兩種快速發(fā)展的地源熱泵的技術(shù)經(jīng)濟性對比分析及節(jié)能技術(shù)

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簡介：空調(diào)用熱泵是當前發(fā)展最快的一門技術(shù)，也是用于中央空調(diào)較理想的冷熱源設備。本文介紹了熱泵在空調(diào)中的應用、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《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)中的應用與發(fā)展

　　1.1 熱泵在空調(diào)中的應用

　　熱泵的應用范圍非常廣泛，既可用于木材、煙葉等的干燥，也可用于印染、啤酒等的工藝生產(chǎn)。當然，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備，因而近年來發(fā)展很快?？照{(diào)用熱泵其實是一種制冷機，是夏季能供冷、冬季能供熱的特殊制冷機。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。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：

　　（1）空氣源熱泵 ①冷暖空調(diào)機、一拖多；

　　②VRV、多聯(lián)機；

　?、埏L冷式冷（熱）水熱泵。

　?。?）水源熱泵 ①地下水源熱泵（地下水地源熱泵，井水源熱泵），見圖1；

　　②地表水源熱泵（江、河、湖泊水源熱泵），湖水源熱泵見圖2；

　?、壑兴⑽鬯礋岜?；

　?、芎Ｋ礋岜?。

　　（3）地源熱泵（地埋管地源熱泵，土壤源熱泵、大地耦合式熱泵）

　?、儇Q直埋管式地源熱泵，見圖3；

　?、谒铰窆苁降卦礋岜?；

　　③豎直埋管＋水平埋管式地源熱泵。

　?。?）水環(huán)熱泵 ①夏季制冷機與冷卻塔運行正常供冷；

　　②冬季設一水箱，將水加熱至13℃～15℃，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

　　上述四種熱泵在中央空調(diào)中均有應用與發(fā)展，其中空氣源熱泵（一般稱做風冷式熱泵）最早應用于空調(diào)中，目前應用范圍和數(shù)量在不斷地增長，尤其當技術(shù)發(fā)展到在冬季室外氣溫降至－15℃～-20℃時仍能開機，這就為風冷式熱泵創(chuàng)造了無限廣闊的應用前景。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的發(fā)展，其應用數(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80～600m的深井（井深依各地地層結(jié)構(gòu)而異），開采出溫度大約為13℃～30℃的井水，井水夏季做為熱泵機組冷凝器的冷卻水，而冬季則做為熱泵機組蒸發(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1～2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)末端設備。在末端設備中吸收熱量，水溫升至12℃左右再進入蒸發(fā)器。而水溫為13℃～30℃的地下井水作為冷卻水，在冷凝器中吸收熱量使水溫升高約5℃左右以后回灌到地下，水在滲流過程中又降至13℃～30℃，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，熱泵機組中的冷凝器管口與空調(diào)末端設備相接，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45℃～60℃。另外，在水源水系統(tǒng)中水溫為13℃～30℃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13℃～30℃，然后再被抽取上來循環(huán)使用。如圖5所示。

　　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5～8m，深度約為100m～300m左右的井孔中埋入∮32mm的PE管（豎直埋管式）。PE管與機房中的設備相連接，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，地源水做為熱泵機組的冷卻水進出冷凝器，把冷凝熱帶回地下的PE管換熱器中的循環(huán)水，使之與巖土進行熱交換。與此同時要使熱泵機組的蒸發(fā)器產(chǎn)出約7℃的冷水達到夏季供冷的效果。而冬季供熱時，地源水則做為熱泵機組的熱源水進出蒸發(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，并使之與巖土進行熱交換。與此同時熱泵機組的冷凝器會產(chǎn)出45℃～60℃的熱水進行供熱。

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

　?。?）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年收費標準

　?。?）地下水熱泵的節(jié)能性

　　據(jù)2003～2004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/㎡?？梢娺@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?？傊@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計與施工技術(shù)均已成熟。

　?。?）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水平與新國標《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定相差甚遠。下面將進行詳細分析。

　　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冷熱源設備打井/埋管系統(tǒng)78.0053.00129.002熱泵機組及機房輔助設備57.0089.003潛水泵及回灌設備09.704空調(diào)末端設備133.00133.00133.005系統(tǒng)總投資268.00284.70262.00

　　注：1、地下水熱泵工程打井數(shù)量少，但井深，成井工藝復雜，打井費高——每延米約800～1000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50～80元。

　　2、表3數(shù)據(jù)是根據(jù)地埋管熱泵與抽灌井數(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數(shù)變?yōu)?：2，并計入抽水設備費，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，但對照新國標的強制性條文，看出地下水熱泵工程很難落實強制性條文。

　　5.1 新國標的強制性條文

　　2006年1月1日生效的新國標GB50366-2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》第5.1.1條為強制性條文。強制性條文規(guī)定，地下水熱泵的“地下水換熱系統(tǒng)應根據(jù)水文地質(zhì)勘查資料進行設計。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，應對抽水量、回灌量及其水質(zhì)進行定期監(jiān)測”。

　　5.2 地下水熱泵的5大弊端

　　對照新國標，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:

　?。?）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)管執(zhí)行，更無可靠措施和處罰制度，回灌與否和用戶經(jīng)濟效益無直接關(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。

