地源熱泵系統(tǒng)能源技術(shù)評(píng)估

1、地源熱泵系統(tǒng)能源技術(shù)評(píng)估摘要：地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)以高效節(jié)能、環(huán)境污染小，運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)為節(jié)能和環(huán)保提出了一個(gè)新的發(fā)展方向。本文介紹了地源熱泵系統(tǒng)的原理，通過(guò)案例對(duì)地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行分析，并提出了采用輔助冷卻的地源熱泵系統(tǒng)，進(jìn)一步提高效率，達(dá)到節(jié)能的目的。關(guān)鍵詞：地源熱泵 效率 輔助冷卻 熱經(jīng)濟(jì)性abstract: the ground source heat pump air-conditioning system has provided a new developing direction for energy efficiency and environmental protection

2、 technology with its advantages such as high efficiency, low environment pollution, stable running, etc. in this article, the author illustrates the mechanism of the gshp technology, analyzes the exergy efficiency of gshp through one case and provides supplement heat rejecter on gshp. it will improv

3、e the exergy efficiency further to achieve the goal of energy saving.keywords: ground source heat pump exergy efficiency supplement heat rejecter thermo-economics1.研究背景隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供熱和空調(diào)已經(jīng)成為普遍的需求。在發(fā)達(dá)國(guó)家，供熱和空調(diào)的能耗可占到社會(huì)總能耗的2530。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)歷年建筑能耗在總能耗中的比例是1920左右，平均值為19.8。其中，用于暖通空調(diào)的能耗約占建筑能耗的851。熱泵是

4、通過(guò)做功使熱量從溫度低的介質(zhì)流向溫度高的介質(zhì)的裝置。建筑的空調(diào)系統(tǒng)一般應(yīng)滿足冬季的供熱和夏季制冷兩種相反的要求。傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)通常需分別設(shè)置冷源（制冷機(jī)）和熱源（鍋爐）。建筑空調(diào)系統(tǒng)由于必須有冷源（制冷機(jī)），如果讓它在冬季以熱泵的模式運(yùn)行，則可以省去鍋爐和鍋爐房，不但節(jié)省了初投資，而且全年僅采用電力這種清潔能源，大大減輕了供暖造成的大氣污染問(wèn)題。采用熱泵技術(shù)為建筑物供熱可大大降低供熱的燃料消耗，不僅節(jié)能，同時(shí)也大大降低了燃燒礦物燃料而引起的co2和其他污染物的排放。熱泵利用的低溫?zé)嵩慈绫?-1(以武漢為例)2所示。熱泵按照所用的熱源可分為空氣源熱泵、地表水源熱泵、地下水源熱泵、土壤源熱泵等。其

5、中的地表水源熱泵、地下水源熱泵、土壤源熱泵由于都是利用儲(chǔ)存于地下的太陽(yáng)能，故統(tǒng)稱為地源熱泵。表1-1 熱源的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則熱源種類地下水土壤地表水空氣太陽(yáng)能熱源溫度最高22242838最低1294-4溫度與氣候的關(guān)系幾乎可忽略不計(jì)隨所在深度不同而略有時(shí)延時(shí)間上有延遲，甚至可結(jié)冰完全有關(guān)巨大是否隨時(shí)可得幾乎無(wú)限制冬天土壤的單位熱負(fù)荷可達(dá)很大有限制，嚴(yán)寒時(shí)水溫低，甚至結(jié)冰受限制，在外界溫度較低時(shí)，通常為雙聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)性能差是否隨處可得受到嚴(yán)格控制，需要當(dāng)局許可取決于土壤塊的大小和位置受到強(qiáng)烈限制無(wú)限制取決于可安置集熱器的屋頂或墻面2.地源熱泵系統(tǒng)2.1地源熱泵系統(tǒng)的原理以建筑物空調(diào)（包括供熱和制冷）為目的的熱

