。 采煤过程中排放的甲烷约占世界的1 5 ，在大气污染物中，8 5 的二氧化碳和6 0 的氧 氮化合物来自煤的燃烧，二氧化碳排放密度比世界平均水平高出2 6 ，占世界排放量的 1 0 。受酸雨影响的面积已经超过国土面积的3 0 。2 0 0 0 年我国煤消费量已达1 3 亿吨， 2 0 1 0 年煤炭需求量将在2 0 亿吨以上，环境污染问题更加严峻【3 】。因此，根据可持续发 展战略的要求，我们要提高能源的利用率，减少环境污染，建立现代合理的能源利用理 念，积极开发和利用风能、太阳能、生物质能和地热能等可再生能源，或者尽最大可能 的对能源二次利用，从而来缓解能源消耗的压力，以及改善环境污染问题。节能和开发 可再生能源，是解决世界能源问题的主要途径。 1 1 2 建筑胄皂耗与j 宇青色 随着经济的发展和人们对生活质量的要求越来越高，人们对于舒适性的追求也在不 断地提高，建筑采暖和空调的应用进一步广泛。在一些发达国家，建筑能耗占社会总能 耗的3 0 , - - 4 0 ，我国建筑能耗的总量也在逐年上升，在能源总消费量中所占的比例已 经从上世纪七十年代末的1 0 ，上升到近几年的2 7 4 5 。2 0 0 0 年，我国用于建筑耗能 的标准煤为3 7 亿吨，预计目前已经达到4 5 亿吨。1 9 9 2 年，建筑能耗在整个社会能耗 中只占有1 5 ，2 0 0 0 年提高到了2 7 ，到2 0 2 0 年预计将增加到4 0 ，如果再加上原材 料的消耗与运输则将接近于5 0 。中国建筑的总能耗将达到1 1 亿吨标准煤，是目前建 筑耗能的两倍以上。目前，在所有的建筑能耗中，空调和采暖的能耗约占建筑总能耗的 5 5 。空调负荷增长迅速，炎夏季节多数电网高峰负荷约有1 3 用于空调制冷，使许多 地区用电高度紧张，拉闸限电现象频繁出现。建筑能耗的严峻形势不容回避，我们应正 视现实，找出问题的症结，提出解决矛盾的思路，采取行之有效的措施，让高速增长的 建筑实现低能耗的运行，让建筑节能成为全社会关注的问题。 当前，中国的建筑节能是一个市场机制部分失灵的领域，单纯靠市场机制尚不能全 面推动建筑节能工作，需要加强法规制约。虽然我国已经出台了中华人民共和国节约 能源法，并对建筑物节能设计与建造做了明确规定，但内容比较宏观，缺乏可操作性； 而建设部颁发的民用建筑节能管理规定作为部门规章约束力显然不够。有关专家建 议，应将建筑节能纳入国家法律法规中，在节能法中增补建筑节能规定，由国务院 颁布建筑节能管理条例，明确地方政府的职责，使建筑节能纳入法制化轨道【4 1 。 目前，我国每年城乡新建房屋建筑面积接近2 0 亿平方米，其中8 0 以上为高耗能 建筑；在中国既有的近4 0 0 亿平方米的建筑中，9 5 以上为高能耗建筑，单位建筑面积 能耗为发达国家的二至三倍。到2 0 1 0 年，全国新建建筑争取三分之一以上能够达到绿 2 1 绪论 色建筑和节能建筑的标准。同时，全国城镇建筑的总耗能要实现节能5 0 。到2 0 2 0 年， 要通过进一步推广绿色建筑和节能建筑，使全社会建筑的总能耗能够达到节能6 5 的总 目标。相当于现阶段发达国家建筑能耗水平。届时，因建筑总能耗降低而减少的二氧化 碳排放量相当于整个英国二氧化碳排放量的总和。因此，我国的建筑节能既任重道远， 又前景广阔。因此，注重能源资源节约与合理利用。缓解我国能源资源与经济社会发展 的矛盾，立足国内，降低建筑物能量消耗，显著提高能源资源利用效率。有十分重要的 战略意义和巨大的经济与社会环境效益【5 j 。 能源和环保是人类生存、发展的两大主题，是全球关注的问题。可持续发展是2 1 世纪世界各国发展的共同方向，然而，能源危机制约着可持续发展战略。