两种快速发展的地源热泵的技术经济性对比分析及节能技术.docx

两种快速速发展的的热泵的的技术经经济性对对比分析析及节能能技术· 简介：空空调用热热泵是当当前发展展最快的的一门技技术，也也是用于于中央空空调较理理想的冷冷热源设设备。本本文介绍绍了热泵泵在空调调中的应应用、发发展、种种类和两两种快速速发展的的地源热热泵的供供冷供热热原理，根据新新国标地源热热泵系统统工程技技术规范范对比比分析了了这两种种地源热热泵的技技术经济济性、造造价、共共同优点点,以及及地下水水热泵的的弊端，提出了了客服其其弊端的的措施。并论述述了地理理管热泵泵的节能能技术及及其节能能潜力。 · 关键字：地源热热泵，地地下水热热泵，地地埋管热热泵，节节能技术术 1 热泵泵在空调调中的应应用与发发展 1.1 热热泵在空空调中的的应用 热泵泵的应用用范围非非常广泛泛，既可可用于木木材、烟烟叶等的的干燥，也可用用于印染染、啤酒酒等的工工艺生产产。当然然，热泵泵用于空空调工程程则更为为有利。因为热热泵是能能将低品品位热源源提高为为高品位位热源的的设备，因因而近年年来发展展很快。空调用用热泵其其实是一一种制冷冷机，是是夏季能能供冷、冬季能能供热的的特殊制制冷机。空调用用热泵能能给从事事中央空空调的技技术人员员创造施施展才能能的领域域，同时时也能为为热泵制制造企业业和施工工单位提提供无限限的商机机。正因因为空调调用热泵泵是中央央空调新新兴的一一种很好好的冷、热源方方式既能夏夏供冷、又能冬冬供热，因此近近年来在在中央空空调工程程中的应应用越来来越多，受到人人们格外外的重视视。 1.2 常常用空调调热泵的的种类 空调调用热泵泵的分类类方法很很多，诸诸如按循循环原理理分类，按吸热热放热介介质分类类，以及及按吸热热源类型型进行分分类等。 采用用按吸热热源类型型分类法法可将常常用空调调热泵分分为如下下几类： （11）空气气源热泵泵 冷冷暖空调调机、一一拖多； VVRV、多联机机； 风风冷式冷冷（热）水热泵泵。 （22）水源源热泵 地下下水源热热泵（地地下水地地源热泵泵，井水水源热泵泵），见见图1； 地地表水源源热泵（江、河河、湖泊泊水源热热泵），湖水源源热泵见见图2； 中中水、污污水水源源热泵； 海海水水源源热泵。 （33）地源源热泵（地埋管管地源热热泵，土土壤源热热泵、大大地耦合合式热泵泵） 竖竖直埋管管式地源源热泵，见图33； 水水平埋管管式地源源热泵； 竖竖直埋管管水平平埋管式式地源热热泵。 （44）水环环热泵 夏季季制冷机机与冷却却塔运行行正常供供冷； 冬冬季设一一水箱，将水加加热至11315，再用用热泵升升温后供供热。图1 地地下水地地源热泵泵图图2 湖湖水源热热泵图33 地埋埋管地源源热泵 1.3 各各种空调调用热泵泵的发展展前景 上述述四种热热泵在中中央空调调中均有有应用与与发展，其中空空气源热热泵（一一般称做做风冷式式热泵）最早应应用于空空调中，目前应应用范围围和数量量在不断断地增长长，尤其其当技术术发展到到在冬季季室外气气温降至至155-20时仍能能开机，这就为为风冷式式热泵创创造了无无限广阔阔的应用用前景。水环热热泵最适适宜用于于有内、外分区区的大型型建筑物的的外区需需供热时时，内区区因散热热量（包包括设备备与人体体、照明明等的散散热量）无法排排除而须须同时供供冷的环环境，因因而发展展也较快快。但其其发展速速度远赶赶不上地地下水地地源热泵泵（下称称地下水水热泵）和地埋埋管地源源热泵（下称地地埋管热热泵）的的发展速速度。地地下水热热泵和地地埋管热热泵是当当前发展展最快的的二种热热泵。近近年来有有如雨后后春笋般般的突飞飞猛进的的发展，其应用用数量与与发展速速度是其其他型式式热泵无无法比拟拟的。 