特别关注—— Ｔｈｅ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｆｏｃｕｓ 地源热泵技术经济性分析 口山东省建设发展研究院范学平马秀力季明 口威海国际经济技术合作股份有限公司 于炳欣 随着经济的发展和人们生活水平的提高，公共建筑和住宅 的供热和空调能耗在不断增大。目前，建筑能耗占全社会总能 一 地源热泵系统的分类及适用场所 地源热泵技术是利用地下的土壤、地表水、地下水温度相对 耗的２７％左右 其中建筑物供热空调的能耗占整个建筑能耗的 ６０％左右。因此 降低建筑物的供热空调能耗就显得尤为重 要了。地源热泵以其节能、环保的显著优势，近年来得到迅速 稳定的特性，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移 到需要供热或加温的地方，在夏天还可以将室内的余热转移至４ 低位热源中，达到降温或制冷的目的。地源热泵不需要人工的 冷热源．可以取代锅炉或市政管网等传统的供暖方式和空 发展。地源热泵是一种利用浅层地热资源作为冷热源的高效节 能、无污染 既可供热又可制冷的空调系统。 调系统。冬季代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热， 向建筑物供暖：夏季则代替普通空调向土壤、地下水或者地 表水放热．对建筑物供冷：同时．它还可供应生活用水，可 谓一举三得，是一种有效地利用能源的方式。地源热泵系统 包括三种不同的系统：以利用土壤作为冷热源的地埋管地源 一 广研究篇Ｊ 图１垂直埋管式地源热泵 图２水平埋管式地源热泵 热泵，也有资料称为地下耦合热泵系统：以利用地下水为冷 热源的地下水热泵系统；以利用地表水为冷热源的地表水热 泵系统。 可以充分利用可再生能源．因此是一项值得大力推广的技术。 １．地埋管地源热泵 地埋管地源热泵是利用地下岩土中热量的闭路循环的地 源热泵系统。通常称之为”闭路地源热泵 以区别于地下 应用地埋管地源热泵技术也有它的条件．主要有： （１）与传统的 锅炉＋冷水 机组的供热空调系统相 比，或与空气源热泵系统相比 地埋管地源热泵系统的初投资 稍高。这主要是因为设置地埋管换热器增加了初投资．而且埋 管的费用与地质条件有关 在岩石或其他复杂地层中钻孔的费 用较高。地埋管换热器的投资可占整个建筑供热空调系统初投 资的１，３～１，２。 （２）设置地埋管换热器需要一定的土地。在华北地区 垂直埋管换热器需要的土地面积约为建筑供热空调面积的 ２０％～３０％。虽然这些土地在埋设地埋管换热器后仍可用作绿 水热泵系统，或直接称为”地源热泵”。它通过循环液（水 或以水为主要成分的防冻液）在封闭地下埋管中的流动，实 现系统与大地之间的传热。地埋管地源热泵系统在结构上的 特点是有一个由地下埋管组成的地热换热器，地热换热器的 设置形式主要有水平埋管和垂直埋管两种（见图１、图２）。 垂直埋管的形式是在地层中钻直径为０．１～Ｏ．１５ ｍ的钻 孔，在钻孔中设置１组或２组Ｕ型管并用灌井材料填实。钻孔 的深度通常为４０～２００ｍ。现场可用的地表面积是选择地热 换热器形式的决定性因素。垂直埋管的地热换热器可以比水 平埋管节省很多土地面积．因此更适合中国地少人多的国 化、停车场或运动场等，但在建筑高度密集的城镇，埋管占地 的因素仍成为应用地埋管地源热泵技术的主要制约条件。 （３）地源热泵系统对系统全年冷热负荷的平衡有一定 的要求。