地源熱泵系統(tǒng)能源技術(shù)評估

地源熱泵系統(tǒng)能源技術(shù)評估摘要：地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)以高效節(jié)能、環(huán)境污染小，運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點為節(jié)能和環(huán)保提出了一個新的發(fā)展方向。本文介紹了地源熱泵系統(tǒng)的原理，通過案例對地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行分析，并提出了采用輔助冷卻的地源熱泵系統(tǒng)，進(jìn)一步提高效率，達(dá)到節(jié)能的目的。關(guān)鍵詞：地源熱泵效率輔助冷卻熱經(jīng)濟(jì)性Abstract:Thegroundsourceheatpumpair-conditioningsystemhasprovidedanewdevelopingdirectionforenergyefficiencyandenvironmentalprotectiontechnologywithitsadvantagessuchashighefficiency,lowenvironmentpollution,stablerunning,etc.Inthisarticle,theauthorillustratesthemechanismoftheGSHPtechnology,analyzestheexergyefficiencyofGSHPthroughonecaseandprovidessupplementheatrejecteronGSHP.Itwillimprovetheexergyefficiencyfurthertoachievethegoalofenergysaving.Keywords: groundsourceheatpump exergyefficiencysupplementheatrejecter Thermo-economics1?研究背景隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供熱和空調(diào)已經(jīng)成為普遍的需求。在發(fā)達(dá)國家，供熱和空調(diào)的能耗可占到社會總能耗的25%?30%。據(jù)統(tǒng)計，我國歷年建筑能耗在總能耗中的比例是19%?20%左右，平均值為19.8%。其中，用于暖通空調(diào)的能耗約占建筑能耗的85%［1］。熱泵是通過做功使熱量從溫度低的介質(zhì)流向溫度高的介質(zhì)的裝置。建筑的空調(diào)系統(tǒng)一般應(yīng)滿足冬季的供熱和夏季制冷兩種相反的要求。傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)通常需分別設(shè)置冷源（制冷機(jī)）和熱源（鍋爐）。建筑空調(diào)系統(tǒng)由于必須有冷源（制冷機(jī)），如果讓它在冬季以熱泵的模式運行，則可以省去鍋爐和鍋爐房，不但節(jié)省了初投資，而且全年僅采用電力這種清潔能源，大大減輕了供暖造成的大氣污染問題。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。熱泵利用的低溫?zé)嵩慈绫?-1（以武漢為例）［2］所示。熱泵按照所用的熱源可分為空氣源熱泵、地表水源熱泵、地下水源熱泵、土壤源熱泵等。其中的地表水源熱泵、地下水源熱泵、土壤源熱泵由于都是利用儲存于地下的太陽能，故統(tǒng)稱為地源熱泵。表1-1熱源的評價準(zhǔn)則熱源種類地下水土壤地表水空氣太陽能熱源溫度最高22242838最低1294-4溫度與氣候的關(guān)系幾乎可忽略不計隨所在深度不同而略有時延時間上有延遲，甚至可結(jié)冰完全有關(guān)巨大是否隨時可得幾乎無限制冬天土壤的單位熱負(fù)荷可達(dá)很大有限制，嚴(yán)寒時水溫低，甚至結(jié)冰受限制，在外界溫度較低時，通常為雙聯(lián)性能差

運轉(zhuǎn)是否隨處可得受到嚴(yán)格控制，需要當(dāng)局許可取決于土壤塊的大小和位置受到強(qiáng)烈限制無限制取決于可安置集熱器的屋頂或墻面地源熱泵系統(tǒng)2.1地源熱泵系統(tǒng)的原理以建筑物空調(diào)（包括供熱和制冷）為目的的熱泵系統(tǒng)有許多種，例如有利用建筑通風(fēng)系統(tǒng)的熱量（冷量）的熱回收型熱泵和應(yīng)用于大型建筑內(nèi)部不同分區(qū)之間的水環(huán)熱泵系統(tǒng)等。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（Air-SourceHeatPump，ASHP）和地源熱泵（Ground-SourceHeatPump，GSHP）兩大類。[3]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。