地源热泵的节能与技术经济分析.doc

地源热泵的节能性分析及应用前景展望摘要：介绍了地源热泵的工作原理及其分类和特点,并从节能、技术性及经济性三方面对地源热泵系统和传统空调加锅炉系统及空气源热泵系统进行了比较和分析；指出了我国地源热泵行业面临的问题及其解决方法。虽然地源热泵的应用受到一些制约因素的影响，但作为一项性能良好、节能、环保的新技术，地源热泵必将拥有广阔的应用前景。关键词：地源热泵 节能 技术经济性 应用前景Energy-saving Analysis and Development Prospect of Ground-source Heat PumpAbstract: The working principle and classification of ground-source heat pump are introduced , the ground-source heat pump system and conventional system combining air conditioning and boiler, and air-source heat pump are compared and analyzed in terms of energy saving, technicality and economy; the problems and solutions of Chinas ground-source heat pump industry are pointed out. Although their application have a number of constraints, as a new technology of good performance, energy saving, environmental protection, the ground-source heat pump will have broad application prospects.Keywords: ground-source heat pump energy-saving technicality and economy application prospects1 引言 解决环境污染和能源危机问题是当今全人类的共同课题。在中国能源消耗中，建筑耗能的比例相当高，中国传统的空调系统，北方一般以燃煤锅炉解决冬季取暖问题，南方以自来水或环境空气为冷源的制冷机组解决夏季制冷问题。根据近年的统计，我国采暖和空调的能耗占建筑总能耗的55%，建筑能耗是相同气候条件下发达国家的23倍。近年来，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，拉闸限电频繁。目前，中国建筑业发展迅速，每年城市新增89亿平方米的住宅建筑和公共建筑，随着经济发展和人民生活水平提高，建筑耗能逐年大幅度上升。因此，降低空调系统能耗，选用高效节能环保的冷热源系统迫在眉睫。地源热泵是以大地为热源对建筑进行空气调节的节能新技术。地源热泵系统适用范围广泛，既可应用于宾馆、写字楼、医院和学校等社会机构，又可应用于居民住宅。当然，地源热泵系统仍存在一定缺陷，但其在节能和环保方面有着明显的优势，可以断言地源热泵系统在我国将有广泛的应用前景。2 地源热泵系统介绍2.1 地源热泵系统的工作原理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、土壤或地表水等)的既可供热又可制冷的高效节能空调系统2。地源热泵通过输入少量的高品位能源(如电能)，实现低温位热能向高温位热能转移，地源热泵系统示意图见图 1。夏季制冷时，大地作为排热场所，把室内热量以及压缩机耗能通过埋地盘管排入大地中，再通过土壤的导热和土壤中水分的迁移把热量扩散出去；冬季供热时，大地作为热泵机组的低温热源，通过埋地盘管获取土壤中热量为室内供热。两个换热器都既可作冷凝器又可作蒸发器，只是因季节不同而功能不同。它们之间功能的转换由图中的四通阀门(换向阀)控制。可以看到，在地源热泵系统中，由于冬季从大地中取出的热量可在夏季得到补偿，因而可使大地热量基本平衡。由于系统只需消耗少量的高品位能源(如电能)，就能获得高于输入能量数倍的热能效果，因而地源热泵系统是一种高效、环保、节能的冷热源系统。图1 地源热泵系统示意图2.2 地源热泵的分类及特点一般认为,地源热泵系统可分为地下水源热泵、地表水源热泵、土壤源热泵4。(1) 地下水源热泵系统目前，在国内外，地下水源热泵系统主要应用于商业建筑中。最常用的系统形式是采用水水式板式换热器，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，即将地下水经过板式换热器后直接排放。