6、泵系統(tǒng)有許多種，例如有利用建筑通風(fēng)系統(tǒng)的熱量（冷量）的熱回收型熱泵和應(yīng)用于大型建筑內(nèi)部不同分區(qū)之間的水環(huán)熱泵系統(tǒng)等。這里主要討論利用周?chē)h(huán)境作為空調(diào)冷熱源的熱泵系統(tǒng)。就其性質(zhì)來(lái)分，國(guó)外的文獻(xiàn)通常把它們分為空氣源熱泵 (air-source heat pump，ashp) 和地源熱泵（ground-source heat pump，gshp）兩大類。3這里研究的主要為地源熱泵。地源熱泵利用大地（土壤、地層、地下水）作為熱源。由于較深的地層中在未受干擾的情況下常年保持恒定的溫度，遠(yuǎn)高于冬季的室外溫度，又低于夏季的室外溫度，因此地源熱泵可克服空氣源熱泵的技術(shù)障礙，且效率大大提高。此外，冬季通過(guò)熱泵把

7、大地中的熱量升高溫度后對(duì)建筑供熱，同時(shí)使大地中的溫度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通過(guò)熱泵把建筑物中的熱量傳輸給大地，對(duì)建筑物降溫，同時(shí)在大地中蓄存熱量以供冬季使用。這在地源熱泵系統(tǒng)中大地起到了蓄能器的作用，進(jìn)一步提高了空調(diào)系統(tǒng)全年的能源利用效率。42.2地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)(1) 節(jié)能。地表或地表淺層地?zé)豳Y源的溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定，是很好的熱泵冷、熱源。這種溫度特性使得地源熱泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高 40%60%5，因此要節(jié)能和節(jié)省運(yùn)行費(fèi) 4060%左右。此外，地能溫度較恒定的特性，使熱泵機(jī)組運(yùn)行更為可靠、穩(wěn)定，保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。(2) 利用可再生能源，緩解能源危機(jī)。

8、地源熱泵是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源（通常小于400m深）作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層地?zé)豳Y源可以稱之為地能，地表淺層是一個(gè)巨大的太陽(yáng)能集熱器，收集了47的太陽(yáng)所散發(fā)的到地球上的能量，比人類每年利用能量的500倍還多，它不受地域資源等限制，這種儲(chǔ)存于地表淺層并類似十一種無(wú)限的可再生能源，使得地能成為清潔的可再生能源的一種形式。(3) 對(duì)環(huán)境的污染減少。地源熱泵對(duì)環(huán)境的污染大大減少，污染物的排放，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少了40以上，如結(jié)合其他節(jié)能措施，節(jié)能減排量會(huì)更明顯，顯然也采用了制冷劑，但比常規(guī)空氣裝置減少了25的充灌量，裝置運(yùn)行幾乎沒(méi)有任何污染，沒(méi)有燃燒，沒(méi)有排煙，

9、也無(wú)廢棄物。不需要堆放燃料廢物的場(chǎng)地，且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量，可以極大的改善其它空調(diào)方式 co2的排放。(4) 自動(dòng)運(yùn)行。地源熱泵機(jī)組由于工況穩(wěn)定，所以可設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單系統(tǒng)，部件較少，機(jī)組運(yùn)行簡(jiǎn)單可靠，維護(hù)費(fèi)用低；機(jī)組使用壽命長(zhǎng)，主機(jī)部件均在154年以上；機(jī)組緊湊、節(jié)省空間；自動(dòng)控制程度高，可無(wú)人值守。3.分析方法3.1.1 熱量eq=(1-t0t)q0其中：eq 熱量 kw；t0環(huán)境絕對(duì)溫度 k； t系統(tǒng)絕對(duì)溫度 k；q系統(tǒng)放出熱量 kw3.1.2 冷量eq=(t0t-1)q0其中：eq 冷量 kw；t0環(huán)境絕對(duì)溫度 k； t系統(tǒng)絕對(duì)溫度 k；q系統(tǒng)放出熱量 kw3.1.3 穩(wěn)流工質(zhì)熱eth=cpm

