地源熱泵的實例應用及經濟性分析

摘要　本文簡單介紹了垂直埋管式地源熱泵的工作原理，分析了一個(ge) 應用垂直埋管式地源熱泵的工程實例。北京市某區某警衛*培訓基地改造工程原先冬季采用燃氣鍋爐利用散熱器供暖，夏季辦公樓采用分體(ti) 空調，所有生活熱水由鍋爐房燃氣鍋爐提供，現改為(wei) 垂直埋管式地源熱泵係統方案。本文概括介紹了其設計要點和關(guan) 鍵技術，並通過與(yu) 原冷熱源方案的對比，對地源熱泵係統進行了經濟性分析，指出垂直埋管式地源熱泵的優(you) 缺點及廣闊的應用前景。

關(guan) 鍵詞　地源熱泵　工程實例　地埋管　節能

The application example and economy-analyze

of Ground- Source Heat Pump

Li Juan   Beijing university of technology;

Kou Xiupei    Beijing Institute of geo-exploration and Technique ;

Zhao Jiancheng   Beijing university of technology

Abstract : 　This paper introduced the principle of ground- source heat pump system, take an engineering application for an example. This engineering is for some army base in Beijing, its formerly system is that, using radiators for heating in winter and using separation air-condition in summer and using gas fired boiler for hot water. Now the whole system was instead by ground- source heat pump system .This paper introduced its design plan and key technical and economical analysis of ground- source heat pump’s instance. In conclusion, pointing out the advantage and disadvantage of the ground- source heat pump, and it will have a broad future.

Key words: Ground- Source Heat Pump; the application example; pipe-underground; energy-saving

1   引言

以土壤為(wei) 熱源的地源熱泵係統按地下埋管形式可以分為(wei) 水平埋管、垂直埋管和蛇形埋管。其中垂直埋管式地源熱泵係統以其環保、穩定、節能、節省占地空間、低維護、運行費用低等優(you) 點成為(wei) 一種值得研究與(yu) 大力發展的可再生能源利用方式。

2   地源熱泵係統簡介

垂直埋地管式地源熱泵係統如下圖所示，即在地層中直接埋設高密度PE管，加入換熱液，通過換熱液循環係統，實現係統與(yu) 地層的直接換熱。

係統由地下換熱部分（換熱孔）、能量轉換部分（機房係統）及能量釋放部分（空調末端部分）三部分組成。

圖1 原理簡圖                     夏、冬季運行流程圖為(wei) ：

      冬季，係統將地表下恒溫土層中的低位熱能提高為(wei) 高位熱能進而對建築物進行供暖，同時在地表恒溫土層中貯存冷量，以備夏季製冷時用；夏季通過係統將建築物內(nei) 的熱量轉移到地表恒溫土層中，從(cong) 而達到建築物夏季製冷的要求，同時在大地中貯存熱量，以備冬季時用。

3   工程實例分析

3.1工程概況

北京市某區某警衛*培訓基地改造工程，由1#、2#、3#樓、禮堂、遊泳館、宿舍樓、門診部、食堂、室內(nei) 網球場、車庫等建築組成。總建築麵積約為(wei) 3.6萬(wan) 平方米，其中1#、2#、3#樓、禮堂、遊泳館目前采用的是中央空調係統，宿舍樓、門診部、車庫等目前采用暖氣係統，東(dong) 部為(wei) 1.5萬(wan) 平方米大型操練場。

原有建築物冬季采用燃氣鍋爐利用散熱器供暖，夏季辦公樓采用分體(ti) 空調；所有生活熱水由鍋爐房燃氣鍋爐提供。由於(yu) 3台150冷噸的燃氣鍋爐每年的運行費用都在400萬(wan) 元以上，運行成本太大；另外根據北京市環保要求，決(jue) 定於(yu) 2005年4月將原來的鍋爐房進行改造，采用新型能源方式，同時也改善培訓人員的居住環境。