在地埋管地源热泵系统中地下岩土在全年起到蓄热 器的作用，对热量夏蓄冬供。但在北方严寒地区冬季供热的 负荷和时间远大于夏季空调的负荷和时间系统多年运行以后 地下的平均温度将逐年降低，影响系统的性能甚至使系统失 情。管沟或竖井中的热交换器成并联连接．再通过集管进人 建筑中与建筑物内的水环路相连接。在液体温度较低时 系 统中需加入防冻液。 地埋管地源热泵系统不受地下水和地表水资源的， 只需要占用一定的埋管区域．适用范围广 对环境无污染． 效。在南方则相反 夏季空调负荷占主导地位，地下的平均 施工现场 原理图 特别关注—— Ｔｈｅ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｆｏｃｕｓ 蒸发嚣压缩机冷凝精 图３地下水源热泵示意图 温度将逐年升高，同样影响系统的性能。在这个意义上说，在 冬冷夏热的华北地区对供热和空调都有较高的需求 地埋管换 热器中全年的冷热负荷比较平衡 具有推广应用地源热泵技术 的理想气候条件。 ２ 地下水地源热泵（见图３） 地下水源热泵是从地下抽取地下水，经过换热后通过回灌 井把地下水回灌到原来的地下水层。水质良好的地下水可直接 进入热泵换热，之后将井水回灌地下 这样的系统称为开式系 统。由于可能导致管路阻塞，更重要的是可能导致腐蚀发生． 因此不建议在地源热泵系统中直接应用地下水。开式系统在适 当的地下水条件和建筑物参数下是一个有吸引力的选择方式， 但必须谨慎的使用。 实际工程中更多采用闭式环路的热泵循环水系统．即采用板 式换热器把地下水和通过热泵的循环水分隔开．以防止地下水 中的泥沙和腐蚀性杂质对热泵的影响。通常系统包括带潜水泵 的取水井和回灌井。由于地下水温常年基本恒定．夏季比室外 空气温度低．冬季比室外空气温度高 且具有较大的热容量． 因此地下水热泵系统的效率比空气源热泵高．ＣＯＰ值～般在 ３～４．５，并且不存在结霜等问题。最近几年地下水源热泵系统在 我国得到了迅速发展。 地下水源热泵系统适用于有丰富地下水的地区。而且．要求 抽取的下地水必须１００％的回灌到地下同一含水层。实际工程经 验表明对于大多数地质条件１００％回灌是很难实现的．再就是大 量抽取地下水造成地下水位降低 地面下陷．危及建筑物的安 全。欧洲和北美国家对采用地下水源热泵技术都有严格的立法 。我国总体来说是水资源缺乏的国家．地下水源热泵系统 在我国经过近１０多年的上升发展趋势以后．其局限性也已被更 多地认识。因此推广这种地下水源热泵技术应慎重。 ■电力研究院 ３、地表水地源热泵 地表水地源热泵系统由潜在水以下的并联的塑料管组成的热 交换器替代了土壤热交换器 与土壤热交换地源热泵一样．它 们被连接到建筑物中，并且在北方地区要进行防冻处理。 地表水热泵系统是以池塘、湖泊、海洋中的地表水作为冷、 热源的一种空调形式。热泵与地表水的换热可采用开式循环或 闭路循环形式。开式循环是用水泵抽取地表水在换热中与热泵 的循环液换热后再排入水体。但水质较差时在换热器中会产生 污垢 影响传热 甚至影响系统的正常运行。更常用的地表水 热泵系统采用闭路循环．即把多组塑料盘管沉入水中．热泵的 循环液通过盘管与水体换热 可以免水质不良引起的污垢和腐 蚀问题。 地表水热泵系统适用于建筑物周围有江河湖海等大体量自然 水体的地方。此外，由于地表水温度受气候的影响较大．与空 气源热泵类似，当环境温度越低时热泵的供热量越小，而且热 泵的性能系数也会降低。因此，在极端情况下．机组往往不能 满足要求，而且采用地表水源热泵系统需要一定的自然水体． 