10、t-t0-t0lntt0其中：eth 單位工質(zhì)穩(wěn)定流動(dòng)的熱 kw/kg； cpmt和t0范圍內(nèi)的平均比熱 kj/kgk； t0環(huán)境絕對(duì)溫度 k； t穩(wěn)流工質(zhì)的絕對(duì)溫度 k3.1.4 系統(tǒng)獲得系統(tǒng)所獲得的為進(jìn)出系統(tǒng)得到穩(wěn)流工質(zhì)熱差exth=l(eth-eth)其中：l穩(wěn)流工質(zhì)的流量 kg/h； eth單位穩(wěn)流工質(zhì)的進(jìn)口 kw；eth單位穩(wěn)流工質(zhì)的出口 kw3.2 系統(tǒng)效率進(jìn)入系統(tǒng)的火用、離開(kāi)系統(tǒng)的火用及系統(tǒng)總火用損應(yīng)該遵循守恒原則。對(duì)給定的系統(tǒng)，進(jìn)入系統(tǒng)的火用應(yīng)等于離開(kāi)系統(tǒng)的火用與系統(tǒng)總火用損之和，也即：i=1neni=j=1meoj+k=1lk其中：i=1neni 進(jìn)入系統(tǒng)n股之和；j=1me

11、oj 系統(tǒng)輸出m股之和；k=1lk系統(tǒng)所有內(nèi)部和外部損之和由于系統(tǒng)存在內(nèi)部和外部損，所以存在總效率ex，即有：ex=收益exergy之和代價(jià)exergy之和3.3 兩個(gè)子系統(tǒng)分析以只有一股輸入火用流和一股產(chǎn)品火用流的兩個(gè)子系統(tǒng)為例建立熱經(jīng)濟(jì)學(xué)模型，如圖 3-3 示意其火用流和資金流的流向，按代數(shù)模式建立熱經(jīng)濟(jì)平衡方程和產(chǎn)品火用成本價(jià)格數(shù)學(xué)表達(dá)式。6 3.3.1 子系統(tǒng)i的熱經(jīng)濟(jì)平衡方程crexr+c1=cmexm其中：exr輸入流；exm傳遞流；cr單位輸入成本；cm單位傳遞成本；c1子系統(tǒng)i的年度化成本 3.3.2 子系統(tǒng) ii的熱經(jīng)濟(jì)平衡方程cmexm+c2=cpexp其中：exm傳遞流；

12、exp產(chǎn)品流；cp單位產(chǎn)品成本；cm單位傳遞成本；c2子系統(tǒng)ii的年度化成本有兩式可得，單位產(chǎn)品成本為：cp=(crexr+c2+c1)/ exp如果所獲得的產(chǎn)品火用是用以銷(xiāo)售盈利的，則單位產(chǎn)品火用成本加上其它管理費(fèi)、稅金再加上利潤(rùn)就是產(chǎn)品火用的市場(chǎng)價(jià)格。暫將單位產(chǎn)品火用的成本cp定義為產(chǎn)品火用成本價(jià)格c，則：c=cp=(crexr+c2+c1)/ exp=crex+c2+c1exp由上式可知，由于任何子系統(tǒng)的火用效率都是介于0和1之間的值，而且非能量費(fèi)用年度化成本又是累積值，只會(huì)越來(lái)越大，因此產(chǎn)品火用成本價(jià)格c永遠(yuǎn)大于單位輸入能量火用價(jià)格cr。這說(shuō)明系統(tǒng)不同部位的火用 成本不同，且趨勢(shì)是遞增

13、的；也說(shuō)明火用在經(jīng)濟(jì)上是不等價(jià)的。造成這種火用成本遞增的因素有兩個(gè)：一是能量因素，即能量轉(zhuǎn)換過(guò)程是不可逆的；二是非能量因素，即非能量費(fèi)用遞增。4地源熱泵系統(tǒng)模型案例分析圖4-1 地源熱泵系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)學(xué)模型7, 8案例9：某辦公樓建筑，地上五層，地下一層，總的空調(diào)面積為8000m2，需要解決夏季空調(diào)制冷，冬季供暖問(wèn)題，全年保持室溫在1825。按負(fù)荷指標(biāo)法計(jì)算，冷負(fù)荷指標(biāo)和熱負(fù)荷指標(biāo)分別為100w/m2和70w/m2，可以大概估算其建筑總的冷負(fù)荷為800kw，建筑總的熱負(fù)荷為560kw。地源熱泵系統(tǒng)方案：選用水源熱泵機(jī)組一臺(tái)。室內(nèi)、外循環(huán)水泵各一臺(tái)。工況設(shè)備型號(hào)數(shù)量熱泵機(jī)組單臺(tái)制冷/熱量(kw)室外