本文通過對此項目地源熱泵係統方案、施工進行較詳細的論述，為(wei) 地源熱泵的進一步發展提供經驗。

3.2設計參數

3.2.1設計負荷：

冬季：采暖指標116W/m²，大采暖負荷為(wei) 4176KW；

夏季：製冷指標116W/m²，大製冷負荷為(wei) 4176KW；

3.2.2 遊泳池加熱負荷：

根據遊泳池的大小，以及室內(nei) 遊泳池的散熱等相關(guan) 標準及規定，遊泳池的大加熱負荷計算為(wei) 240KW；

3.2.3 生活熱水用量：

1200人大生活熱水用量為(wei) 120m³/天（50℃），全年供生活熱水，小時變化係數取2，則大小時所需要的生活熱水為(wei) 10 m³/天（50℃）。生活熱水由自來水從(cong) 10℃加熱到50℃，大小時加熱量為(wei) 10m³/h，則生活熱水所需要的大加熱負荷為(wei) 466KW；

3.2.4 空調使用時間：

 夏季：5月1日到10月1日；

冬季：11月1日到次年4月1日

3.3技術方案

3.3.1綜述

本項目采用垂直埋管式的地源熱泵係統來提供所有建築的冬季供暖和夏季製冷、以及全年生活熱水和遊泳池用水的加熱。其中生活熱水由地源熱泵係統加熱後，通過生活熱水循環泵直接供給用戶。

3.3.2機組選型

選擇意大利克萊門特PSRHH3903型螺杆式地源熱泵機組3台，其中1台為(wei) 全熱回收機組。其中全熱回收機組在供冷的同時，可以通過吸收空調係統中的廢熱來製取生活熱水。

空調水循環泵和地源側(ce) 循環水泵各選三台，衛生熱水機組側(ce) 循環泵和衛生熱水循環泵各選兩(liang) 台。均采用清華創科泵業(ye) 生產(chan) 的屏蔽泵。

PSRHH3903型熱泵機組性能參數表如下：       

表1  PSRHH3903型熱泵機組性能參數表

3.4關(guan) 鍵技術

地埋管換熱係統是地源熱泵係統的核心和關(guan) 鍵。室外地埋管換熱係統是先鑽換熱孔，再在換熱孔內(nei) 安裝高密度聚乙烯管（HDPE管），其通過HDPE管內(nei) 的液體(ti) 不斷循環，而實現地層與(yu) 換熱液、換熱液與(yu) 機組、機組與(yu) 房間內(nei) 空氣之間的熱交換。

3.4.1本項目中地埋管的設計

經過土壤的熱物性測試，模擬了夏季製冷運行工況下土壤的溫度變化，分析了土壤溫度和加熱功率，同時考慮建成後大部分時間都會(hui) 在部分負荷狀態下運行，進行了如下的設計。

換熱孔布設在工程區內(nei) 的操場下麵，共鑽孔348個(ge) ，井徑大於(yu) ф150mm，深150m，孔間距5×5m,孔內(nei) 安放雙U形管，管材選用抗高壓的高密度聚乙烯管（HDPE100），管徑φ32mm，管壁厚3mm、承壓能力1.6MPa。換熱孔通過地麵聯絡管分區連接後，分別匯入機房內(nei) 。

換熱孔口位於(yu) 地麵1.2m深以下,孔位分布總麵積為(wei) 8700m²，而操場的總麵積為(wei) 1.5萬(wan) 平方米，可以滿足換熱孔布設的要求亦不影響操場的使用。

3.4.2施工工藝

地埋管係統是整個(ge) 地源熱泵係統的核心和關(guan) 鍵，其質量的好壞直接關(guan) 係到整個(ge) 係統的安全。而且工程一旦完成，其將不可修複。

（1）PE管下入孔前的技術準備

傳(chuan) 統的方法是將連接好的PE管直接下入換熱孔內(nei) ，PE管在下入孔內(nei) 後的形狀將不規則，PE管之間會(hui) 發生強烈的換熱幹擾，從(cong) 而影響整個(ge) 換熱孔的換熱效率；本工程采用的做法是在PE管下入換熱孔之前，在PE管之間安裝支架，分隔管材，使PE管之間具有一定的距離，且盡可能緊靠換熱孔的孔壁，加強換熱管與(yu) 地層的換熱效果，減小PE管之間的換熱幹擾。同時選用加重管底接頭，保持管材下入時的垂度