建筑行业的迅 猛发展，给能源供应、资源利用和环境保护带来了巨大的压力，给可持续发展提出前所 未有的挑战。建筑节能势在必行，关系到可持续发展战略的贯彻落实，是执行国家节约 能源、保护环境基本国策的重要措施，是世界建筑发展的趋势，也是今后建筑技术发展 的重点。 1 1 3 传统采暖与空调系统存在的问题 在中国的寒冷地区，常见的采暖方式有很多种，但就其使用能源的过程来看，基本 上是由热源( 如燃煤、燃气、燃油锅炉、热化电站等) 、热网和室内供暖系统组成的采 暖系统，或是由电站( 主要是火电站) 、输电管网和室内电采暖设备组成的采暖系统。 而传统的中央空调系统，是由冷冻站、室内空调系统以及室外冷却塔组成。传统的供暖 模式和空调系统在长期运行中，发现存在以下几个问题【6 】。 第一，能源利用率低。从能源量的角度来分析，当前我国大部分地区都是利用中小 型锅炉( 或炉灶) 燃烧矿物燃料来提供采暖用热，然而这些锅炉的效率普遍较低( 一般 都不超过6 0 ) ，即使是最先进的现代化热电站，其一次能源的利用率也只有7 5 左右， 电采暖设备的效率从表面上看接近于1 0 0 ，但国内仍然是以火电为主，因此，使得电 采暖模式的一次能源利用率更低，一般在2 7 , - , 3 3 t r l ，从而造成了能源的大量浪费。 第二，高品位能源使用不合理。实际的能量利用过程具有两个特性：“量”的守恒性 和“质”的贬值性。要想真正的做到节约能源，使热能合理利用，必须做到按“质”用“量”。 从能源的“质”的角度来分析，传统供暖系统要求的水温一般只有几十摄氏度，而燃烧燃 料( 如煤、气及油) 产生的温度高达一，二千摄氏度，通过降低温度来供暖，使得储存 在燃料中的化学能所具有的做功能力未加以合理利用而被贬值掉了，这也可以说是在能 源利用上一种巨大的浪费。 第三，不良的环境影响。在传统采暖模式中，燃烧煤、油等排出大量的二氧化硫、 二氧化碳以及粉尘等有害物，导致生态环境的恶化( 如全球温暖化、酸雨等) ，环境问 题已经是当今世界人类所面临的重大问题，尤其是燃料燃烧所造成的环境污染问题。特 3 西安科技大学硕士学位论文 别是我国能源在生产和消费中煤的比例占7 0 以上，在这种能源结构下，传统的建筑供 暖用能耗更是造成城市大气污染的主要因素之一 8 】。就传统的中央空调系统来说，冷却 塔造成一定噪音污染，以及水霉菌污染。 第四，设备利用率低。我国是标准的季节性气候，其主要特征是夏热冬冷。通常来 说，冬季，我国要比同纬度的全球平均温度低，夏季，则比同纬度全球平均温度高。为 了改善工业生产和居住条件，在建筑中进行供暖和空调是十分必要的。但是近年来，在 我国建筑物中进行供暖和空调的途径几乎全是冬季用锅炉房( 作为热源) 或电采暖设备， 夏季用制冷设备( 作为冷源) ，两套设备轮流闲置，致使设备利用率降低，而使得初投 资相对增大，而且在运行管理上也不方便，在设备利用率上也极不经济例。 第五，占地面积大。传统的供暖和中央空调系统，需要设置冷冻站和锅炉房，对于 燃油锅炉来说，储油设备不仅要有占地，而且要有一定的安全间距。而冷却塔要占用屋 顶面积，并且需要较大的电负荷。 第六，性价比低。传统的中央空调系统，其冷冻水机组寿命较短，一般只有二十年， 相对而言，其性价比较低。同时，在夏季其电能利用系数较低，只有3 4 3 6 。 综上所述，现有传统的采暖与制冷模式是一种“热源消耗高位能源，为建筑物室内 提供冷、热量，而向环境排放各种污染物( 如废热、废气、废渣、噪音等) ”的单向性 模式。