地源熱泵節(jié)能環(huán)保空調(diào)
時間:2022-01-25
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摘要：地源熱泵是利用淺層地下土壤、巖石、地下水或其他介質(zhì)中儲存的大量低溫?zé)嵩礊榻ㄖ臻g提供暖氣、空調(diào)和熱水的一種能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，是目前最高效和環(huán)保的技術(shù)之一。本文分析了地源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)并結(jié)合工程實例對地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)和其他傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析比較。
關(guān)鍵詞：地源熱泵、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)分析
中圖分類號：TE08文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：
一、前言
隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，建筑能耗在國家總能耗中已占據(jù)重要地位，民用采暖、空調(diào)耗能比例逐年增長。在發(fā)達(dá)國家中，供熱和空調(diào)的能耗可占到社會總能耗的25~30%。建筑內(nèi)中央空調(diào)能耗一般包括三部分，即(1)空調(diào)冷熱源；(2)空調(diào)機(jī)組末端設(shè)備；(3)水或空氣輸送系統(tǒng)。這三部分能耗中，冷熱源能耗約占空調(diào)總能耗的50％左右，是空調(diào)節(jié)能的重要內(nèi)容，并且我國的能源結(jié)構(gòu)主要依靠礦物燃料。礦物燃料燃燒產(chǎn)生的大量污染物，包括大量SO2等有害氣體以及CO2等溫室效應(yīng)氣體。大量燃燒礦物燃料所產(chǎn)生的環(huán)境問題已日益成為各國政府和公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。地源熱泵是能有效節(jié)省能源、減少大氣污染和CO2排放的一種供熱和空調(diào)新技術(shù)。
二、能源現(xiàn)狀
通常我們通過直接燃燒礦物燃料（煤、石油、天然氣）產(chǎn)生熱量，并通過若干個傳熱環(huán)節(jié)最終為建筑供熱。在鍋爐和供熱管線等環(huán)節(jié)熱損失都很大，在不考慮各種熱損失及熱轉(zhuǎn)換和輸送效率的情況下，一次能源利用率（即為建筑物供熱的熱量與燃料發(fā)熱量之比）最高可為100%，但是實際只有約30%左右。因此直接燃燒礦物燃料為建筑供熱意味著大量能量的損失。如果先利用燃燒燃料產(chǎn)生的高溫?zé)崮馨l(fā)電，然后利用電能驅(qū)動熱泵從周圍環(huán)境中吸收低品位的熱能，適當(dāng)提高溫度再向建筑供熱，就可以充分利用燃料中的能量，大大降低用于供熱的一次能源消耗。供熱用熱泵的性能系數(shù)，即供熱量與消耗的電能之比，現(xiàn)在可達(dá)到3~4；火力發(fā)電站的效率可達(dá)35-58%（高值為燃?xì)饴?lián)合循環(huán)電站）。采用燃料發(fā)電再用熱泵供熱的方式，在現(xiàn)有先進(jìn)技術(shù)條件下一次能源利用率至少可以達(dá)到100~200%，甚至更高。所以采用熱泵技術(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。
三、空調(diào)熱泵的分類及其特點(diǎn)
以建筑物的空調(diào)（包括供熱和制冷）為目的的熱泵系統(tǒng)有許多種，這里主要討論利用周圍環(huán)境作為空調(diào)冷熱源的熱泵系統(tǒng)。就其性質(zhì)來分，國外的文獻(xiàn)通常把它們分為空氣源熱泵和地源熱泵兩大類。地源熱泵又可進(jìn)一步分為地表水熱泵、地下水熱泵和地下耦合熱泵。我國對熱泵系統(tǒng)的術(shù)語尚未形成規(guī)范的用法。例如對地下耦合熱泵則在一些文獻(xiàn)中稱為“土壤源熱泵”，或直接稱為“地源熱泵”。
空氣源熱泵以室外空氣為一個熱源。在供熱工況下將室外空氣作為低溫?zé)嵩?，從室外空氣中吸收熱量，?jīng)熱泵提高溫度送入室內(nèi)供暖?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)簡單，初投資較低。空氣源熱泵的主要缺點(diǎn)是在夏季高溫和冬季寒冷天氣時熱泵的效率大大降低。此外，在供熱工況下空氣源熱泵的蒸發(fā)器上會結(jié)霜，需要定期除霜，這也消耗大量的能量。
另一種熱泵利用大地（土壤、地層、地下水）作為熱源，可以稱之為“地源熱泵”。 地源熱泵是利用淺層地下土壤、巖石、地下水或其他介質(zhì)中儲存的大量低溫?zé)嵩礊榻ㄖ臻g提供暖氣、空調(diào)和熱水的一種能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。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，冬季通過熱泵把大地中的熱量升高溫度后對建筑供熱，同時使大地中的溫度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通過熱泵把建筑物中的熱量傳輸給大地，對建筑物降溫，同時在大地中蓄存熱量以供冬季使用。這樣在地源熱泵系統(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。