这也使得地表水源热泵系统的应用受到一定的。 二、 地源热泵空调系统工程实例 １．工程概况 该工程属于公共建筑，框架结构．主体四层，总建筑面积为 ６７８０ｍ ，墙体全部采用新型复合墙体．在墙体主体结构基础上 增加一层或几层绝热保温材料来降低墙体的导热系数，门窗选 择导热系数小、隔热效果好的型材作为门窗的主料。 ２、室外设计方案 本工程夏季为空调末端提供７／１２￣Ｃ的循环水：冬季为空调末 广研究篇Ｊ 端提供４５／４０。Ｃ的循环热水。夏季空调总冷负荷６１Ｏ＿２ｋＷ，冬季供热 总热负荷５４２．４ ｋＷ。 合计：７４１８８．８＋９３８９５．２＝１６８０８４元。 夏季单体空调运行费用约为１６元／ｍ 。 据统计，使用集中供暖加单体空调，夏季单体空 调运行费用约为１６￣；／ｍ ，冬季市政供热收费为２８．９元／ ｍ 单位面积运行费用为：４４．９元，ｍ ．全年总运行费用 ３０４４２２元 采用地埋管地源热泵系统：地下Ｕ型埋管（ＰＥ１００）换热器作为 热泵机组的主要冷热源．用来完成冷热量的交换。根据室外打井区 域设计埋管井深１２０ｍ．管井直径１３０～１６０ｍｍ 井间距５米．共计 １０６口井。 使用地源热泵系统．每年可节约运行费用１ ３６３３８元。 ３、地源热泵机组 地源热泵机组的选型本着舒适、高效、节能、环保、运行费用 （２）投资回收期 静态投资回收期：Ｎ一÷ 低、为客户节省投资的原则，根据建筑物的冷热负荷来确定（见表 １）。这种机组可以进行多级能量调节，以适应负荷变化的特点，达 到节能要求。 表１机组技术参数表 机组类型 螺杆式热 动态投资回收期（等额偿还）：Ⅳ．一堡气 式中．Ⅳ、Ⅳ 分别为景泰、动态投资回收年限． 年；，节能投资．万元；Ｅ节能收益，万元 ｆ为贷款年 利率．取５．７６％（三年至五年）。即： 数量 （台） ２ 单柳嗣Ｉ冷量 制冷输入功 单机制热量 制热输入功 （ｋＷ） 率（ｋＷ） （ｋＷ） 率（ｋＷ） ３１２ ５５ ３２５ ６５ 泵猢 Ⅳ：三…５０．９１ ３７４芷 ．Ｅ ｌ３＿６３ Ｎ＇－—ｌｇＥ－ｌ—４、经济性分析 地源热泵工程初投资为：１９６．６２万元．使用集中供暖加单体空 调初投资约为：１４５．７１万元，增加初投资：１９６．６２—１４５．７１＝５０．９１ 万元。 ＿ｒＩ６３ＩＩ３６３ｇ（ｅ１－ｉ）ｌｇ１３．ｇ（－－．—－５０ ．９１ ｘ５．———一ｇＱ＋ｉ） ｒ．——————７６％）．ｌｇ０＋５ ７６％） Ｔ４ ３３年 。 由此可见．地源热泵系统运行费用低．增加的初投资 可在３～７年内收回．在整个服务周期内的平均费用低于传 统的空调系统 （１）地源热泵运行费用 夏季：机组运行功率５５ｋＷ，２８．水泵运转总功率３０ｋＷ．风机 盘管功率为２０ｋＷ。系统运行１２０天，每天运行８ｓｉ ｘ时：变化系数取 ０一，三、结束语 地源热泵作为一种节能环保的空调方式，目前在我国 已取得很大的发展，前景也将越来越好。随着地源热泵技 术的不断发展和改进，以及的大力推广 地源热泵技 术将在建筑中一定会得到广泛的应用．为建筑节能减排工 公建电价０．６９元／度。 （５５×２＋３０＋２０）×１２０×８×０．７×０．６９＝７４１８８．８元。 冬季：机组运行功率６５ｋＷ，２８．水泵运转总功率３０ｋＷ，风机 盘管功率为２０ｋＷ。系统运行１２０天，每天运行９ＪＪ＼时；变化系数取 ０一．公建电价０．６９元，度。 （６５×２＋３０＋２０）Ｘ １２０×９×０．７×０．６９＝９３８９５．２元。 作作出一定的贡献。国