这种采暖与制冷模式既消耗能源又污染环境，人们开始认识到现有的这种单向性 模式在二十一世纪已很难持续发展下去，如何建立起利用可再生能源的利用模式，实现 能源和环境的协调发展，将是我们所面临的新问题。热泵是一种利用少量的高品位能源 使热量从低品位热源流向高品位热源的节能装置，它虽然会消耗一定量的高品位能，但 在理论上供给用户的却是消耗的高品位能和吸取的低品位能的总和。也正是因为具有这 个优势，热泵技术引起了能源部门和环保部门的极大重视，也促进了它的极大发展。然 而，热泵技术在应用过程当中，也出现了一定的问题，这也正是本课题研究和探讨的问 题之一。 1 2 地下水源热泵技术的发展及研究现状 地下水源热泵系统是地源热泵的一个分支，最早应用于1 9 4 8 年美国俄勒冈州波特 兰市联邦大厦( c o m m o n w e a l t hb u i l d i n g ) ，该系统从开始设计就得到了广泛的关注。在其 后的几十年中，地下水源热泵系统得到了更为广泛的应用。据不完全统计，目前国内已 有近3 0 0 个地下水源热泵系统的应用项目 1 0 l 。 1 2 1 国外的发展及研究现状 热泵技术的发展历史可以追溯到1 9 1 2 年瑞士的一个专利，而热泵技术真正意义上 的商业应用也只有几十年的历史，但其发展速度相当迅速。早在二十世纪五十年代，欧 4 1 绪论 洲和美国出现利用地下水源热泵的第一次高潮，但因当时能源价格低，而热泵系统初投 资高，使得其应用未得到推广。直到上个世纪七十年代末，世界石油危机的爆发，使得 石油的价格不断上涨，对能源的需求也越来越紧迫，人们的注意力开始转移到节能和高 效利用能源上来。热泵技术作为一种节能和环保的供热、空调方式重新引起了暖通界人 士和业主的注意。这使得热泵技术的发展形成了又一个高潮。在美国，地下水源热泵工 业已经成立了由美国能源环境研究中。i ) , ( e n e r g y & e n v i r o n m e n t a lr e s e a r c hc e n t e r ) 、美国 地下水资源联合会( n a t i o n a lg r o u n dw a t e ra s s o c i a t i o n ) 、爱迪生电力研究所( e d i s o n e l e c t r i ci n s t i t u t e ) 、众多地下水源热泵制造设计销售公司以及政府机构和商家等1 4 6 家成 员组成的美国地下水源热泵协会，该协会在近年投入1 亿美元的资金从事热泵技术的开 发、研究和推广工作。著名的水源热泵制造厂商包括：c a r d e rc o r p o r a t i o n 、mt r a n e c o m p a n y 、a d d i s o np r o d u c t sc o m p a n y 等。美国水源热泵的研究和应用更侧重于住宅和商 业小型系统( 2 0 冷吨以下) ，多采用水空气系统，在大型的建筑物方面，美国主要推 行水环热泵系统【l1 1 6 。 1 9 3 8 年，欧洲制造了第一台热泵机组。它以河水作为低温热源，输出的热水温度可 高达6 0 ，向市政供热【1 4 1 。目前，欧洲的热泵技术发展比较成熟，这种高效、环保、 节能并且既可制冷、又可制热的设备在德国、法国等发达国家已经广泛应用。与美国的 地源热泵发展有所不同，中、北欧如德国、瑞典、瑞士、奥地利等国家主要利用浅层地 热资源，大多采用地埋管地源热泵系统( 埋深小于4 0 0 m ) ，用于室内地板辐射采暖以及 提供生活用热水。同时，中、北欧国家海水源热泵的研究和应用也比较多【1 7 1 9 j 。 目前，国外科研机构对于地下水源热泵系统应用工程的研究，主要集中于地面以上 部分，即热泵机组运行效率分析和循环系统的优化设计及长年运行分析等。