地源熱泵有許多優(yōu)點(diǎn)：
?。?）利用可再生能源：地源熱泵屬可再生能源利用技術(shù)。地源熱泵是從常溫土壤中吸熱或向其排熱，土壤中的能量不會枯竭，是一種可再生的清潔能源，可持續(xù)使用。（2）高效節(jié)能，運(yùn)行費(fèi)用低：地源熱泵屬經(jīng)濟(jì)有效的節(jié)能技術(shù)。地下土壤溫度一年四季相對穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的空調(diào)冷熱源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高40％左右。
（3）節(jié)水省地：1)以土壤為冷熱源，向其放出熱量或吸收熱量，不消耗水資源，不會對其造成污染。2)省去了鍋爐房及附屬煤場、儲油房、冷卻塔等設(shè)施，機(jī)房面積大大小于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，節(jié)省建筑空間，也有利于建筑的美觀。3)埋管可埋在車庫、停車場、花園、操場等下面，不占用使用面積。
(4) 環(huán)境效益顯著：該裝置的運(yùn)行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，在供熱時，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，在供冷時不向室外排冷，減少城市熱島效應(yīng)，對環(huán)境非常友好，是理想的綠色環(huán)保產(chǎn)品。
(5)運(yùn)行安全穩(wěn)定，可靠性高：地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行中無燃燒設(shè)備，因此不可能產(chǎn)生二氧化碳、一氧化碳之類的廢氣，也不存在丙烷氣體，因而也不會有發(fā)生爆炸的危險，使用安全。燃油、燃?xì)忮仩t供暖，其燃燒產(chǎn)物對居住環(huán)境污染極重，影響人們的生命健康。由于土壤深處溫度非常恒定，主機(jī)吸熱或放熱不受外界氣候影響，運(yùn)行工況非常穩(wěn)定，優(yōu)于其他空調(diào)設(shè)備。不存在空氣源熱泵供熱不足，甚至不能制熱的問題。
(6)一機(jī)兩用，應(yīng)用范圍廣：地源熱泵系統(tǒng)可供暖、制冷，一套系統(tǒng)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)空調(diào)的鍋爐加制冷機(jī)的兩套裝置或系統(tǒng)，系統(tǒng)緊湊，省去了鍋爐房和冷卻塔，節(jié)省建筑空間，也有利于建筑的美觀。
四、地源熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析
建筑節(jié)能不僅受技術(shù)因素和環(huán)境因素影響，還與經(jīng)濟(jì)因素緊密相關(guān)。因此評價一個建筑物其空調(diào)系統(tǒng)的可行性，還需對其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評估。
地源熱泵系統(tǒng)可供暖、制冷，節(jié)省傳統(tǒng)空調(diào)的鍋爐房和冷卻塔投資，減小設(shè)備對建筑空間的要求；另外地源熱泵系統(tǒng)提高了一次能源的利用率，因此具有高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。由于地源熱泵機(jī)組制冷、供暖所需能量3／4左右來自地下，另外1／4左右來自電力輸入，從而減少一次性的礦物能源消耗，因此降低了空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行成本，保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。針對天津某修試基地工程內(nèi)一棟空調(diào)面積約為9740m2的辦公樓，其計算冷負(fù)荷為1120kw，計算熱負(fù)荷720kw。為了確定其冷熱源形式，先對地塊周邊的能源狀況作了初步了解：基地內(nèi)設(shè)10kv變電站；基地附近有燃?xì)庵袎汗艿兰罢{(diào)壓站；基地附近有市政供熱管線。另外基地內(nèi)綠化草地及停車場等空地面積較大，可用于做地源熱泵系統(tǒng)的土壤埋管用地。根據(jù)以上情況，對其進(jìn)行空調(diào)冷熱源方案分析比較，有如下六種冷、熱源方案可供選擇：
冷暖變頻VRV（電）空調(diào)+城市熱網(wǎng)；
冷暖變頻VRV（燃?xì)猓┛照{(diào)冬季供熱、夏季供冷；
風(fēng)冷式冷水機(jī)組+城市熱網(wǎng)；
水冷螺桿式冷水機(jī)組＋燃?xì)鉄崴仩t；
燃?xì)庑椭比祭?溫水機(jī)組冬季供熱、夏季供冷；
地源熱泵機(jī)組冬季供熱、夏季供冷；
