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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、地下水或其他介質中儲存的大量低溫熱源為建筑空間提供暖氣、空調和熱水的一種能源轉換系統(tǒng)，是目前最高效和環(huán)保的技術之一。本文分析了地源熱泵系統(tǒng)的特點并結合工程實例對地源熱泵空調系統(tǒng)和其他傳統(tǒng)空調系統(tǒng)進行了經濟分析比較。
關鍵詞：地源熱泵、環(huán)保、經濟分析
中圖分類號：TE08文獻標識碼： A 文章編號：
一、前言
隨著我國經濟建設的發(fā)展，建筑能耗在國家總能耗中已占據重要地位，民用采暖、空調耗能比例逐年增長。在發(fā)達國家中，供熱和空調的能耗可占到社會總能耗的25~30%。建筑內中央空調能耗一般包括三部分，即(1)空調冷熱源；(2)空調機組末端設備；(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總能耗的50％左右，是空調節(jié)能的重要內容，并且我國的能源結構主要依靠礦物燃料。礦物燃料燃燒產生的大量污染物，包括大量SO2等有害氣體以及CO2等溫室效應氣體。大量燃燒礦物燃料所產生的環(huán)境問題已日益成為各國政府和公眾關注的焦點。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新技術。
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生的高溫熱能發(fā)電，然后利用電能驅動熱泵從周圍環(huán)境中吸收低品位的熱能，適當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)在可達到3~4；火力發(fā)電站的效率可達35-58%（高值為燃氣聯(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)有先進技術條件下一次能源利用率至少可以達到100~200%，甚至更高。所以采用熱泵技術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、空調熱泵的分類及其特點
以建筑物的空調（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)境作為空調冷熱源的熱泵系統(tǒng)。就其性質來分，國外的文獻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熱源，從室外空氣中吸收熱量，經熱泵提高溫度送入室內供暖?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)簡單，初投資較低?？諝庠礋岜玫闹饕秉c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、地下水或其他介質中儲存的大量低溫熱源為建筑空間提供暖氣、空調和熱水的一種能源轉換系統(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，進一步提高了空調系統(tǒng)全年的能源利用效率。
地源熱泵有許多優(yōu)點：
?。?）利用可再生能源：地源熱泵屬可再生能源利用技術。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，運行費用低：地源熱泵屬經濟有效的節(jié)能技術。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，是很好的空調冷熱源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調系統(tǒng)運行效率要高40％左右。
?。?）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、冷卻塔等設施，機房面積大大小于常規(guī)空調系統(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：該裝置的運行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內，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，對環(huán)境非常友好，是理想的綠色環(huán)保產品。
(5)運行安全穩(wěn)定，可靠性高：地源熱泵系統(tǒng)在運行中無燃燒設備，因此不可能產生二氧化碳、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、燃氣鍋爐供暖，其燃燒產物對居住環(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，主機吸熱或放熱不受外界氣候影響，運行工況非常穩(wěn)定，優(yōu)于其他空調設備。不存在空氣源熱泵供熱不足，甚至不能制熱的問題。
(6)一機兩用，應用范圍廣：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)空調的鍋爐加制冷機的兩套裝置或系統(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、地源熱泵供熱空調系統(tǒng)的經濟性分析
建筑節(jié)能不僅受技術因素和環(huán)境因素影響，還與經濟因素緊密相關。因此評價一個建筑物其空調系統(tǒng)的可行性，還需對其經濟性進行評估。
地源熱泵系統(tǒng)可供暖、制冷，節(jié)省傳統(tǒng)空調的鍋爐房和冷卻塔投資，減小設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。由于地源熱泵機組制冷、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，因此降低了空調系統(tǒng)的運行成本，保證了系統(tǒng)的高效性和經濟性。針對天津某修試基地工程內一棟空調面積約為9740m2的辦公樓，其計算冷負荷為1120kw，計算熱負荷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：基地內設10kv變電站；基地附近有燃氣中壓管道及調壓站；基地附近有市政供熱管線。另外基地內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。根據以上情況，對其進行空調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+城市熱網；
冷暖變頻VRV（燃氣）空調冬季供熱、夏季供冷；
風冷式冷水機組+城市熱網；
水冷螺桿式冷水機組＋燃氣熱水鍋爐；
燃氣型直燃冷/溫水機組冬季供熱、夏季供冷；
地源熱泵機組冬季供熱、夏季供冷；
根據天津地區(qū)各種能源基價及配套設施費用，經分析計算得出以下數(shù)據
綜合初投資及運行費表
壽命周期內年平均費用：考慮壽命周期為15年，則壽命周期內年平均費用（設備折舊+運行費）概略值如下表：
初投資在壽命周期內的年均分攤費用表
*年平均費用中考慮了初投資在壽命周期內的年均分攤
根據空調冷熱源方案分析比較后得出的數(shù)據顯示，方案六：地源熱泵機組冬季供熱、夏季供冷，雖然在初投資方面價格較高，但是在全年運行費和年平均費用上面均為最低。因此從經濟性方面分析，考慮了初投資在壽命周期內的年均分攤，地源熱泵空調系統(tǒng)在15年內的總投資為最少。
另外方案六由于選用了雙冷凝器全熱回收機組，還解決了基地內集中生活熱水制備的問題，節(jié)約了制備生活熱水所需燃氣鍋爐的初投資及運行費用。經與甲方溝通，闡明了設計理念及各方案的優(yōu)缺點，最終選用了方案六作為本工程的冷熱源形式。
五、地源熱泵空調行業(yè)現(xiàn)狀
在我國的一些發(fā)達城市，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)能已是國民經濟發(fā)展的一個重大問題。傳統(tǒng)的采暖空調模式因其產生的環(huán)境污染正面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。 地源熱泵空調可以有效地提高一次能源利用率，減少溫室效應氣體CO2和其它燃燒產生的污染物的排放，是一種可持續(xù)發(fā)展的建筑節(jié)能新技術，可廣泛應用于各類建筑中，如商業(yè)樓宇、公共建筑、住宅公寓、學校、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用，是一種成熟的技術；但我國在地源熱泵的應用方面還剛剛起步。因此整個行業(yè)的專業(yè)人才比較欠缺，給地源空調工程的推廣帶來了制約；國家雖然出臺了相關的資金扶持法規(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。但是隨著我國經濟的發(fā)展和空調技術水平的提高，以上制約因素會逐步解決，空調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、科研機構和工程技術人員的共同努力，我國的地源熱泵應用將得到較快的推廣和發(fā)展。
需要指出地源熱泵空調系統(tǒng)的經濟性和實用性取決于多種因素。不同地區(qū)，不同地質條件，不同能源結構及價格等都將直接影響到其經濟性，因此需對建筑物當?shù)氐刭|及能源情況作深入調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的地質以粘土和粉細沙為主，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，降低供暖空調系統(tǒng)的能耗、節(jié)約能源是當前最為迫切的任務。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)能綠色產品，地源熱泵在中國必將有更加廣闊的應用和發(fā)展前景，它的應用將產生重大的經濟效益和社會效益。
參考文獻
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