例如， m j h a t t e n 对位于美国的某建筑水源热泵系统的历史运行进行了总结；a l s n i j d e r 提出 了水源热泵系统应用的可行性条件，他认为为了避免回灌水对抽水井水质的影响，应该 令抽水井与回灌井之间保持着一定的间距；而美国的a s h r a e 在1 9 9 5 年出版的 ( ( c o m m e r c i a l i n s t i t u t i o n a lg r o u n d s o u r c eh e a t pp u m p e n g i n e e r i n gm a n u a l ) ) 中系 统地介绍了地下水源热泵系统的设计、安装等内容【2 0 2 2 1 。 1 2 2 国内的发展及研究现状 早在二十世纪五十年代，中国就曾在上海、天津等地就开始尝试利用夏取冬灌的方 式抽取地下水进行制冷。1 9 6 5 年，中国研制成功第一台水冷式热泵空调机组，但其发展 一直比较缓慢。国内清华同方人工环境设备公司、山东海阳富尔达是比较早的水源热泵 制造厂家。1 9 9 6 年，山东富尔达空调设备有限公司开发出水水热泵机组( 井水源热泵 冷热水机组) 。进入九十年代，以井水作为低位热源的水水热泵机组发展迅速。到九十 年代末，井水源热泵冷热水机组成为中国空调领域的热门产品。到2 0 0 2 年，这种产品 5 西安科技大学硕士学位论文 有了快速的发展，产量已经达到4 0 0 0 台以上，机组的性能也日趋完善。同时，生产厂 家也超过二十多家。目前，清华大学、天津大学、哈尔滨工业大学、北京工业大学、中 国科学院广州能源所等多家大学和科研机构都在对水源热泵进行研究弘川。 进入二十一世纪，水源热泵机组市场在华北地区得到了推广，以山东富尔达、清华 同方及北京金万众为厂家代表，全年产量达到5 0 0 多台( 套) 。其中，2 0 0 1 年，清华同方 人工环境设备公司自主研制开发的水源热泵机组通过了技术鉴定，并且在国内同类技术 中成为首项通过国家级技术鉴定的水源热泵机组。2 0 0 2 年，清华大学首先提出了地下水 源热泵系统的市场应该是城市中的论点，并通过大量的数据统计和分析支持着这一论 点。然后建立了对城市需求系数的评价模型，通过对中国2 3 7 个中级以上城市的地下水 资源、市场容量、购买能力和政策等主要影响因素的分析和评价，最后对这些城市的市 场状况进行了综合评估，并在此基础之上确定了地下水源热泵系统在中国的目标市场 区。该研究结果对于企业在中国进行地下水源热泵技术的推广应用有着重要的参考价 值，对于地下水源热泵技术在国内的发展具有十分重要的意义。山东际高以蒸发冷凝方 式，引进了瑞典的专利技术，生产小型的水冷冷水机组，在北方地区的市场销路良好。 广州中宇开发的水环路分离式水源( 地源) 热泵空调系统，在两广与浙江地区得到了广 泛应用【砒7 1 。 中国地下水源热泵系统的应用开始于二十世纪八十年代。近几年该项技术成为了国 内建筑节能以及暖通空调领域的热门研究课题，并且开始大量地应用于工程实践，同时， 与此相关的热泵产品也应运而生，掀起了一股“地热空调”热潮。 1 9 8 5 年，广州能源所率先在广东东莞某游泳池开始应用水水热泵，该低温加热系 统是由太阳房与水水热泵组成的，利用2 5 至4 0 米深井中的2 4 的地下水作为热源， 其制热系数高达5 6 。 