兩種快速發(fā)展的熱泵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對比分析及節(jié)能技術(shù)

1、兩種快速發(fā)展的熱泵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對比分析及節(jié)能技術(shù)· 簡介：空調(diào)用熱泵是當(dāng)前發(fā)展最快的一門技術(shù)，也是用于中央空調(diào)較理想的冷熱源設(shè)備。本文介紹了熱泵在空調(diào)中的應(yīng)用、發(fā)展、種類和兩種快速發(fā)展的地源熱泵的供冷供熱原理，根據(jù)新國標(biāo)地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范對比分析了這兩種地源熱泵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、造價、共同優(yōu)點,以及地下水熱泵的弊端，提出了客服其弊端的措施。并論述了地理管熱泵的節(jié)能技術(shù)及其節(jié)能潛力。 · 關(guān)鍵字：地源熱泵，地下水熱泵，地埋管熱泵，節(jié)能技術(shù) 1 熱泵在空調(diào)中的應(yīng)用與發(fā)展 1.1 熱泵在空調(diào)中的應(yīng)用 熱泵的應(yīng)用范圍非常廣泛，既可用于木材、煙葉等的干燥，也可用于印染、啤酒等的工藝

2、生產(chǎn)。當(dāng)然，熱泵用于空調(diào)工程則更為有利。因為熱泵是能將低品位熱源提高為高品位熱源的設(shè)備，因而近年來發(fā)展很快?？照{(diào)用熱泵其實是一種制冷機(jī)，是夏季能供冷、冬季能供熱的特殊制冷機(jī)。空調(diào)用熱泵能給從事中央空調(diào)的技術(shù)人員創(chuàng)造施展才能的領(lǐng)域，同時也能為熱泵制造企業(yè)和施工單位提供無限的商機(jī)。正因為空調(diào)用熱泵是中央空調(diào)新興的一種很好的冷、熱源方式既能夏供冷、又能冬供熱，因此近年來在中央空調(diào)工程中的應(yīng)用越來越多，受到人們格外的重視。 1.2 常用空調(diào)熱泵的種類 空調(diào)用熱泵的分類方法很多，諸如按循環(huán)原理分類，按吸熱放熱介質(zhì)分類，以及按吸熱源類型進(jìn)行分類等。 采用按吸熱源類型分類法可將常用空調(diào)熱泵分為如下幾類： （

3、1）空氣源熱泵 冷暖空調(diào)機(jī)、一拖多； VRV、多聯(lián)機(jī)； 風(fēng)冷式冷（熱）水熱泵。 （2）水源熱泵 地下水源熱泵（地下水地源熱泵，井水源熱泵），見圖1； 地表水源熱泵（江、河、湖泊水源熱泵），湖水源熱泵見圖2； 中水、污水水源熱泵； 海水水源熱泵。 （3）地源熱泵（地埋管地源熱泵，土壤源熱泵、大地耦合式熱泵） 豎直埋管式地源熱泵，見圖3； 水平埋管式地源熱泵； 豎直埋管水平埋管式地源熱泵。 （4）水環(huán)熱泵 夏季制冷機(jī)與冷卻塔運行正常供冷； 冬季設(shè)一水箱，將水加熱至1315，再用熱泵升溫后供熱。圖1 地下水地源熱泵圖2 湖水源熱泵圖3 地埋管地源熱泵 1.3 各種空調(diào)用熱泵的發(fā)展前景 上述四種熱泵在

4、中央空調(diào)中均有應(yīng)用與發(fā)展，其中空氣源熱泵（一般稱做風(fēng)冷式熱泵）最早應(yīng)用于空調(diào)中，目前應(yīng)用范圍和數(shù)量在不斷地增長，尤其當(dāng)技術(shù)發(fā)展到在冬季室外氣溫降至15-20時仍能開機(jī)，這就為風(fēng)冷式熱泵創(chuàng)造了無限廣闊的應(yīng)用前景。水環(huán)熱泵最適宜用于有內(nèi)、外分區(qū)的大型建筑物的外區(qū)需供熱時，內(nèi)區(qū)因散熱量（包括設(shè)備與人體、照明等的散熱量）無法排除而須同時供冷的環(huán)境，因而發(fā)展也較快。但其發(fā)展速度遠(yuǎn)趕不上地下水地源熱泵（下稱地下水熱泵）和地埋管地源熱泵（下稱地埋管熱泵）的發(fā)展速度。地下水熱泵和地埋管熱泵是當(dāng)前發(fā)展最快的二種熱泵。近年來有如雨后春筍般的突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其應(yīng)用數(shù)量與發(fā)展速度是其他型式熱泵無法比擬的。 2 兩種地