[4]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年的能源利用效率。[4]冷凝器冷凝器壓縮機(jī)X節(jié)流裝詈蒸發(fā)器地源熱交換這里研究的主要為地源熱泵。地源熱泵利用大地（土壤、地層、地下水）作為熱源。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)I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。[4]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年的能源利用效率。[4]冷凝器冷凝器壓縮機(jī)X節(jié)流裝詈蒸發(fā)器地源熱交換圖2_1 地源熱泵系統(tǒng)示意圖2.2地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點節(jié)能。地表或地表淺層地?zé)豳Y源的溫度一年四季相對穩(wěn)定，是很好的熱泵冷、熱源。這種溫度特性使得地源熱泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運行效率要高40%?60%[5]，因此要節(jié)能和節(jié)省運行費40%?60%左右。此外，地能溫度較恒定的特性，使熱泵機(jī)組運行更為可靠、穩(wěn)定，保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。利用可再生能源，緩解能源危機(jī)。地源熱泵是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源(通常小于400m深)作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層地?zé)豳Y源可以稱之為地能，地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽所散發(fā)的到地球上的能量，比人類每年利用能量的500倍還多，它不受地域資源等限制，這種儲存于地表淺層并類似十一種無限的可再生能源，使得地能成為清潔的可再生能源的一種形式。對環(huán)境的污染減少。地源熱泵對環(huán)境的污染大大減少，污染物的排放，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少了40%以上，如結(jié)合其他節(jié)能措施，節(jié)能減排量會更明顯，顯然也采用了制冷劑，但比常規(guī)空氣裝置減少了25%的充灌量，裝置運行幾乎沒有任何污染，沒有燃燒，沒有排煙，也無廢棄物。不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量，可以極大的改善其它空調(diào)方式CO2的排放。自動運行。地源熱泵機(jī)組由于工況穩(wěn)定，所以可設(shè)計簡單系統(tǒng)，部件較少，機(jī)組運行簡單可靠，維護(hù)費用低；機(jī)組使用壽命長，主機(jī)部件均在15[4]年以上；機(jī)組緊湊、節(jié)省空間；自動控制程度高，可無人值守。分析方法3.1.1熱量Eq=C1_y]<?0其中：三二一熱量kW；廠一環(huán)境絕對溫度K；『一系統(tǒng)絕對溫度K；0—系統(tǒng)放出熱量kW3.1.2冷量其中：二二一冷量kW；廠:一環(huán)境絕對溫度K；■"—系統(tǒng)絕對溫度K；—系統(tǒng)放出熱量kW3?1?3穩(wěn)流工質(zhì)熱Teth=cPm[(7_%)_旳血阮]其中：j—單位工質(zhì)穩(wěn)定流動的熱 kW/Kg；「「：一廠和廠范圍內(nèi)的平均比熱Kj/KgK；「一環(huán)境絕對溫度K；『一穩(wěn)流工質(zhì)的絕對溫度K3.1.4系統(tǒng)獲得系統(tǒng)所獲得的為進(jìn)出系統(tǒng)得到穩(wěn)流工質(zhì)熱差占=LX（s捕-召二）其中：：一穩(wěn)流工質(zhì)的流量Kg/h；—.—單位穩(wěn)流工質(zhì)的進(jìn)口 KW；；,—單位穩(wěn)流工質(zhì)的出口 KW3.2系統(tǒng)效率進(jìn)入系統(tǒng)的火用、離開系統(tǒng)的火用及系統(tǒng)總火用損應(yīng)該遵循守恒原則。對給定的系統(tǒng)，進(jìn)入系統(tǒng)的火用應(yīng)等于離開系統(tǒng)的火用與系統(tǒng)總火用損之和，也即：i=l j=l h-1其中:匸三-.—進(jìn)入系統(tǒng)n股之和；工：1-三；一系統(tǒng)輸出m股之和；-：：-：~：;—系統(tǒng)所有內(nèi)部和外部損之和由于系統(tǒng)存在內(nèi)部和外部損，所以存在總效率“=.，：，即有：收益Exergy之和代價Fxer^yZ和3.3兩個子系統(tǒng)分析以只有一股輸入火用流和一股產(chǎn)品火用流的兩個子系統(tǒng)為例建立熱經(jīng)濟(jì)學(xué)模型，如圖3-3示意其火用流和資金流的流向，按代數(shù)模式建立熱經(jīng)濟(jì)平衡方程和產(chǎn)品火用成本價格數(shù)學(xué)表達(dá)式。[6]系統(tǒng)I 系統(tǒng)H圖3T筒單子系統(tǒng)示意圖3.3.1子系統(tǒng)I的熱經(jīng)濟(jì)平衡方程q阻+G=%%其中:三匚—輸入流；三丄I，.—傳遞流；二一單位輸入成本；一單位傳遞成本；子系統(tǒng)I的年度化成本3.3.2子系統(tǒng)II的熱經(jīng)濟(jì)平衡方程