1 9 9 5 年，原国家科委与美国能源部共同签署了中华人民共和国国家科学技术委员 会和美利坚合众国能源部效率和可再生能源技术的发展与利用领域合作协议书，并且 在1 9 9 7 年1 1 月又签署了该合作协议书的附件六中华人民共和国国家科学技术委 员会与美利坚合众国能源部地热开发利用的合作协议书，其中主要内容之一是“地源热 泵”的发展战略，该项目拟在中国的北京( 代表北部寒冷地带) 、杭州( 代表中部夏热冬 冷地带) 和广州( 代表南部亚热带) 3 个城市各选一家单位与美国能源部推荐的地下水 源热泵生产商合作建立三个采用地下水源热泵空调系统的示范工程，以推广这种“绿色 建筑”，缓解中国对煤炭和石油的依赖程度，从而达到能源资源多元化的目的。2 0 0 6 年， 地源热泵系统工程技术规范与可再生能源法的实施，进一步规范了地下水源热 泵系统的推广应用。从中国南方地区的广州、深圳到过渡地区的南京、上海再到北方地 区的大连、北京等城市的住宅建筑和公共建筑，地下水源热泵系统都有了较广泛的应用。 据不完全统计，目前国内已有近3 0 0 个的地下水源热泵项目，最大单项工程建筑面积达 6 1 绪论 到1 6 万砰。在北京地区，截止到2 0 0 5 年底，发展热泵供暖面积约7 0 0 万m 2 ，超过全市 总建筑面积的1 ，预计到2 0 1 0 年，热泵发展面积达到3 5 0 0 万m 2 ，占全市总建筑面积 的5 左右；在2 0 0 6 年上半年，北京市发展改革委员会牵头，同城市相关职能部门九个 单位，联合下发了关于印发关于发展热泵系统的指导意见的通知，对地下水源热泵 系统的应用进行鼓励和限制，对地下水源热泵系统的应用起到了积极地规范和推动作 用。当前，在北京有代表性的地下水源热泵系统工程主要包括：友谊医院三期地下水源 热泵系统工程、警察学院地下水源热泵系统工程、嘉和丽园公寓楼地下水源热泵系统工 程等 2 8 - 3 2 。相比之下，地下水源热泵系统工程在西安地区的应用相对较少。目前，在西 安地区有代表性的地下水源热泵系统工程主要包括：西安山水草堂别墅区一期地下水源 热泵系统工程、西安长庆油田龙凤园小区地下水源热泵系统工程、商洛市全兴苑地下水 源热泵系统工程、西安市东尚一期地下水源热泵系统工程等。 大量的工程应用对地下水源热泵系统的研究起到了十分巨大的推动作用，目前有部 分学者对地下水源热泵系统模型和模拟方面做了一定的研究，例如：辛长征和朱颖心对 地下水源热泵系统井群运行的地下含水层传、蓄热性能进行模拟研究；何满潮、刘斌等 人对地热单井回灌的渗流场理论进行了研究分析；华中理工大学的张昆峰、马芳梅等人 对地下水源热泵系统冬季工况的运行进行数值模拟分析研究；北京工业大学的王陈栋和 陈超通过选取北京地区地下水地源热泵系统的典型工程实例，分别从北京地区水文地质 条件、井水总水量需求、热源井布置、地下水回灌与除砂、空调系统构成等方面对系统 进行节能优化研究；另外，建立并分析了地下水地源热泵系统可行性评价体系。另外， 还有部分学者对一些地区地下水源热泵系统的应用情况进行了经济性研究分析，例如： 天津大学的杨惠等人以地下水源热泵系统的费用年值为研究对象，对其进行分析与工程 应用研究：内蒙古工业大学的许向荣、贺玲例等人针对内蒙古科技厅地下水源热泵系统 的工程实例，对地下水源热泵系统在寒冷地区运行的经济性与环保性进行了简单的分 析；北京工业大学的赵建成、张海涛等人通过某个工程实例对地下水源热泵与水蓄能设 计相结合的运行情况进行了经济性分析；大连理工大学的包晗和王树刚针对某个地下水 源热泵系统的工程实例进行经济性分析，并进行了工程应用研究。当然，还有一部分学 者针对地下水源热泵系统在运行中出现的问题及预防措施进行了分析研究，主要包括回 灌阻塞问题、腐蚀与水质问题及节能运行控制等问题【3 1 1 。 