采用单井系统一则造成了地下水资源的浪费，二则容易产生地层塌陷，引起地质灾害。因而产生了双井系统（如图2所示），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，占用空间小，技术也相对比较成熟。其劣势就在于：有些地规禁止抽取或回灌地下水；可供的地下水有限；容易造成地下水污染；如泵选择过大、控制不良或水井与建筑偏远，泵耗能就会过大。(2)土壤源热泵系统在地下打孔,孔内埋设管道,通过介质(水或水加防冻剂)在管道中循环,在地下与土体或岩体进行热交换,因而也称其为地埋管耦合交换热泵系统。根据埋管方式的不同，土壤源热泵可分为垂直埋管、水平埋管和蛇型埋管三大类，其布置形式如图2 所示。垂直埋管换热器通常采用的是 U 型方式，按其埋管深度可分为浅层（ 100m）三种。埋管深，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、钻孔设备的经费和高承压埋管的造价提高。总的来说，垂直埋管换热器热泵系统优势在于：占地面积小；土壤的温度和热特性变化小；需要的管材最少，泵耗能低；能效比很高。而劣势在于：施工较困难，初投资偏高水平埋管换热器有单管和多管两种形式。其中单管水平换热器占地面积最大，虽然多管水平埋管换热器占地面积有所减少，但管长应相应增加来补偿相邻管间的热干扰。水平埋管换热器热泵系统由于施工设备广泛使用而且施工容易，可减少初投资。水平埋管换热器系统的缺点有：占地面积大；运行性能上不稳定（ 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）；泵耗能较高；系统效率降低。蛇行埋管换热器比较适用于场地有限又较经济的情况下。虽然挖掘量只有单管水平埋管换热器20%30%,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，所以有的将其归入水平埋管换热器。(2) 地表水地源热泵系统将河流、湖泊的地表水作为热源，从中取热或者向其放热，并将地表水重新排回到河流、湖泊的一种系统。它分为开路和闭路系统（如图2所示）。在寒冷地区，开路系统并不适用，只能采用闭路系统。总的来说，地表水热泵系统具有相对造价低廉、泵耗能低、维修率低以及运行费用少等优点。但是，在公共用的河流和湖泊中，管道或水中的其他设备容易受到损害。另外，如果河流或湖泊过小或过浅，其会随着室外气候发生较大的变化，这就会产生效率降低，制冷或供热能力降低的后果。图1 地源热泵的分类3 地源热泵的节能及技术经济性分析地表浅层可看作是一个巨大的太阳能集热器,收集了47%的太阳能,比人类每年利用能量的500倍还多。这种近乎无限、不受地域和资源限制的低焓热能,是人类可以利用的清洁的可再生能源。并且地能不像太阳能受气候的影响,也不像深层地热受资源和地质结构的限制。另外,地源热泵冬季供暖时,同时对地能蓄存冷量,以备夏用;夏季空调时,又给地能蓄存热量,以备冬用。因而,地源热泵技术是可再生能源利用技术，具有明显的节能、环保和经济性。3.1高效节能由于地源的温度相对稳定,冬季比环境空气温度高,夏季比环境空气温度低,是很好的热泵热源和空调冷源。地源的这种温度特性,使得地源热泵的制热效率高达34.5，而锅炉仅为0.70.9，可比锅炉节省70%以上的能源和30%一50%运行费用；制冷剂充灌量比常规空调装置减少25%,而且制冷剂泄漏概率大为减少。制冷时要比普通空调节能15%一20%,可节省运行费用40%左右。与空气源热泵相比（其寿命一般为15年）而地源热泵的地下换热器由于采用高强度惰性材料，埋地寿命至少50年，具有良好的经济效益。3.2 一机多用,环境效益显著地源热泵一套系统即可实现制冷、采暖、制取生活热水多个功能，便于实现统一的控制和管理，能有效降低了设备保养维护成本。设备的运行不需锅炉，没有燃油、燃煤污染。且没有冷却塔和其他室外设备,没有集中式空调系统集中占地问题,节省了占用空间,为开发商带来额外利润,产生附加经济效益,并且不会破坏建筑物的外观。3.3 技术经济性空气源热泵当室外空气温度低于-5时热泵就难于正常工作,需要用电或其他辅助热源对空气进行加热,热泵的性能系数大大降低。此外,蒸发器上结霜影响了空气侧换热器的传热,需要定期除霜,损失相当大的一部分能量,而较频繁的除霜也影响了机组的制热。机组的运行环境不仅与室外温度有关,而且与室外大气的相对湿度有关,这大大限制了它的使用范围。采用地源热泵,由于地的温度比室外空气温度更接近室内的温度,若设计合理,地源热泵可以比空气源热泵具有更高的效率和更好的可靠性,其热源温度全年较为稳定,一般为1025。