根據(jù)天津地區(qū)各種能源基價及配套設(shè)施費(fèi)用，經(jīng)分析計算得出以下數(shù)據(jù)
綜合初投資及運(yùn)行費(fèi)表
壽命周期內(nèi)年平均費(fèi)用：考慮壽命周期為15年，則壽命周期內(nèi)年平均費(fèi)用（設(shè)備折舊+運(yùn)行費(fèi)）概略值如下表：
初投資在壽命周期內(nèi)的年均分?jǐn)傎M(fèi)用表
*年平均費(fèi)用中考慮了初投資在壽命周期內(nèi)的年均分?jǐn)?br> 根據(jù)空調(diào)冷熱源方案分析比較后得出的數(shù)據(jù)顯示，方案六：地源熱泵機(jī)組冬季供熱、夏季供冷，雖然在初投資方面價格較高，但是在全年運(yùn)行費(fèi)和年平均費(fèi)用上面均為最低。因此從經(jīng)濟(jì)性方面分析，考慮了初投資在壽命周期內(nèi)的年均分?jǐn)?，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在15年內(nèi)的總投資為最少。
另外方案六由于選用了雙冷凝器全熱回收機(jī)組，還解決了基地內(nèi)集中生活熱水制備的問題，節(jié)約了制備生活熱水所需燃?xì)忮仩t的初投資及運(yùn)行費(fèi)用。經(jīng)與甲方溝通，闡明了設(shè)計理念及各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選用了方案六作為本工程的冷熱源形式。
五、地源熱泵空調(diào)行業(yè)現(xiàn)狀
在我國的一些發(fā)達(dá)城市，夏季制冷、冬季采暖與供熱所消耗的能量約占建筑物總能耗的40％。特別是冬季采暖用的燃煤鍋爐、燃油鍋爐的大量使用，給大氣環(huán)境造成了極大的污染，對人們的健康形成了威脅。因此，建筑物污染控制和節(jié)能已是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個重大問題。傳統(tǒng)的采暖空調(diào)模式因其產(chǎn)生的環(huán)境污染正面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 地源熱泵空調(diào)可以有效地提高一次能源利用率，減少溫室效應(yīng)氣體CO2和其它燃燒產(chǎn)生的污染物的排放，是一種可持續(xù)發(fā)展的建筑節(jié)能新技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于各類建筑中，如商業(yè)樓宇、公共建筑、住宅公寓、學(xué)校、醫(yī)院等建筑中，是替代傳統(tǒng)供冷采暖形式首選。
地源熱泵在北美和歐洲的許多國家已得到廣泛的應(yīng)用，是一種成熟的技術(shù)；但我國在地源熱泵的應(yīng)用方面還剛剛起步。因此整個行業(yè)的專業(yè)人才比較欠缺，給地源空調(diào)工程的推廣帶來了制約；國家雖然出臺了相關(guān)的資金扶持法規(guī)，但是扶持的力度還不大，同時扶持制度的執(zhí)行比較繁雜；地下耦合熱泵系統(tǒng)地下埋管的初投資較高，埋管占地面積較大也是制約其發(fā)展的一個問題。但是隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和空調(diào)技術(shù)水平的提高，以上制約因素會逐步解決，空調(diào)和供熱已成為普通百姓的需求，市場前景很好。通過政府部門、科研機(jī)構(gòu)和工程技術(shù)人員的共同努力，我國的地源熱泵應(yīng)用將得到較快的推廣和發(fā)展。
需要指出地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和實用性取決于多種因素。不同地區(qū)，不同地質(zhì)條件，不同能源結(jié)構(gòu)及價格等都將直接影響到其經(jīng)濟(jì)性，因此需對建筑物當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)及能源情況作深入調(diào)查再確定使用的形式。例如對于天津地區(qū)，由于其地下0~100m的地質(zhì)以粘土和粉細(xì)沙為主，易于鉆孔成型，但相對于地下水流動性較差，因此適合做地下耦合熱泵系統(tǒng)；再如沈陽地區(qū)，其地下0~100m的地質(zhì)以卵石和粗砂為主，疏水性極佳，有很好的地下流動性，可實現(xiàn)自流回灌，適合于地下水熱泵系統(tǒng)。
六、結(jié)論
現(xiàn)在我國對建筑節(jié)能的要求越來越高，減少我國冬季采暖和夏季供冷所造成的大氣污染，降低供暖空調(diào)系統(tǒng)的能耗、節(jié)約能源是當(dāng)前最為迫切的任務(wù)。特別是近幾年來，大中城市為改善大氣環(huán)境，大力推廣使用包括可再生能源的清潔能源，作為一種高效的環(huán)保節(jié)能綠色產(chǎn)品，地源熱泵在中國必將有更加廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景，它的應(yīng)用將產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
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