5、源熱泵的供冷、供熱原理 地下水熱泵和地埋管熱泵的供冷、供熱原理基本相近，但也有所不同，現(xiàn)做如下分析。 2.1 地下水熱泵的供冷、供熱工作原理 地下水熱泵須打出深度為80600m的深井（井深依各地地層結(jié)構(gòu)而異），開采出溫度大約為1330的井水，井水夏季做為熱泵機(jī)組冷凝器的冷卻水，而冬季則做為熱泵機(jī)組蒸發(fā)器的熱源水。為防止地面沉降還須有回灌井。一般在抽水井抽水的同時，還須將用過的井水回灌到另外12口與抽水井同含水層的回灌井的地層中去。 夏季供冷時，蒸發(fā)器產(chǎn)生7左右的冷水，供給空調(diào)末端設(shè)備。在末端設(shè)備中吸收熱量，水溫升至12左右再進(jìn)入蒸發(fā)器。而水溫為1330的地下井水作為冷卻水，在冷凝器中吸收熱量使

6、水溫升高約5左右以后回灌到地下，水在滲流過程中又降至1330，然后再被抽取上來循環(huán)使用。如圖4所示。圖4 地下水熱泵夏供冷原理圖5 地下水熱泵冬供熱原理冬季供熱時，熱泵機(jī)組中的冷凝器管口與空調(diào)末端設(shè)備相接，而蒸發(fā)器的管口與井水水源系統(tǒng)相接。冬季運行時，用戶端的空調(diào)循環(huán)水，由于吸收了冷凝器的排熱而升溫，其溫度可達(dá)4560。另外，在水源水系統(tǒng)中水溫為1330的地下井水由于在蒸發(fā)器中失去熱量，使水溫降低約5左右再回灌到地下，水在滲流過程中吸收地下巖土熱量，溫度又升至1330，然后再被抽取上來循環(huán)使用。2.2 地埋管熱泵的供冷、供熱工作原理 地埋管熱泵與地下水熱泵不同的是，須在許多間距為58m，深度約

7、為100m300m左右的井孔中埋入32mm的PE管（豎直埋管式）。PE管與機(jī)房中的設(shè)備相連接，而將水注水PE管系統(tǒng)。運行時水系統(tǒng)為閉路循環(huán)，只依靠PE管換熱器及管中的循環(huán)水與地層巖土的熱交換實行夏供冷、冬供熱。其運行模式與地下水熱泵相近。即夏季供冷時，地源水做為熱泵機(jī)組的冷卻水進(jìn)出冷凝器，把冷凝熱帶回地下的PE管換熱器中的循環(huán)水，使之與巖土進(jìn)行熱交換。與此同時要使熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器產(chǎn)出約7的冷水達(dá)到夏季供冷的效果。而冬季供熱時，地源水則做為熱泵機(jī)組的熱源水進(jìn)出蒸發(fā)器，由于放出熱量而降低了溫度的地源水又回到地下PE管換熱器中，并使之與巖土進(jìn)行熱交換。與此同時熱泵機(jī)組的冷凝器會產(chǎn)出4560的熱水進(jìn)行

8、供熱。 3 兩種地源熱泵的環(huán)保性與節(jié)能性 近年來，地下水熱泵和地埋管熱泵的發(fā)展勢頭迅猛。這是基于它們所具有的一系列共同優(yōu)點。而最主要的優(yōu)點是其環(huán)保性和節(jié)能性?，F(xiàn)舉天津采用地埋管熱泵實施冬季供熱、夏季供冷的一項目為例予以說明（建筑面積3700）。 3.1環(huán)保性 （1）地埋管熱泵的環(huán)保性 地埋管熱泵冬季供熱與燃煤鍋爐供熱進(jìn)行比較，可看出地埋管熱泵系統(tǒng)冬季運行時能大量減少污染物排放量，使冬季的城市空氣更清新。其全年排放量減少值見表1。 表1 地埋管地源熱泵減少污染物排放量序號 污染物 減少排放量 /t 1 CO 2 7.5 2 SO 2 0.3 3 煙塵 0.07 4 灰渣 2.9 （2）地下水熱泵