适用于宾馆、商场、办公楼、学校建筑等,更适合于别墅住宅的供暖和供冷。此外,地源热泵机组使用寿命长,维护费用低;自动化控制程度高,可无人值守。文献3结合北京市某高档公寓的公寓的工程实际进行分析，指出了使用土壤源热泵系统将大大降低系统的运行费用。4 我国地源热泵行业面临的问题及对策“地源热泵”的概念最早是由瑞士的专家HZoelly于1912 年提出的。我国的地源热泵工程的应用起步晚，但只用了 10 余年时间，在我国已经形成集设备生产、材料供应、系统设计和工程安装为一体的完整产业链。尤其自 2004 年以来，我国地源热泵市场规模年增长率超过30% ，远高于同期世界平均发展速度（20%22%）。但从总体上看，我国地源热泵的发展还不够规范，基础研究上还有待于进一步完善，行业之间缺少必要的合作交流，这些因素都或多或少影响着这项技术的推广。因而，我们也必须正视目前地源热泵行业发展中存在的诸多不足，并及时加以解决，促进行业健康发展5。4.1 开展地下热平衡研究由地源热泵的工作原理可知,系统运行的关键之一在于解决土壤冬夏季吸收热量和放热的平衡性。热量的取用如果不平衡,必然造成土壤的蓄热性变差。建筑空调专家甚至提出，地源热泵利用的关键是地下的热平衡，如果冬季供暖灌入地下的冷量与夏季制冷灌入地下的热量不能达到平衡，则在五六年后该热泵系统就会报废。地下热平衡是与土壤性能或地下、地表水温特性相关的。地热源的最佳间隔和深度取决于当地土壤的热物性和气候条件。对地源热泵而言，土壤的含水层不是一个空荡荡的容器。在松散砂砾石中最大的孔隙率为25% 30% ，这是其最大贮水空间，其余绝大部分是岩土体的固体颗粒部分。地源热泵供暖运行时灌入地下温度偏低（或制冷运行时灌入地下的温度偏高）的尾水都会借助地层中固体颗粒贮存的热量，得到一定的温度恢复；而不是等到下一个运行时段去迎接灌入温度偏高（或偏低）的尾水来达到“冷热平衡”。而且在大孔隙、大裂隙的岩土或地层中，相对冷的水因比重下沉，相对温的水因比重上浮，这种地下水的弱对流在温度的恢复中起着重要作用。另外，地埋管或回灌井区与其外围和底部存在温差，就会产生热传导。地下“热平衡“是涉及一定复杂程度的水文地质问题，而不是一个简单的热量取、存的物理问题。目前虽对地下“热平衡”的理论研究繁多，但缺乏理论与实践的有效结合，缺乏多环境下应用技术的系统研究以及实际有效的强化地下换热器的传热的有效方法。北欧国家瑞典的地源热泵近 5 年来发展速度是世界上最快的，但其并非不计效果、不计寿命的盲目发展，他们有现场岩土热物性参数测定和地温监测系统，有数学家帮助建立的地温场模型，每一个地源热泵系统在建设前就进行了精确的计算和预测模拟，现在国际地源热泵协会总部所在地美国俄克拉何马大学都是学习瑞典的经验。因此，在我国，我们应对不同地域、不同类型的典型地源热泵工程进行长期监测，取得实测数据，跟踪模拟拟合以获得客观结论。4.2 因地制宜，合理设计地源热泵系统地源热泵空调系统是一项跨专业、跨学科的综合能源利用技术，需要通过相关专业技术人员的通力协作，做好勘测、设计、施工、调试等各项工作才能使系统达到要求的节能、环保性能，否则则难免会出现问题工程。如果认真分析问题工程，找出其失误的原因，对整个地源热泵行业将会有极大地促进作用。工程实例：北京市海淀区某学院有3 万平方米楼房建筑，由某大公司设计和施工，使用地下水换热系统的水源热泵供暖，共有 15 口抽灌水井。该工程的问题是回灌不畅，回灌时水从井里溢涌出来，泥沙满地；且热泵的利用温差有时仅为 1，因此本应是节能、省电的热泵系统，实际却相当耗电。成功的地源热泵运行成本大多在1525 元 / 平方米之间，但此例的运行成本已超过 100 元 / 平方米。经专家检查发现，主要是受当地的水文地质条件所限，不适于地下水源热泵，更不适于单井采灌。该地砂砾石层厚度不够，不足以取出较大的流量，更灌不回去相应的水量，于是运行中出现回灌井周围的温度降低快，热泵利用温差减小，热泵的COP 值急降，导致问题出现。后将该系统改装为利用地埋管换热系统土壤源热泵系统，收到较好的效果。4.3 其它问题及对策地源热泵行业的发展还面临诸于人们的观念问题、初投资增大的问题及对环境的影响问题等6。（1）观念方面：空气源热泵和燃气、燃煤供热技术相对成熟，使得人们选择地源热泵系统时会面临阻力，这就要求人们更新观念，政府加大对地源热泵系统的推广力度，对一些工程实行政府补贴等。（2）初投资问题：并非所有的地源热泵系统是经济合理的，由于钻井费用可能占到整个系统初投资的 50%以上，有些投资者可能会回到传统的空调形式。因而应提高地源热泵技术以降低初投资。5 前景展望尽管地源热泵还存在着初投资大、施工困难等缺点，且受到地域、水源等的影响,地源热泵空调行业则遇到技术上的瓶颈。但地源