地源热泵系统能源技术评估

地源热泵系统能源技术评估摘要：地源热泵空调系统以高效节能、环境污染小，运行稳定可靠等优点为节能和环保提出了一个新的发展方向。本文介绍了地源热泵系统的原理，通过案例对地源热泵系统进行分析，并提出了采用辅助冷却的地源热泵系统，进一步提高效率，达到节能的目的。关键词：地源热泵效率辅助冷却热经济性Abstract:Thegroundsourceheatpumpair-conditioningsystemhasprovidedanewdevelopingdirectionforenergyefficiencyandenvironmentalprotectiontechnologywithitsadvantagessuchashighefficiency,lowenvironmentpollution,stablerunning,etc.Inthisarticle,theauthorillustratesthemechanismoftheGSHPtechnology,analyzestheexergyefficiencyofGSHPthroughonecaseandprovidessupplementheatrejecteronGSHP.Itwillimprovetheexergyefficiencyfurthertoachievethegoalofenergysaving.Keywords: groundsourceheatpump exergyefficiencysupplementheatrejecter Thermo-economics1•研究背景随着经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调已经成为普遍的需求。在发达国家，供热和空调的能耗可占到社会总能耗的25%〜30%。据统计，我国历年建筑能耗在总能耗中的比例是19%〜20%左右，平均值为19.8%。其中，用于暖通空调的能耗约占建筑能耗的85%［1］。热泵是通过做功使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置。建筑的空调系统一般应满足冬季的供热和夏季制冷两种相反的要求。传统的空调系统通常需分别设置冷源（制冷机）和热源（锅炉）。建筑空调系统由于必须有冷源（制冷机），如果让它在冬季以热泵的模式运行，则可以省去锅炉和锅炉房，不但节省了初投资，而且全年仅采用电力这种清洁能源，大大减轻了供暖造成的大气污染问题。采用热泵技术为建筑物供热可大大降低供热的燃料消耗，不仅节能，同时也大大降低了燃烧矿物燃料而引起的CO2和其他污染物的排放。热泵利用的低温热源如表1-1（以武汉为例）［2］所示。热泵按照所用的热源可分为空气源热泵、地表水源热泵、地下水源热泵、土壤源热泵等。其中的地表水源热泵、地下水源热泵、土壤源热泵由于都是利用储存于地下的太阳能，故统称为地源热泵。表1-1热源的评价准则热源种类地下水土壤地表水空气太阳能热源温度最高22242838最低1294-4温度与气候的关系几乎可忽略不计随所在深度不同而略有时延时间上有延迟，甚至可结冰完全有关巨大是否随时可得几乎无限制冬天土壤的单位热负荷可达很大有限制，严寒时水温低，甚至结冰受限制，在外界温度较低时，通常为双联性能差

运转是否随处可得受到严格控制，需要当局许可取决于土壤块的大小和位置受到强烈限制无限制取决于可安置集热器的屋顶或墙面地源热泵系统2.1地源热泵系统的原理以建筑物空调（包括供热和制冷）为目的的热泵系统有许多种，例如有利用建筑通风系统的热量（冷量）的热回收型热泵和应用于大型建筑内部不同分区之间的水环热泵系统等。这里主要讨论利用周围环境作为空调冷热源的热泵系统。就其性质来分，国外的文献通常把它们分为空气源热泵（Air-SourceHeatPump，ASHP）和地源热泵（Ground-SourceHeatPump，GSHP）两大类。[3]季的室外温度，又低于夏季的室外温度，因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍，且效率大大提高。此外，冬季通过热泵把大地中的热量升高温度后对建筑供热，同时使大地中的温度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中蓄存热量以供冬季使用。这在地源热泵系统中大地起到了蓄能器的作用，进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。[4]障碍，且效率大大提高。此外，冬季通过热泵把大地中的热量升高温度后对建筑年的能源利用效率。[4]冷凝器冷凝器压缩机X节流装詈蒸发器地源热交换这里研究的主要为地源热泵。地源热泵利用大地（土壤、地层、地下水）作为热源。由于较深的地层中在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度，因此地源热泵可克服空气源热泵的技术I供热，同时使大地中的温度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中蓄存热量以供冬季季的室外温度，又低于夏季的室外温度，因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍，且效率大大提高。