2 两种种地源热热泵的供供冷、供供热原理理 地下下水热泵泵和地埋埋管热泵泵的供冷冷、供热热原理基基本相近近，但也也有所不不同，现现做如下下分析。 2.1 地地下水热热泵的供供冷、供供热工作作原理 地下下水热泵泵须打出出深度为为806000m的深深井（井井深依各各地地层层结构而异异），开开采出温温度大约约为133330的的井水，井水夏夏季做为为热泵机机组冷凝凝器的冷冷却水，而冬季季则做为为热泵机机组蒸发发器的热热源水。为防止止地面沉沉降还须须有回灌灌井。一一般在抽抽水井抽抽水的同同时，还还须将用用过的井井水回灌灌到另外外122口与抽抽水井同同含水层层的回灌灌井的地地层中去去。 夏季季供冷时时，蒸发发器产生生7左左右的冷冷水，供供给空调调末端设设备。在在末端设设备中吸吸收热量量，水温温升至112左左右再进进入蒸发发器。而而水温为为13300的地地下井水水作为冷冷却水，在冷凝凝器中吸吸收热量量使水温温升高约约5左左右以后后回灌到到地下，水在渗渗流过程程中又降降至133330，然后再再被抽取取上来循循环使用用。如图图4所示示。图4 地地下水热热泵夏供供冷原理理图5 地下水水热泵冬冬供热原原理冬季季供热时时，热泵泵机组中中的冷凝凝器管口口与空调调末端设设备相接接，而蒸蒸发器的的管口与与井水水水源系统统相接。冬季运运行时，用户端端的空调调循环水水，由于于吸收了了冷凝器器的排热热而升温温，其温温度可达达45600。另另外，在在水源水水系统中中水温为为13300的地地下井水水由于在在蒸发器器中失去去热量，使水温温降低约约5左左右再回回灌到地地下，水水在渗流流过程中中吸收地地下岩土土热量，温度又又升至11330，然后后再被抽抽取上来来循环使使用。2.2 地埋管管热泵的的供冷、供热工工作原理理 地埋埋管热泵泵与地下下水热泵泵不同的的是，须须在许多多间距为为588m，深深度约为为1000m3300mm左右的的井孔中中埋入32mmm的PPE管（竖直埋埋管式）。PEE管与机机房中的的设备相连连接，而而将水注注水PEE管系统统。运行行时水系系统为闭闭路循环环，只依依靠PEE管换热热器及管管中的循循环水与与地层岩岩土的热热交换实实行夏供供冷、冬冬供热。其运行行模式与与地下水水热泵相相近。即即夏季供供冷时，地源水水做为热热泵机组组的冷却却水进出出冷凝器器，把冷冷凝热带带回地下下的PEE管换热热器中的的循环水水，使之之与岩土土进行热热交换。与此同同时要使使热泵机机组的蒸蒸发器产产出约77的冷冷水达到到夏季供供冷的效效果。而而冬季供供热时，地源水水则做为为热泵机机组的热热源水进进出蒸发发器，由由于放出出热量而而降低了了温度的的地源水水又回到到地下PPE管换换热器中中，并使使之与岩岩土进行行热交换换。与此此同时热热泵机组组的冷凝凝器会产产出455660的的热水进进行供热热。 3 两种种地源热热泵的环环保性与与节能性 近年年来，地地下水热热泵和地地埋管热热泵的发发展势头头迅猛。这是基基于它们们所具有有的一系系列共同同优点。而最主主要的优优点是其其环保性性和节能能性。现现举天津津采用地地埋管热热泵实施施冬季供供热、夏夏季供冷冷的一项项目为例例予以说说明（建建筑面积积37000）。 3.1环保保性 （11）地埋埋管热泵泵的环保保性 地埋埋管热泵泵冬季供供热与燃燃煤锅炉炉供热进进行比较较，可看看出地埋埋管热泵泵系统冬冬季运行行时能大大量减少少污染物物排放量量，使冬冬季的城城市空气气更清新新。其全全年排放放量减少少值见表表1。 