　?。?）抽水量大于回灌量 政府部門大多按抽灌井數(shù)1：1審批地下水熱泵工程的打井。新國標規(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行回灌，而實際的回灌量很難達到抽水量。在抽灌井數(shù)1:1的情況下，大多回灌量僅為抽水量的20％～50％，有的甚至不回灌，而最大也只不過60％～80％。

　?。?）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，加之全球溫室效應使海水面不斷上升，這一升一降，若干年后天津是否有沉入渤海灣的可能？來源:www.civilcn.com

　?。?）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行回揚，回揚水也排入下水道，從而形成了水資源的浪費。

　?。?）地下水污染 回灌水在地面受到污染（管網(wǎng)的鐵銹、垢層，設備的油污，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到新國標規(guī)定，且高效運行。

　?。?）井水溫度 15℃～30℃。

　?。?）井距、井深 井距40～50m，井深應確保水溫參數(shù)。

　?。?）深井出水量 井水量不應取該地區(qū)同類井抽水量的最大值，而應比平均水量小5%～10%。以確保熱泵系統(tǒng)必須的水量。

　?。?）回灌井數(shù) 抽水井與回灌井配比應為1:2（但目前大多為1:1），否則不可能達到所要求的回灌量，當然，這樣初投資會大幅度增加，用戶難以接受。

　?。?）灌抽水量比 新國標規(guī)定回灌量要達到100%，即使抽灌井數(shù)1:2也難達到100％（因回揚水要排放掉），但最小也應不小于抽水量的98%以上。

　?。?）回揚操作 應堅持定期回揚，時間可為1～7天，并要設專人按回揚技術(shù)進行操作。

　?。?）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0.5～1年檢修一次。

　?。?）抽水量衰減值 三年內(nèi)衰減量應不大于20%，否則應采取修井措施或補打新井。

　?。?）地面沉降 三年內(nèi)應不大于5cm（應由地質(zhì)部門和審批打井的部門監(jiān)測管理）。

　?。?0）地下水污染 為使不將污染的水灌入地層，回灌水應加裝化學加藥水處理裝置，以達到原地下水質(zhì)指標（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，也就達不到新國標的強制性條文的規(guī)定，然而要做到十大參數(shù)值指標，也并非容易，特別是要落實4～10條，還要增加很多費用，增設測試監(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。

　　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。因此說今后應大力推廣地埋管熱泵工程項目，而應限制達不到新國標強制性條文規(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)展地埋管熱泵應是大方向。為此，對開發(fā)地埋管熱泵的節(jié)能技術(shù)，進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

　?。?） 按冬季熱負荷設計地埋管熱泵埋管換熱器，夏季增設一些冷卻塔散熱，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。

　?。?） 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。

　?。?） 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組的運行狀況，采用間歇運行技術(shù)，可以彌補地埋管換熱緩慢的不足，恢復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，管壁溫度降至約9.7℃。停機5h（運行300＋停機300＝600min）后，管壁溫度恢復到11.8℃（僅比初始溫度低0.2℃）。再開機5h（600+300＝900min）以滿足用戶的供熱需求，而后又停機10h（900+600＝1500min）后，管壁溫度即恢復到初始的12℃,從而為下一循環(huán)開機運行提供較好的換熱條件。這一實驗表明，在該項工程中以24～25h(約1500min)即約一天為一周期，進行間歇運行供熱是可行的，而且是節(jié)能的。節(jié)能效果可從圖7所示每米埋管換熱量的實測加以驗證。

　　圖7表明了間歇運行和連續(xù)運行的地埋管換熱量的變化曲線。長曲線為連續(xù)運行狀況，短曲線為間歇運行狀況?？梢婇g歇運行換熱量明顯大于連續(xù)運行換熱量。當連續(xù)運行200～400min（約3～7h）時，換熱量由34w/m逐漸降為27.9w/m.隨著運行時間的延長，巖土溫度下降，換熱量也隨即下降，當連續(xù)運行1400min（約24h）后，換熱量下降到26.5 w/m。而如采用間歇運行方式，停機期間地溫得到恢復（見圖6），換熱量最低可保證到27.9 w/m。

　?。?） 太陽能——地埋管熱泵節(jié)能系統(tǒng)

　　1） 我國太陽能資源分布

　　我國太陽能資源非常豐富，分布地域也很廣，其全年日照時數(shù)為：西北高原2800～3200h h，華北平原3000～3200h，東北、中原、華東地區(qū)2200～3000h，湖廣、江浙地區(qū)1400～2200h，川貴地區(qū)1000～1400h。可見我國大陸2/3以上疆土的年日照時數(shù)均在2000h以上，如此豐富的太陽能資源，就為中央空調(diào)利用可再生能源，實現(xiàn)與地埋管熱泵配套的節(jié)能工程，奠定了良好的基礎(chǔ)條件。

　　2） 工程實例

　　天津港理貨場太陽能——地埋管熱泵工程。該工程利用免費的可再生能源—太陽能地埋管熱泵系統(tǒng)為三座建筑物夏供冷、冬供熱，其建筑面積分別為293、236、162㎡，該工程于2005年二季度竣工， 7月份供冷運行時的實測室溫為25℃，節(jié)能效果明顯。

　　7.2 地埋管熱泵尚待研究的問題

　?。?）地質(zhì)結(jié)構(gòu)與不同深度地溫的關(guān)系；

　?。?）單位管長換熱量及其變化；

　?。?）夏冬季取、排熱量不平衡問題等。

　　參考文獻

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