地源热泵的节能与技术经济性分析

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-savingAnalysisandDevelopmentProspectofGround-sourceHeatPumpAbstract:Theworkingprincipleandclassificationofground-sourceheatpumpareintroduced,theground-sourceheatpumpsystemandconventionalsystemcombiningairconditioningandboiler,andair-sourceheatpumparecomparedandanalyzedintermsofenergysaving,technicalityandeconomy;theproblemsandsolutionsofChina'sground-sourceheatpumpindustryarepointedout.Althoughtheirapplicationhaveanumberofconstraints,asanewtechnologyofgoodperformance,energysaving,environmentalprotection,theground-sourceheatpumpwillhavebroadapplicationprospects.Keywords:ground-sourceheatpumpenergy-savingtechnicalityandeconomyapplicationprospects1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2~3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8~9亿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（30m）,中层（30m～100m）和深层（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3~4.5，而锅炉仅为0.7~0.9，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10~25℃。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H．Zoelly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