其中：三匸?:一傳遞流；二—產(chǎn)品流；二二一單位產(chǎn)品成本；Q—單位傳遞成本；子系統(tǒng)II的年度化成本有兩式可得，單位產(chǎn)品成本為：如果所獲得的產(chǎn)品火用是用以銷售盈利的，則單位產(chǎn)品火用成本加上其它管理費、稅金再加上利潤就是產(chǎn)品火用的市場價格。暫將單位產(chǎn)品火用的成本G定義為產(chǎn)品火用成本價格二貝V：2 —。一匚汀三，丄^ex由上式可知，由于任何子系統(tǒng)的火用效率都是介于0和1之間的值，而且非能量費用年度化成本又是累積值，只會越來越大，因此產(chǎn)品火用成本價格了永遠(yuǎn)大于單位輸入能量火用價格二。這說明系統(tǒng)不同部位的火用成本不同，且趨勢是遞增的；也說明火用在經(jīng)濟(jì)上是不等價的。造成這種火用成本遞增的因素有兩個：一是能量因素，即能量轉(zhuǎn)換過程是不可逆的；二是非能量因素，即非能量費用遞增。4?地源熱泵系統(tǒng)模型案例分析egP呂夏季制冷工況冬季供暖工況egP呂夏季制冷工況冬季供暖工況圖4-1地源熱泵系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)學(xué)模型[7,8]案例[9]:某辦公樓建筑，地上五層，地下一層，總的空調(diào)面積為8000m2,需要解決夏季空調(diào)制冷，冬季供暖問題，全年保持室溫在18-25C。按負(fù)荷指標(biāo)法計算，冷負(fù)荷指標(biāo)和熱負(fù)荷指標(biāo)分別為100W/m2和70W/m2，可以大概估算其建筑總的冷負(fù)荷為800kW,建筑總的熱負(fù)荷為560kW。地源熱泵系統(tǒng)方案：選用水源熱泵機(jī)組一臺。室內(nèi)、外循環(huán)水泵各一臺。工況設(shè)備型號數(shù)量熱泵機(jī)組單臺制冷/熱量(kW)室外循環(huán)泵功率(kW)室內(nèi)循環(huán)泵功率(kW)耗電量(kW)制冷工況MSRB80198011.511.5178.8供熱工況MSRB801111611.511.51001.夏季空調(diào)工況該工況下，對地源熱泵系統(tǒng)和風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)進(jìn)行冷火用流計算，以室外大氣環(huán)境為基準(zhǔn)，地區(qū)夏季室外平均溫度為302K，室內(nèi)空調(diào)設(shè)計溫度為298K。水的平均比熱為C=4.2kJ/Kg。三==27.5kW;室內(nèi)循環(huán)水泵功率:三二：=11.5kW;地源熱泵總的消耗功率:三J=178.8kW;室外循環(huán)水泵功率:三二.r=11.5kW;產(chǎn)品:三丄譏=：.二—：遼：=12.5kW空調(diào)工況下地源熱泵的效率為:二6.19%2.冬季供暖工況以室外大氣環(huán)境為基準(zhǔn)環(huán)境，地區(qū)冬季空調(diào)室外設(shè)計干球溫度為261K,室內(nèi)空調(diào)設(shè)計溫度為293K。水的平均比熱為C=4.2kJ/Kg。C,.=28.7kW;室內(nèi)循環(huán)水泵功率:三兀：.：=11.5kW;地源熱泵總的消耗功率:h：,.；=100kW;室外循環(huán)水泵功率:三匚_=11.5kW;產(chǎn)品三—二-：-^；C：=121.9kW供暖工況下地源熱泵的火用效率為:nh2=「EX血+EX圈+附心一入'%由以上計算結(jié)果可得出：空調(diào)工況下，效率比較低，地源熱泵為6.19%，提高的比率很小，所以提高效率是比較困難的；供暖工況下，地源熱泵系統(tǒng)則達(dá)到了99.1%,效率很高?？梢娛褂玫卦礋岜孟到y(tǒng)進(jìn)行供暖，損很少。夏季熱泵的損很大，提高熱泵技術(shù)的效率頗為重要。不少文獻(xiàn)也提到了利用冷卻塔輔助冷卻地源熱泵系統(tǒng)的技術(shù)。在氣候炎熱地區(qū)或是大型的商業(yè)或公共建筑的熱泵系統(tǒng)上附加冷卻塔，使其和地下埋管換熱器聯(lián)合運行，進(jìn)行輔助冷卻，有助于熱泵機(jī)組效率的提高和初投資的降低。5.夏季制冷改進(jìn)措施當(dāng)建筑以冷負(fù)荷為主時，若完全依靠地源熱泵來供冷，則地下埋管換熱器和熱泵機(jī)組的初投資均比較高，熱泵系統(tǒng)的循環(huán)效率也較低。采用輔助冷卻復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)，可有效降低系統(tǒng)投資，提高系統(tǒng)的運行節(jié)能效果。