14、循環(huán)泵功率(kw)室內(nèi)循環(huán)泵功率(kw)耗電量(kw)制冷工況msrb80198011.511.5178.8供熱工況msrb801111611.511.51001. 夏季空調(diào)工況該工況下，對(duì)地源熱泵系統(tǒng)和風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)進(jìn)行冷火用流計(jì)算，以室外大氣環(huán)境為基準(zhǔn)，地區(qū)夏季室外平均溫度為302k，室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)溫度為298k。水的平均比熱為c4.2kj/kg。exd1=27.5kw；室內(nèi)循環(huán)水泵功率：exd2=11.5kw；地源熱泵總的消耗功率：exd3=178.8kw；室外循環(huán)水泵功率：exd4=11.5kw；產(chǎn)品： exd5=(t0t-1)q0=12.5kw空調(diào)工況下地源熱泵的效率為：2=exd5ex

15、d2+exd3+exd4=6.192. 冬季供暖工況以室外大氣環(huán)境為基準(zhǔn)環(huán)境，地區(qū)冬季空調(diào)室外設(shè)計(jì)干球溫度為261k,室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)溫度為 293k。水的平均比熱為c4.2kj/kg。 exhd1=28.7kw；室內(nèi)循環(huán)水泵功率：exhd2=11.5kw；地源熱泵總的消耗功率：exhd3=100kw；室外循環(huán)水泵功率：exhd4=11.5kw；產(chǎn)品： exd5=(1-t0t)q0=121.9kw供暖工況下地源熱泵的火用效率為：h2=exhd5exhd2+exhd3+exhd4=99.1由以上計(jì)算結(jié)果可得出：空調(diào)工況下，效率比較低，地源熱泵為 6.19，提高的比率很小，所以提高效率是比較困難的；供

16、暖工況下，地源熱泵系統(tǒng)則達(dá)到了 99.1，效率很高。可見(jiàn)使用地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供暖，損很少。夏季熱泵的損很大，提高熱泵技術(shù)的效率頗為重要。不少文獻(xiàn)也提到了利用冷卻塔輔助冷卻地源熱泵系統(tǒng)的技術(shù)。在氣候炎熱地區(qū)或是大型的商業(yè)或公共建筑的熱泵系統(tǒng)上附加冷卻塔，使其和地下埋管換熱器聯(lián)合運(yùn)行，進(jìn)行輔助冷卻，有助于熱泵機(jī)組效率的提高和初投資的降低。5.夏季制冷改進(jìn)措施當(dāng)建筑以冷負(fù)荷為主時(shí)，若完全依靠地源熱泵來(lái)供冷，則地下埋管換熱器和熱泵機(jī)組的初投資均比較高，熱泵系統(tǒng)的循環(huán)效率也較低。采用輔助冷卻復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)，可有效降低系統(tǒng)投資，提高系統(tǒng)的運(yùn)行節(jié)能效果。在部分負(fù)荷時(shí)，完全依靠地源熱泵供冷，在峰值負(fù)荷或冷負(fù)

17、荷較大時(shí)，啟用輔助冷卻裝置，使輔助冷卻裝置和地源熱泵機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行。10圖5.1 輔助冷卻地源熱泵示意圖地源熱泵系統(tǒng)初投資相對(duì)較高，主要在于鉆井費(fèi)用較高，所以盡量減少鉆孔長(zhǎng)度并且能夠滿足冷負(fù)荷要求是降低系統(tǒng)初投資的主導(dǎo)思想。用冷卻塔輔助地源熱泵是一種好的方法，地下埋管換熱器的長(zhǎng)度按照冬季較小的負(fù)荷來(lái)確定，夏季未能由埋管承擔(dān)的排熱量由冷卻塔來(lái)承擔(dān)。這種系統(tǒng)形式的初投資主要是增加了冷卻塔的費(fèi)用，但是卻大大減少了地下埋管的費(fèi)用。在夏季，熱泵運(yùn)行費(fèi)用中增加了輔助系統(tǒng)水泵和風(fēng)機(jī)的能耗費(fèi)用。但是由于輔助系統(tǒng)有助于地源熱泵機(jī)組效率的提高，所以熱泵壓縮機(jī)的能耗降低。系統(tǒng)在夏季運(yùn)行時(shí)，由于增加了輔助冷卻裝置，機(jī)組