1 3 本课题研究的主要内容 本文在总结国内外地下水源热泵系统应用研究现状的基础上，针对西安山水草堂别 墅区的典型工程案例，理论结合实际，从地下水源热泵系统的原理、可应用条件、系统 的负荷特性及经济性评价等方面作一些分析研究，为地下水源热泵系统在西安地区实际 工程的应用中提出一些理论依据，以促进该系统在西安地区的进一步推广应用。本课题 7 西安科技大学硕士学位论文 将从以下几个方面进行分析研究： ( 1 ) 论述了本课题的研究背景及意义，并对地下水源热泵系统的国内外研究现状 以及本课题的主要研究内容进行了概述。 ( 2 ) 从地下水源热泵系统的概念出发，对地下水源热泵系统的特点、工作原理及 其可应用条件进行了系统地阐述，为热泵机组、系统的设计人员以及用户对地下水源热 泵系统的形成提供了一个系统完整的概念。同时，根据应用地下水源热泵系统对水文地 质条件的要求，结合西安山水草堂项目采用地下水源热泵系统的实际情况，对该工程的 地下水文地质条件进行了简单介绍。 ( 3 ) 选取西安地区两种不同使用功能的建筑商用建筑和民用住宅的典型工程 为例，分别对其空调冷热负荷利用d e s t 软件进行模拟分析，并将模拟结果与实测推算 值相比较，以验证其模拟计算的可靠性。另外，对地下水源热泵空调系统运行的年耗电 量情况进行分析了计算。 ( 4 ) 分别对商务会所和住宅别墅这两种不同使用功能的建筑，通过地下水源热泵 系统方案与传统的区域暖通和冷冻站制冷方案进行对比，且分别对两个工程实例的两种 不同方案的工程造价、年运行费用、年维护费用进行计算。通过建立费用年值计算模型 和追加回收期的计算，对两种不同方案进行经济性比较。 1 4 本章小结 本章讨论了选题的背景及研究意义，分析了国内外地下水源热泵系统的发展及研究 现状，确定了课题的主要研究内容。 8 2 地下水源热泵空调系统应用条件分析 2 地下水源热泵空调系统应用条件分析 地球浅层表面吸收了相当多的太阳辐射能量，贮存了巨大的能量，这些能量储存于 大气、土壤、河流及海洋中。然而，这些能量由于处于低温状态，人们往往不能直接利 用它，称之为低品位能( 或低位热源) ；而可以直接加以利用的能源称之为高品位能( 或 高位热源) 。同样，把贮存于温度较高物体中，又可以被直接利用的那部分能，也可以 称之为高品位能。那么什么是热泵呢? 从本质上来说，热泵利用高品位能作为驱动力， 把不能直接利用的低位热源( 如空气、水、土壤中所含的热能及工业废热等) 转换为可 以利用的高位热源，从而达到节约部分高位能( 如电、煤、燃气及油等) 的目的【4 2 】。 热泵根据其冷热源存在形式的不同可以分为：以空气作为冷热源的热泵，称之为空 气源热泵；以土壤的地热能作为冷热源的热泵，称之为地源热泵；以水作为冷热源的热 泵，称之为水源热泵。可以提供给热泵作为低位热源用的水包括地下水、地表水及工业 废热水等。土壤源热泵系统、地表水热泵系统及地下水热泵系统可以统称为地源热泵系 统。这三种不同形式的热泵，各有其有优势与不足【4 3 】。 第一，空气源热泵。它具有悠久的历史，且安装和使用都很方便，目前应用最广泛。 空气源热泵也有缺点：空气参数( 温、湿度) 随季节及昼夜变化波动较大，对热泵的制 热容量和制热系数有着不利的影响；当环境温度低而相对湿度高时蒸发器表面容易结 霜，使热泵制热量和制热系数下降，除霜还需耗一部分的热量；其噪声较大。 第二，土壤源热泵系统。土壤是一种良好的低温热源，其温度变化范围不大，换热 器不需要除霜，且有一定的蓄能作用。土壤热源温度较稳定，热泵运行性能较好。其不 足之处是：土壤的传热性能欠佳，需要较大的换热面积，使得占地面积较大，尤其是水 平埋管，工程浩大，投资高。 第三，水源热泵系统。