地源熱泵節能環保空調
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，是目前最高效和環保的技術之一。本文分析了地源熱泵系統的特點并結合工程實例對地源熱泵空調系統和其他傳統空調系統進行了經濟分析比較。
關鍵詞：地源熱泵、環保、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。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節最終為建筑供熱。在鍋爐和供熱管線等環節熱損失都很大，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電，然后利用電能驅動熱泵從周圍環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，即供熱量與消耗的電能之比，現在可達到3~4；火力發電站的效率可達35-58%（高值為燃氣聯合循環電站）。采用燃料發電再用熱泵供熱的方式，在現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）為目的的熱泵系統有許多種，這里主要討論利用周圍環境作為空調冷熱源的熱泵系統。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。我國對熱泵系統的術語尚未形成規范的用法。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。空氣源熱泵系統簡單，初投資較低。空氣源熱泵的主要缺點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。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中大地起到了蓄能器的作用，進一步提高了空調系統全年的能源利用效率。
地源熱泵有許多優點：
（1）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，可持續使用。（2）高效節能，運行費用低：地源熱泵屬經濟有效的節能技術。地下土壤溫度一年四季相對穩定，冬季比環境空氣溫度高，夏季比環境空氣溫度低，是很好的空調冷熱源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統空調系統運行效率要高40％左右。
（3）節水省地：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空調系統，節省建筑空間，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，對環境非常友好，是理想的綠色環保產品。
(5)運行安全穩定，可靠性高：地源熱泵系統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，運行工況非常穩定，優于其他空調設備。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：地源熱泵系統可供暖、制冷，一套系統可以代替傳統空調的鍋爐加制冷機的兩套裝置或系統，系統緊湊，省去了鍋爐房和冷卻塔，節省建筑空間，也有利于建筑的美觀。
四、地源熱泵供熱空調系統的經濟性分析
建筑節能不僅受技術因素和環境因素影響，還與經濟因素緊密相關。因此評價一個建筑物其空調系統的可行性，還需對其經濟性進行評估。
地源熱泵系統可供暖、制冷，節省傳統空調的鍋爐房和冷卻塔投資，減小設備對建筑空間的要求；另外地源熱泵系統提高了一次能源的利用率，因此具有高效節能的優點。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的運行成本，保證了系統的高效性和經濟性。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；
根據天津地區各種能源基價及配套設施費用，經分析計算得出以下數據
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、地源熱泵空調行業現狀
在我國的一些發達城市，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能已是國民經濟發展的一個重大問題。傳統的采暖空調模式因其產生的環境污染正面臨著嚴峻的挑戰。 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，是一種可持續發展的建筑節能新技術，可廣泛應用于各類建筑中，如商業樓宇、公共建筑、住宅公寓、學校、醫院等建筑中，是替代傳統供冷采暖形式首選。
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。因此整個行業的專業人才比較欠缺，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，但是扶持的力度還不大，同時扶持制度的執行比較繁雜；地下耦合熱泵系統地下埋管的初投資較高，埋管占地面積較大也是制約其發展的一個問題。但是隨著我國經濟的發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展。
需要指出地源熱泵空調系統的經濟性和實用性取決于多種因素。不同地區，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，因此需對建筑物當地地質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，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；再如沈陽地區，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，可實現自流回灌，適合于地下水熱泵系統。
六、結論
現在我國對建筑節能的要求越來越高，減少我國冬季采暖和夏季供冷所造成的大氣污染，降低供暖空調系統的能耗、節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，作為一種高效的環保節能綠色產品，地源熱泵在中國必將有更加廣闊的應用和發展前景，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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