9、的環(huán)保性 就環(huán)保性而言，地下水熱泵與地埋管熱泵都具有相同的效果。 3.2節(jié)能性 （1）地埋管熱泵的節(jié)能性 地埋管熱泵按夏季供冷期100天，冬季供熱期120天進(jìn)行實測與匯總的數(shù)據(jù)說明，低運行費的優(yōu)勢很明顯，其值見表2。低運行費用說明節(jié)約了大量電能。 表2 地埋管熱泵與常規(guī)空調(diào)、采暖運行費比較（元/）序號 項目 地埋管熱泵費用 常規(guī)空調(diào) / 采暖費用 1 夏供冷 13.35 25.00 30.00 2 冬供熱 14.29 市民 20.00 ，工商 26.00 3 全年合計 27.64 市民 45.00-50.00 ，工商 51.00-57.00 注：表中采暖費為天津市2005年收費標(biāo)準(zhǔn) （2）地下

10、水熱泵的節(jié)能性 據(jù)20032004年夏、冬二季，對天津市運行的6個地下水熱泵系統(tǒng)的運行費用調(diào)查結(jié)果：地下水熱泵的夏冬季運行費用合計為28.01元/。可見這兩種快速發(fā)展的地源熱泵的運行費用均很接近，說明節(jié)能性均很好。總之，這兩種地源熱泵都具有共同的優(yōu)點。 4 兩種地源熱泵的技術(shù)成熟性與造價 4.1技術(shù)成熟性 （1）地埋管熱泵的技術(shù)成熟性 天津已有60余個項目投入運行或施工，小到數(shù)百m2，大到數(shù)千m2數(shù)萬，北京等地區(qū)已有數(shù)十萬建筑物的地埋管熱泵工程。說明地埋管熱泵工程的設(shè)計與施工技術(shù)均已成熟。 （2）地下水熱泵的技術(shù)成熟性 天津及全國各地的地下水熱泵項目比較普遍，施工技術(shù)已成熟。但其管理措施和管理

11、水平與新國標(biāo)地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范的規(guī)定相差甚遠(yuǎn)。下面將進(jìn)行詳細(xì)分析。4.2造價 兩種地源熱泵的初投資均比較接近，見表3。并與常規(guī)中央空調(diào)工程的初投資也相差無幾。而地下水熱泵的運行與維修費用高于地埋管熱泵及常規(guī)中央空調(diào)工程。 表3 地埋管熱泵、地下水熱泵工程與常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)初投資比較（元/m2）序號中央空調(diào)方式地埋管熱泵系統(tǒng)地下水熱泵系統(tǒng)常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)1冷熱源設(shè)備打井/埋管系統(tǒng)78.0053.00129.002熱泵機(jī)組及機(jī)房輔助設(shè)備57.0089.003潛水泵及回灌設(shè)備09.704空調(diào)末端設(shè)備133.00133.00133.005系統(tǒng)總投資268.00284.70262.00注：1、地下

12、水熱泵工程打井?dāng)?shù)量少，但井深，成井工藝復(fù)雜，打井費高每延米約8001000元。地埋管熱泵工程打孔數(shù)量多，但孔淺，打孔費低每延米約5080元。 2、表3數(shù)據(jù)是根據(jù)地埋管熱泵與抽灌井?dāng)?shù)1：1的地下水熱泵的實際工程的初投資費折算出的。地下水熱泵如將抽灌井?dāng)?shù)變?yōu)?：2，并計入抽水設(shè)備費，則初投資還將增加。 必須說明，目前市場出現(xiàn)無序競爭，有些施工單位將初投資一降再降，這種超低價拼搏，必定會造成工程質(zhì)量下降，這是不可取的。 5 地下水熱泵的弊端 地下水熱泵雖與地埋管熱泵具有共同的諸多優(yōu)點，而且技術(shù)成熟性與造價也基本相近，但對照新國標(biāo)的強(qiáng)制性條文，看出地下水熱泵工程很難落實強(qiáng)制性條文。 5.1 新國標(biāo)的強(qiáng)