利用可再生能源，高效、环保、节能。水的比热容大，传热 性能好，因此，换热设备紧凑。水体温度比较稳定，并有一定的蓄能作用，使热泵运行 性能良好。其不足之处是：需要靠近水源，或设有一定的蓄水装置；对水质也有一定的 要求，以防止腐蚀管网和换热设备。同时，利用水作为低温热源必须遵守水源管理部门 的要求。 2 1 地下水源热泵系统概念及工作原理 2 1 1 地下水源热泵系统概念及构成 地下水源热泵系统是以地球表面浅层水源地下水作为冷热源，通过输入少量的高品 位能源( 如电能) ，实现低位热能向高位的转移。地下水体的热能分别作为冬季供暖的 9 西安科技大学硕士学位论文 热源和夏季制冷的冷源，也就是说，冬季，把水体中的热量“取”出来，提高温度后，供 给室内采瑷；夏季，把室内的热量“取”出来，释放到地下水体中去。地下水源热泵系统 运行示意图，可以用图2 1 形象直观地表示出来。 n 0 ； 图2 1 地f 水游热泵系统币意图 在实际工程应用中，常在暖通空调系统的部分设备或全部设备中选用熟泵机组，如 果空调系统中选用热泵，那么称该系统为热泵空调系统，或简称热泵空调。地下水源热 泵系统是以地下水体作为低温热源，它是由室外地下水换热系统、水源热泵机组系统及 室内空调末端系统这三大部分组成的供热空调热泵系统，如图2 2 所示。其中，室外地 下水换热系统主要包括水源、取水构筑物、输水管网和水处理设备 4 4 j 。另外，地下水源 热泵机组主要有两种形式：水空气式或水水式。这三个系统之间靠空气或水换 热介质来进行热量的传递，热泵与地下水体热能之间的换热介质为水，与建筑物采暖空 调末端的换熟介质可以是水或空气。地下水源热泵空调系统主要有以下四个环路，分别 为地下水换熟环路、制冷剂环路、室内环路与生活热水环路h q 。 、厂 、地下水源、儿 地下水 水或空气循环、 热泵机组1水循环、 换热 _ 系统广_ 系统 、一一7 l _ _ 图2 2 地r 水源热泵系统的构成 2 1 2 地下水源热泵系统的工作原理 根据热泵原理，利用电能驱动压缩机，使制冷剂工质循环往复运动、反复发生物理 1 0 一物调统磊艟系 2 地下水源热泵空调系统应用条件分析 相变过程，分别在蒸发器中气化吸热及在冷凝器中液化放热，使热量不断得到交换传递， 并且通过阀门切换使机组实现制热( 或制冷) 功能m 。 冬季( 制热工况) ，利用制冷剂蒸发吸收地下水体中的热量，通过冷凝器加热空调 系统的循环水，即向用户供暖。夏季( 制冷工况) ，利用制冷剂蒸发将用户空间的热量“取” 出，即向用户供冷，通过冷凝器放热给地下水。地下水源热泵空调系统冬、夏季的工作 原理图分别见图2 3 和图2 4 。 图2 3 冬季地下水源热泵系统工作原理图 图2 4 夏季地下水源热泵系统工作原理图 生活热水循环是一个可选的循环，它是通过冷凝器冷却压缩机排出的过热蒸气而放 出的热量来完成。在夏季制冷工况下，利用系统产生的“废热”来制取生活用热水，不需 要增加热泵的负荷。当采用r 2 2 作为制冷剂时，对应于每l k w 制冷量的过热蒸气冷凝 器可以把约0 1 1 升的水从2 0 加热到6 0 c t 4 7 1 。在冬季供热工况下，过热蒸气的冷凝器 可以照常工作，但是制取生活热水的负荷应该附加到热泵的总供热负荷中。 2 2 地下水源热泵系统特点 地下水源热泵系统作为一种高效、节能及环保的技术，近年来，越来越受到人们的 关注，与此同时，其在实际工程应用中也得到了较快的发展。据有关部门预测，该技术 将会成为二十一世纪最有效的供热和制冷技术。