（2）下管後的填料

填料的密實與(yu) 否直接關(guan) 係到換熱孔的換熱效率，為(wei) 了提高填料的密實程度，一方麵要嚴(yan) 格控製填料的速度，沿孔壁四周均勻慢速填料，減少因填料過快而造成填料在孔內(nei) 搭橋的機會(hui) ；另一方麵在下入PE管時，隨同下入一根φ[11] 25直徑的PE細管到孔底，在均勻填料的過程中沿細管向孔內(nei) 注入水或空氣，邊提管邊填料，使填料處於(yu) 懸浮狀態，均勻下沉，從(cong) 而避免填料在孔內(nei) 形成搭橋，即使形成搭橋也可衝(chong) 開，確保填料密實，並邊填料邊提管。

通過以上施工工藝，可確保室外換熱管係統使用壽命在50年以上。

3.5經濟分析

測算參數取值如下表：

表2  估算費用取值表

3.5.1冬季采暖費用

本工程冬季供暖運行費用為(wei) 121萬(wan) 元，燃氣鍋爐方式的運行費用為(wei) 384萬(wan) 元。地源熱泵比燃氣鍋爐節約運行費用263萬(wan) 元，節約68%。

表3  地源熱泵與(yu) 燃氣鍋爐冬季采暖費用比較

3.5.2夏季製冷費用

 本工程與(yu) 常規冷水機組的夏季製冷運行費用比較見表4。地源熱泵的運行費用為(wei) 53萬(wan) 元，冷水機組為(wei) 64萬(wan) 元（冷卻塔方式），節約11萬(wan) 元，節約17%的運行費用。

同時冷水機組在運行時，需要向冷卻塔進行補充自來水，一般1萬(wan) 平方米的建築，整個(ge) 製冷季需要補充自來水3000噸，為(wei) 1.62萬(wan) 元。則地源熱泵比冷水機組節約自來水費約5.8萬(wan) 元。

表4  地源熱泵與(yu) 冷水機組夏季製冷費用比較

3.5.3生活熱水費用

地源熱泵生活熱水的成本與(yu) 燃氣鍋爐加熱成本測算見表5。由表5看出，地源熱泵生活熱水的加熱成本為(wei) 547元/日（5.7元/立方米）。采用燃氣鍋爐加熱生活熱水成本為(wei) 1737元/日（1.81元/立方米）。生活熱水所需要的自來水費為(wei) 18.9萬(wan) 元。

地源熱泵的年運行費用合計為(wei) 30.7萬(wan) 元，折算成本為(wei) 8.8元/m³；燃氣鍋爐的年運行費用為(wei) 82.3萬(wan) 元，折算成本為(wei) 23.5元/m³。地源熱泵係統年節約63%的運行費用。

表5     運行費用統計表

工程中采用地源熱泵係統後，2005年11月投入使用後，經測試各房間的溫度在18~25℃之間，運行37天實耗電費25萬(wan) ，在預測費用之內(nei) 。

3       結論和建議

由於(yu) 土壤溫度穩定且有蓄能的作用，垂直埋管式地源熱泵較空氣源熱泵具有運行中不需要通過風機或水泵采熱,無噪聲,換熱器也不需要除霜等優(you) 點，是一種環保、節能的係統。

該項目采用地源熱泵係統為(wei) 培訓基地解決(jue) 3.6萬(wan) 平方米建築的冬季供暖和夏季製冷，以及全年生活熱水和遊泳池加熱是與(yu) 北京市能源發展政策高度一致的。通過經濟性分析，得出地源熱泵比燃氣鍋爐節省運行費用。

地源熱泵係統的壽命大概在50年左右，如果對係統維護、處理得當，係統壽命還有可能增加。同時考慮投資效益和開發新能源，地源熱泵方案是比較好的係統形式。

但在工程中也發現了垂直埋管式地源熱泵存在的主要缺點是: (1)土壤的熱導率小,地埋管的傳(chuan) 熱係數小,需要較大的傳(chuan) 熱麵積；(2)造價(jia) 較高,運行中發生故障不易檢修。這些是以後需要進一步研究的地方。

參考文獻：

[1] 徐偉(wei) 等譯、朗四維 校.地源熱泵工程技術指南.北京：中國建築工業(ye) 出版社， 2001年11月*版.

[2] 何詠梅1 ,孫東(dong) 喜2 ,黃　晶1 ,王國平3.地源熱泵空調應用的幾點建議.ENERGY CONSERVATION ，2005 (9):38-40.

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