13、制性條文 2006年1月1日生效的新國標(biāo)GB50366-2005地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范第5.1.1條為強(qiáng)制性條文。強(qiáng)制性條文規(guī)定，地下水熱泵的“地下水換熱系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)勘查資料進(jìn)行設(shè)計。必須采取可靠回灌措施，確保置換冷量或熱量后的地下水全部回灌到同一含水層，并不得對地下水資源造成浪費及污染。系統(tǒng)投入運行后，應(yīng)對抽水量、回灌量及其水質(zhì)進(jìn)行定期監(jiān)測”。 5.2 地下水熱泵的5大弊端 對照新國標(biāo)，其中許多內(nèi)容目前很難貫徹執(zhí)行。因而使地下水熱泵工程成為實際難以執(zhí)行強(qiáng)制性條文的“不規(guī)范工程”。 地下水熱泵的主要弊端有五方面: （1）回灌措施難落實 雖然要求要回灌，但實際上只有號召，卻無管理單位監(jiān)管

14、執(zhí)行，更無可靠措施和處罰制度，回灌與否和用戶經(jīng)濟(jì)效益無直接關(guān)系，因而很多用戶并不重視回灌工作，實際上回灌流于形式。 （2）抽水量大于回灌量 政府部門大多按抽灌井?dāng)?shù)1：1審批地下水熱泵工程的打井。新國標(biāo)規(guī)定在抽水井開泵抽水的同時必須要將全部抽出的水向回灌井進(jìn)行回灌，而實際的回灌量很難達(dá)到抽水量。在抽灌井?dāng)?shù)1:1的情況下，大多回灌量僅為抽水量的2050，有的甚至不回灌，而最大也只不過6080。 （3）地面沉降 抽水多，回灌少，必然造成地面沉降，而地面沉降將影響城市建筑物的變形與穩(wěn)定，并將破壞地下水管網(wǎng)，這也是對大自然和地球的嚴(yán)重破壞。以天津為例，天津海拔僅3.3m，如不加控制，地面連續(xù)沉降，加之全

15、球溫室效應(yīng)使海水面不斷上升，這一升一降，若干年后天津是否有沉入渤海灣的可能？ （4）水資源浪費 回灌井一方面不可能把開采的水全部灌入地層而排入下水道，而且回灌措施中必須要進(jìn)行回?fù)P，回?fù)P水也排入下水道，從而形成了水資源的浪費。 （5）地下水污染 回灌水在地面受到污染（管網(wǎng)的鐵銹、垢層，設(shè)備的油污，空氣的污染等），再灌入地層，也就污染了地下水。 6 克服井水源熱泵諸多弊端的措施 6.1 措施之1設(shè)計、施工與運行方面必須解決十大參數(shù)值 為克服地下水熱泵諸多弊端，有人提出了地下水熱泵在設(shè)計、施工與運行方面必須解決的十大參數(shù)值，以確保井水源熱泵達(dá)到新國標(biāo)規(guī)定，且高效運行。 （1）井水溫度 1530。 （

16、2）井距、井深 井距4050m，井深應(yīng)確保水溫參數(shù)。 （3）深井出水量 井水量不應(yīng)取該地區(qū)同類井抽水量的最大值，而應(yīng)比平均水量小5%10%。以確保熱泵系統(tǒng)必須的水量。 （4）回灌井?dāng)?shù) 抽水井與回灌井配比應(yīng)為1:2（但目前大多為1:1），否則不可能達(dá)到所要求的回灌量，當(dāng)然，這樣初投資會大幅度增加，用戶難以接受。 （5）灌抽水量比 新國標(biāo)規(guī)定回灌量要達(dá)到100%，即使抽灌井?dāng)?shù)1:2也難達(dá)到100（因回?fù)P水要排放掉），但最小也應(yīng)不小于抽水量的98%以上。 （6）回?fù)P操作 應(yīng)堅持定期回?fù)P，時間可為17天，并要設(shè)專人按回?fù)P技術(shù)進(jìn)行操作。 （7）抽水用潛水泵檢修 為確保地下水熱泵系統(tǒng)的正常運行，應(yīng)0.51