地下水源热泵空调系统相对于传统的采 西安科技大学硕士学位论文 暖空调系统相比具有如下特点 4 8 - - 5 1 】： ( 1 ) 节约能源 地表浅层水源的温度一年四季相对稳定，是很好的热泵冷、热源。由于其温度的特 殊性，与传统空调系统相比，地下水源热泵系统的运行效率要高出4 0 - 6 0 ，因此， 它可以节约能源和节省运行费用。其供暖运行费用仅为电热锅炉的四分之一，同样，也 只相当于燃油、燃气锅炉的十分之三左右。由于不需要设冷却塔，省去了传统中央空调 冷却塔的费用及其耗水费用。其运行费用远远低于传统空调系统的运行费用。 ( 2 ) 属于可再生能源 地下水源热泵利用了地球表面浅层地下水源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调 系统。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，吸收了4 7 的太阳辐射到地球上的能量， 比人类每年利用能量的五百倍还多。地表浅层水体还是一个巨大的动态能量平衡系统， 水体自然地保持能量接受和发散相对的均衡。这使得利用储存于其中的近乎无限的太阳 能成为可能。因此，地下水源热泵是清洁的可再生能源的一种形式。 ( 3 ) 环境污染小 地下水源热泵系统对环境的污染大大减少，其在运行中几乎没有任何污染，没有燃 烧，没有排烟，不可能产生二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳等废气，不会污染环境。与 空气源热泵相比，污染物的排放，相当于减少了4 0 以上，如果结合其他节能措施，节 能减排量会更明显。地下水源热泵系统虽然也采用了制冷剂，但是比常规空气装置减少 了2 5 左右的充灌量。 ( 4 ) 运行安全可靠 地下水的源热泵机组运行工况稳定，因此，系统设计简单，部件较少，机组运行简 单可靠，维护费用低；系统全部为自动化控制系统，可无人值守。在运行过程中没有燃 烧部分，不会产生有毒有害气体而聚集在建筑内，也不存在甲烷气体，故不会发生爆炸 的危险。 ( 5 ) 室内舒适性程度高 与传统的空调系统相比，地下水源热泵系统的制冷与供热更为平稳，降低了停、开 机的频率和空气过热与过冷的峰值。这种系统更容易适应制冷与供热负荷的分区，在很 大程度上，明显提高了室内的舒适程度。 ( 6 ) 占地面积小 地下水源热泵系统机组紧凑、节省空间，省去了锅炉房和冷冻站用地，其仅为锅炉 用地的1 1 0 1 1 5 。其机房可以建造在居民区内，通常建在建筑物的地下室。同时，还 省去了堆煤堆渣的场地。 ( 7 ) 多功能 地下水源热泵系统不仅可以用来供暖与制冷，还可以用来供生活热水。一机多用， 1 2 2 地下水源热泵空调系统应用条件分析 一套系统可以替换原来的锅炉加制冷机系统的两套装置或系统。特别是对于同时要求供 热和制冷的建筑物，地下水源热泵系统有着明显的优势。它不仅节省了能源消耗，而且 用一套设备可以同时满足供热与制冷的要求，减少了设备的初投资。其应用广泛，可以 应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖、空调。 ( 8 ) 系统简单 不需要锅炉房和冷冻机房，不需要冷却塔，系统简单，易与建筑装饰相配合，保持 建筑外观形象；没有室外机部件，不需要除霜。 2 3 地下水源热泵系统井水利用模式 地下水源热泵系统的地上部分与传统空调系统的差别并不大，其技术也比较成熟， 然而，系统设计和施工的难点在于室外地下换热系统部分。根据井水从热源井抽出被利 用后的去向不同，热源井大体上可分为单井开式模式、同井回灌模式、异井回灌模式这 三种模式【2 3 】。 ( 1 ) 单井开式模式。单井开式模式是