在部分負(fù)荷時，完全依靠地源熱泵供冷，在峰值負(fù)荷或冷負(fù)荷較大時，啟用輔助冷卻裝置，使輔助冷卻裝置和地源熱泵機(jī)組聯(lián)合運行。[10]圖5.1輔助冷卻地源熱泵示意圖地源熱泵系統(tǒng)初投資相對較高，主要在于鉆井費用較高，所以盡量減少鉆孔長度并且能夠滿足冷負(fù)荷要求是降低系統(tǒng)初投資的主導(dǎo)思想。用冷卻塔輔助地源熱泵是一種好的方法，地下埋管換熱器的長度按照冬季較小的負(fù)荷來確定，夏季未能由埋管承擔(dān)的排熱量由冷卻塔來承擔(dān)。這種系統(tǒng)形式的初投資主要是增加了冷卻塔的費用，但是卻大大減少了地下埋管的費用。在夏季，熱泵運行費用中增加了輔助系統(tǒng)水泵和風(fēng)機(jī)的能耗費用。但是由于輔助系統(tǒng)有助于地源熱泵機(jī)組效率的提高，所以熱泵壓縮機(jī)的能耗降低。系統(tǒng)在夏季運行時，由于增加了輔助冷卻裝置，機(jī)組的效率有所提高，運行費用下降，但是同時系統(tǒng)增加了輔助設(shè)備如風(fēng)機(jī)，水泵等運行費用。27.50 2年6 8 10 12 14 *6系統(tǒng)疋行別角M年圖5.2復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)隨運行時間變化的費用比較由圖可見，輔助比例為20%和30%的系統(tǒng)的多年運行總費用比單獨熱泵系統(tǒng)的總費用低，而且沒有超過單獨熱泵系統(tǒng)總費用的趨勢，輔助比例為50%的系統(tǒng)的總費用在系統(tǒng)運行若干年后會超過單獨熱泵系統(tǒng)的總費用。在多年運行后，大輔助比例系統(tǒng)的總費用會超過小輔助比例系統(tǒng)的總費用。分析表明，各系統(tǒng)年運行費用方面的差異會在系統(tǒng)運行總費用方面起到?jīng)Q定性的作用，圖線的斜率代表各個系統(tǒng)的年運行費用，對于輔助冷卻系統(tǒng)來說，輔助比例偏大，導(dǎo)致系統(tǒng)年運行費用大于單獨熱泵系統(tǒng)的年運行費用，如果輔助冷卻熱泵在經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢將在未來系統(tǒng)運行的幾年內(nèi)消失，則輔助冷卻熱泵就是不經(jīng)濟(jì)的。如果輔助比例過大，系統(tǒng)的年運行費用將大幅上漲（如圖5.2），曲線的斜率加大，則進(jìn)一步加快了這一過程。從系統(tǒng)運行總費用（初投資+n年運行費用）方面考慮，在不同的使用年限內(nèi)，對各個系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要做具體地分析，一般來說短期的運行輔助比例大的系統(tǒng)占優(yōu)，長期運行時，則要求輔助冷卻熱泵系統(tǒng)的年運行費用至少等于單獨熱泵系統(tǒng)的年運行費用，這時這種冷卻輔助比例的系統(tǒng)才會有經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢。6.結(jié)語地源熱泵系統(tǒng)由于是利用地下水（土壤）作為空調(diào)冷熱源，它在節(jié)能和環(huán)保之間找到了一個恰當(dāng)?shù)奈恢?，而成為了?dāng)前備受矚目的一種新興的綠色技術(shù)。供暖工況下，地源熱泵系統(tǒng)效率達(dá)到了99.1%，空調(diào)工況下，地源熱泵效率為6.19%，極具節(jié)能潛力。采用輔助冷卻復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)，可以減少地源熱泵在夏季制冷的能耗，提高熱泵的經(jīng)濟(jì)性。與采用常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)（如風(fēng)冷熱泵）的建筑物相比較，采用地源熱泵系統(tǒng)的建筑物的綠色水平等級較高。地源熱泵系統(tǒng)是一種符合可持續(xù)發(fā)展要求的綠色空調(diào)技術(shù)。由此可見，無論從經(jīng)濟(jì)上還是從技術(shù)角度分析，它都是值得大力推廣與應(yīng)用的。參考文獻(xiàn)錢普華,地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析,2003.李芬容,地源熱泵系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性分析,2006,華中科技大學(xué).Martin,M.A.A.,M.G.%AHughes,P.J.%D%IAmericanSocietyofHeating,Refrigerating,I.Air-ConditioningEngineers,Atlanta,GA,andT.OakRidgeNationalLab.,Comparingmaintenancecostsofgeothermalheatpump