此外，冬季通过热泵把大地中的热量升高温度后对建筑供热，同时使大地中的温度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中蓄存热量以供冬季使用。这在地源热泵系统中大地起到了蓄能器的作用，进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。[4]障碍，且效率大大提高。此外，冬季通过热泵把大地中的热量升高温度后对建筑年的能源利用效率。[4]冷凝器冷凝器压缩机X节流装詈蒸发器地源热交换图2_1 地源热泵系统示意图2.2地源热泵系统的优点节能。地表或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，是很好的热泵冷、热源。这种温度特性使得地源热泵系统比传统空调系统运行效率要高40%〜60%[5]，因此要节能和节省运行费40%〜60%左右。此外，地能温度较恒定的特性，使热泵机组运行更为可靠、稳定，保证了系统的高效性和经济性。利用可再生能源，缓解能源危机。地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源(通常小于400m深)作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能，地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳所散发的到地球上的能量，比人类每年利用能量的500倍还多，它不受地域资源等限制，这种储存于地表浅层并类似十一种无限的可再生能源，使得地能成为清洁的可再生能源的一种形式。对环境的污染减少。地源热泵对环境的污染大大减少，污染物的排放，与空气源热泵相比，相当于减少了40%以上，如结合其他节能措施，节能减排量会更明显，显然也采用了制冷剂，但比常规空气装置减少了25%的充灌量，装置运行几乎没有任何污染，没有燃烧，没有排烟，也无废弃物。不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量，可以极大的改善其它空调方式CO2的排放。自动运行。地源热泵机组由于工况稳定，所以可设计简单系统，部件较少，机组运行简单可靠，维护费用低；机组使用寿命长，主机部件均在15[4]年以上；机组紧凑、节省空间；自动控制程度高，可无人值守。分析方法3.1.1热量Eq=C1_y]<?0其中：三二一热量kW；厂一环境绝对温度K；『一系统绝对温度K；0—系统放出热量kW3.1.2冷量其中：二二一冷量kW；厂:一环境绝对温度K；■"—系统绝对温度K；—系统放出热量kW3・1・3稳流工质热Teth=cPm[(7_%)_旳血阮]其中：j—单位工质稳定流动的热 kW/Kg；「「：一厂和厂范围内的平均比热Kj/KgK；「一环境绝对温度K；『一稳流工质的绝对温度K3.1.4系统获得系统所获得的为进出系统得到稳流工质热差占=LX（s捕-召二）其中：：一稳流工质的流量Kg/h；—.—单位稳流工质的进口 KW；；,—单位稳流工质的出口 KW3.2系统效率进入系统的火用、离开系统的火用及系统总火用损应该遵循守恒原则。对给定的系统，进入系统的火用应等于离开系统的火用与系统总火用损之和，也即：i=l j=l h-1其中:匸三-.—进入系统n股之和；工：1-三；一系统输出m股之和；-：：-：~：;—系统所有内部和外部损之和由于系统存在内部和外部损，所以存在总效率“=.，：，即有：收益Exergy之和代价Fxer^yZ和3.3两个子系统分析以只有一股输入火用流和一股产品火用流的两个子系统为例建立热经济学模型，如图3-3示意其火用流和资金流的流向，按代数模式建立热经济平衡方程和产品火用成本价格数学表达式。[6]系统I 系统H图3T筒单子系统示意图3.3.1子系统I的热经济平衡方程q阻+G=%%其中:三匚—输入流；三丄I，.—传递流；二一单位输入成本；一单位传递成本；子系统I的年度化成本3.3.2子系统II的热经济平衡方程

其中：三匸•:一传递流；二—产品流；二二一单位产品成本；Q—单位传递成本；子系统II的年度化成本有两式可得，单位产品成本为：如果所获得的产品火用是用以销售盈利的，则单位产品火用成本加上其它管理费、税金再加上利润就是产品火用的市场价格。暂将单位产品火用的成本G定义为产品火用成本价格二贝V：2 —。一匚汀三，丄^ex由上式可知，由于任何子系统的火用效率都是介于0和1之间的值，而且非能量费用年度化成本又是累积值，只会越来越大，因此产品火用成本价格了永远大于单位输入能量火用价格二。这说明系统不同部位的火用成本不同，且趋势是递增的；也说明火用在经济上是不等价的。造成这种火用成本递增的因素有两个：一是能量因素，即能量转换过程是不可逆的；二是非能量因素，即非能量费用递增。4・地源热泵系统模型案例分析egP吕夏季制冷工况冬季供暖工况egP吕夏季制冷工况冬季供暖工况图4-1地源热泵系统热经济学模型[7,8]案例[9]:某办公楼建筑，地上五层，地下一层，总的空调面积为8000m2,需要解决夏季空调制冷，冬季供暖问题，全年保持室温在18-25C。按负荷指标法计算，冷负荷指标和热负荷指标分别为100W/m2和70W/m2，可以大概估算其建筑总的冷负荷为800kW,建筑总的热负荷为560kW。