18、的效率有所提高，運(yùn)行費(fèi)用下降，但是同時(shí)系統(tǒng)增加了輔助設(shè)備如風(fēng)機(jī)，水泵等運(yùn)行費(fèi)用。圖5.2 復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)隨運(yùn)行時(shí)間變化的費(fèi)用比較由圖可見(jiàn)，輔助比例為20%和30%的系統(tǒng)的多年運(yùn)行總費(fèi)用比單獨(dú)熱泵系統(tǒng)的總費(fèi)用低，而且沒(méi)有超過(guò)單獨(dú)熱泵系統(tǒng)總費(fèi)用的趨勢(shì)，輔助比例為50%的系統(tǒng)的總費(fèi)用在系統(tǒng)運(yùn)行若干年后會(huì)超過(guò)單獨(dú)熱泵系統(tǒng)的總費(fèi)用。在多年運(yùn)行后，大輔助比例系統(tǒng)的總費(fèi)用會(huì)超過(guò)小輔助比例系統(tǒng)的總費(fèi)用。分析表明，各系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用方面的差異會(huì)在系統(tǒng)運(yùn)行總費(fèi)用方面起到?jīng)Q定性的作用，圖線的斜率代表各個(gè)系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用，對(duì)于輔助冷卻系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，輔助比例偏大，導(dǎo)致系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用大于單獨(dú)熱泵系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用，如果輔助冷卻

19、熱泵在經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)將在未來(lái)系統(tǒng)運(yùn)行的幾年內(nèi)消失，則輔助冷卻熱泵就是不經(jīng)濟(jì)的。如果輔助比例過(guò)大，系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用將大幅上漲(如圖5.2)，曲線的斜率加大，則進(jìn)一步加快了這一過(guò)程。從系統(tǒng)運(yùn)行總費(fèi)用(初投資+n年運(yùn)行費(fèi)用)方面考慮，在不同的使用年限內(nèi)，對(duì)各個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要做具體地分析，一般來(lái)說(shuō)短期的運(yùn)行輔助比例大的系統(tǒng)占優(yōu)，長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，則要求輔助冷卻熱泵系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用至少等于單獨(dú)熱泵系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用，這時(shí)這種冷卻輔助比例的系統(tǒng)才會(huì)有經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)。6.結(jié)語(yǔ)地源熱泵系統(tǒng)由于是利用地下水（土壤）作為空調(diào)冷熱源，它在節(jié)能和環(huán)保之間找到了一個(gè)恰當(dāng)?shù)奈恢茫蔀榱水?dāng)前備受矚目的一種新興的綠色技術(shù)。供暖工況下，

20、地源熱泵系統(tǒng)效率達(dá)到了 99.1，空調(diào)工況下，地源熱泵效率為 6.19，極具節(jié)能潛力。采用輔助冷卻復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)，可以減少地源熱泵在夏季制冷的能耗，提高熱泵的經(jīng)濟(jì)性。與采用常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)（如風(fēng)冷熱泵）的建筑物相比較，采用地源熱泵系統(tǒng)的建筑物的綠色水平等級(jí)較高。地源熱泵系統(tǒng)是一種符合可持續(xù)發(fā)展要求的綠色空調(diào)技術(shù)。由此可見(jiàn)，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)上還是從技術(shù)角度分析，它都是值得大力推廣與應(yīng)用的。參考文獻(xiàn)1.錢(qián)普華, 地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析, 2003.2.李芬容, 地源熱泵系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性分析, 2006, 華中科技大學(xué).3.martin, m.a.a., m.g.%ahughes, p.j.%d%iamerican society of heating, refrigerating, i. air-conditioning engineers, atlanta, ga, and t. oak ridge national lab., comparing maintenance costs of geothermal heat pump systems with other hvac systems: preventive maintenance actions and to