17、年檢修一次。 （8）抽水量衰減值 三年內(nèi)衰減量應(yīng)不大于20%，否則應(yīng)采取修井措施或補(bǔ)打新井。 （9）地面沉降 三年內(nèi)應(yīng)不大于5cm（應(yīng)由地質(zhì)部門和審批打井的部門監(jiān)測管理）。 （10）地下水污染 為使不將污染的水灌入地層，回灌水應(yīng)加裝化學(xué)加藥水處理裝置，以達(dá)到原地下水質(zhì)指標(biāo)（建議由審批打井的部門管理）。 如不能做到上述十大參數(shù)值，也就達(dá)不到新國標(biāo)的強(qiáng)制性條文的規(guī)定，然而要做到十大參數(shù)值指標(biāo)，也并非容易，特別是要落實410條，還要增加很多費用，增設(shè)測試監(jiān)管儀器和執(zhí)法人員，建立一些行之有效的制度和條例法規(guī)。這些要涉及到政府眾多職能部門，如建工局、地礦局、水利局、打井辦、節(jié)水辦、供熱辦等，可見難度之大

18、。 6.1 措施之2多發(fā)展地埋管熱泵工程 如上所述，地埋管熱泵在具有與地下水熱泵共同優(yōu)點的同時，不存在地下水熱泵的一系列弊端，因為地埋管熱泵不取用地下井水，而是真正的閉路循環(huán)，因而不會產(chǎn)生回灌問題及地面沉降、水資源浪費和地下水污染等一系列問題。因此說今后應(yīng)大力推廣地埋管熱泵工程項目，而應(yīng)限制達(dá)不到新國標(biāo)強(qiáng)制性條文規(guī)定的地下水熱泵工程的發(fā)展。 7 地埋管熱泵的節(jié)能技術(shù)及尚待研究的問題 從以上分析可看出今后大力發(fā)展地埋管熱泵應(yīng)是大方向。為此，對開發(fā)地埋管熱泵的節(jié)能技術(shù)，進(jìn)一步挖掘地埋管熱泵的節(jié)能潛力就更令人關(guān)注。 7.1 地埋管熱泵的節(jié)能技術(shù)與節(jié)能潛力 （1） 按冬季熱負(fù)荷設(shè)計地埋管熱泵埋管換熱器

19、，夏季增設(shè)一些冷卻塔散熱，減少夏季排入地層的熱量，以求得取、排熱量的平衡，以及減少初投資與運行能耗。 （2） 夏季不將冷凝器的排熱量全部排入地層，而是用部分冷凝器排熱量加熱生活用衛(wèi)生熱水。使衛(wèi)生熱水無須再使用加熱能源。 （3） 地埋管熱泵系統(tǒng)間歇運行，換熱量可增加5，如圖6、圖7所示。圖6 間歇運行管壁溫度測試結(jié)果圖7 地埋管換熱器每米埋深換熱量 地埋管熱泵在冬季供熱時，結(jié)合實際供熱需求及熱泵機(jī)組的運行狀況，采用間歇運行技術(shù)，可以彌補(bǔ)地埋管換熱緩慢的不足，恢復(fù)換熱管壁及管中水的溫度，提高綜合效率。 由圖6可以看出，間歇運行對恢復(fù)換熱管壁溫度是十分有利的。如運行初始管壁溫度為12，運行5h(300min)后停機(jī)，管壁溫度降至約9.7。停機(jī)5h（運行300停機(jī)300600min）后，管壁溫度恢復(fù)到11.8（僅比初始溫度低0.2）。再開機(jī)5h（600+300900min）以滿足用戶的供熱需求，而后又停機(jī)10h（900+6001500min）后，管壁溫度即恢復(fù)到初始的12,從而為下一循環(huán)開機(jī)運行提供較好的換熱條件。這一實驗表明，在該項工程中以2425h(約1500min)即約一天為一周期，進(jìn)行間歇運行供熱是可行的，而且是節(jié)能的。節(jié)能效果