地源热泵系统方案：选用水源热泵机组一台。室内、外循环水泵各一台。工况设备型号数量热泵机组单台制冷/热量(kW)室外循环泵功率(kW)室内循环泵功率(kW)耗电量(kW)制冷工况MSRB80198011.511.5178.8供热工况MSRB801111611.511.51001.夏季空调工况该工况下，对地源热泵系统和风冷热泵系统进行冷火用流计算，以室外大气环境为基准，地区夏季室外平均温度为302K，室内空调设计温度为298K。水的平均比热为C=4.2kJ/Kg。三==27.5kW;室内循环水泵功率:三二：=11.5kW;地源热泵总的消耗功率:三J=178.8kW;室外循环水泵功率:三二.r=11.5kW;产品:三丄讥=：.二—：辽：=12.5kW空调工况下地源热泵的效率为:二6.19%2.冬季供暖工况以室外大气环境为基准环境，地区冬季空调室外设计干球温度为261K,室内空调设计温度为293K。水的平均比热为C=4.2kJ/Kg。C,.=28.7kW;室内循环水泵功率:三兀：.：=11.5kW;地源热泵总的消耗功率:h：,.；=100kW;室外循环水泵功率:三匚_=11.5kW;产品三—二-：-^；C：=121.9kW供暖工况下地源热泵的火用效率为:nh2=「EX血+EX圈+附心一入'%由以上计算结果可得出：空调工况下，效率比较低，地源热泵为6.19%，提高的比率很小，所以提高效率是比较困难的；供暖工况下，地源热泵系统则达到了99.1%,效率很高。可见使用地源热泵系统进行供暖，损很少。夏季热泵的损很大，提高热泵技术的效率颇为重要。不少文献也提到了利用冷却塔辅助冷却地源热泵系统的技术。在气候炎热地区或是大型的商业或公共建筑的热泵系统上附加冷却塔，使其和地下埋管换热器联合运行，进行辅助冷却，有助于热泵机组效率的提高和初投资的降低。5.夏季制冷改进措施当建筑以冷负荷为主时，若完全依靠地源热泵来供冷，则地下埋管换热器和热泵机组的初投资均比较高，热泵系统的循环效率也较低。采用辅助冷却复合地源热泵系统，可有效降低系统投资，提高系统的运行节能效果。在部分负荷时，完全依靠地源热泵供冷，在峰值负荷或冷负荷较大时，启用辅助冷却装置，使辅助冷却装置和地源热泵机组联合运行。[10]图5.1辅助冷却地源热泵示意图地源热泵系统初投资相对较高，主要在于钻井费用较高，所以尽量减少钻孔长度并且能够满足冷负荷要求是降低系统初投资的主导思想。用冷却塔辅助地源热泵是一种好的方法，地下埋管换热器的长度按照冬季较小的负荷来确定，夏季未能由埋管承担的排热量由冷却塔来承担。这种系统形式的初投资主要是增加了冷却塔的费用，但是却大大减少了地下埋管的费用。在夏季，热泵运行费用中增加了辅助系统水泵和风机的能耗费用。但是由于辅助系统有助于地源热泵机组效率的提高，所以热泵压缩机的能耗降低。系统在夏季运行时，由于增加了辅助冷却装置，机组的效率有所提高，运行费用下降，但是同时系统增加了辅助设备如风机，水泵等运行费用。27.50 2年6 8 10 12 14 *6系统疋行別角M年图5.2复合地源热泵系统随运行时间变化的费用比较由图可见，辅助比例为20%和30%的系统的多年运行总费用比单独热泵系统的总费用低，而且没有超过单独热泵系统总费用的趋势，辅助比例为50%的系统的总费用在系统运行若干年后会超过单独热泵系统的总费用。在多年运行后，大辅助比例系统的总费用会超过小辅助比例系统的总费用。分析表明，各系统年运行费用方面的差异会在系统运行总费用方面起到决定性的作用，图线的斜率代表各个系统的年运行费用，对于辅助冷却系统来说，辅助比例偏大，导致系统年运行费用大于单独热泵系统的年运行费用，如果辅助冷却热泵在经济上的优势将在未来系统运行的几年内消失，则辅助冷却热泵就是不经济的。如果辅助比例过大，系统的年运行费用将大幅上涨（如图5.2），曲线的斜率加大，则进一步加快了这一过程。从系统运行总费用（初投资+n年运行费用）方面考虑，在不同的使用年限内，对各个系统的经济性要做具体地分析，一般来说短期的运行辅助比例大的系统占优，长期运行时，则要求辅助冷却热泵系统的年运行费用至少等于单独热泵系统的年运行费用，这时这种冷却辅助比例的系统才会有经济上的优势。6.结语地源热泵系统由于是利用地下水（土壤）作为空调冷热源，它在节能和环保之间找到了一个恰当的位置，而成为了当前备受瞩目的一种新兴的绿色技术。供暖工况下，地源热泵系统效率达到了99.1%，空调工况下，地源热泵效率为6.19%，极具节能潜力。采用辅助冷却复合地源热泵系统，可以减少地源热泵在夏季制冷的能耗，提高热泵的经济性。与采用常规空调系统（如风冷热泵）的建筑物相比较，采用地源热泵系统的建筑物的绿色水平等级较高。地源热泵系统是一种符合可持续发展要求的绿色空调技术。由此可见，无论从经济上还是从技术角度分析，它都是值得大力推广与应用的。参考文献钱普华,地源热泵系统经济性分析,2003.李芬容,地源热泵系统的热经济性分析,2006,华中科技大学.Martin,M.A.A.,M.G.%AHughes,P.J.%D%IAmericanSocietyofHeating,Refrigerating,I.Air-ConditioningEngineers,Atlanta,GA,andT.OakRidgeNationalLab.,Comparingmaintenancecostsofgeothermalheatpump