表11 地埋埋管地源源热泵减减少污染染物排放放量序号 污染物 减少排放放量 /t 1 CO 22 7.5 2 SO 22 0.3 3 烟尘 0.077 4 灰渣 2.9 （22）地下下水热泵泵的环保保性 就环保性性而言，地下水水热泵与与地埋管管热泵都都具有相相同的效效果。 3.2节能能性 （11）地埋埋管热泵泵的节能能性 地埋埋管热泵泵按夏季季供冷期期1000天，冬冬季供热热期1220天进进行实测测与汇总总的数据据说明，低运行行费的优优势很明明显，其其值见表表2。低低运行费费用说明明节约了了大量电电能。 表22 地埋埋管热泵泵与常规规空调、采暖运运行费比比较（元元/）序号 项目 地埋管热热泵费用用 常规空调调 / 采暖费费用 1 夏供冷 13.335 25.000 300.000 2 冬供热 14.229 市民 220.000 ，工商 26.00 3 全年合计计 27.664 市民 445.000-550.000 ，工商 51.00-57.00 注：表中采采暖费为为天津市市20005年收收费标准准 （22）地下下水热泵泵的节能能性 据22003320004年年夏、冬冬二季，对天津津市运行行的6个个地下水水热泵系系统的运运行费用用调查结结果：地地下水热热泵的夏夏冬季运运行费用用合计为为28.01元元/。可见这这两种快快速发展展的地源源热泵的的运行费费用均很很接近，说明节节能性均均很好。总之，这两种种地源热热泵都具具有共同同的优点点。 4 两种种地源热热泵的技技术成熟熟性与造造价4.1技术术成熟性性 （11）地埋埋管热泵泵的技术术成熟性性 天津津已有660余个个项目投投入运行行或施工工，小到到数百mm2，大大到数千千m2数万，北京京等地区区已有数数十万建筑物的的地埋管管热泵工工程。说说明地埋埋管热泵泵工程的的设计与施工技技术均已已成熟。 （22）地下下水热泵泵的技术术成熟性性 天津津及全国国各地的的地下水水热泵项项目比较较普遍，施工技技术已成成熟。但但其管理理措施和和管理水水平与新国标标地源源热泵系系统工程程技术规规范的的规定相相差甚远远。下面面将进行行详细分分析。4.2造造价两种种地源热热泵的初初投资均均比较接接近，见见表3。并与常常规中央央空调工工程的初初投资也也相差无无几。而而地下水水热泵的的运行与与维修费费用高于于地埋管管热泵及及常规中中央空调调工程。 表33 地埋埋管热泵泵、地下下水热泵泵工程与与常规中中央空调调系统初初投资比比较（元元/m22）序号中央空调调方式地埋管热热泵系统统地下水热热泵系统统常规中央央空调系系统1冷热源设设备打井/埋埋管系统统78.00053.000129.002热泵机组组及机房房辅助设设备57.00089.0003潜水泵及及回灌设设备09.7004空调末端端设备133.00133.00133.005系统总投投资268.00284.70262.00注：1、地下水水热泵工工程打井井数量少少，但井井深，成成井工艺艺复杂，打井费费高每延米米约8000110000元。地地埋管热热泵工程程打孔数数量多，但孔浅浅，打孔孔费低每延延米约550880元。 2、表3数数据是根根据地埋埋管热泵泵与抽灌灌井数11：1的的地下水水热泵的的实际工工程的初初投资费费折算出出的。地地下水热热泵如将将抽灌井井数变为为1：22，并计计入抽水水设备费，则初投投资还将将增加。 必须须说明，目前市市场出现现无序竞竞争，有有些施工工单位将将初投资资一降再再降，这这种超低低价拼搏搏，必定定会造成成工程质质量下降降，这是是不可取取的。 5 地下下水热泵泵的弊端端 地下下水热泵泵虽与地地埋管热热泵具有有共同的的诸多优优点，而而且技术术成熟性性与造价价也基本本相近，但对照照新国标标的强制制性条文文，看出出地下水水热泵工工程很难难落实强强制性条条文。 5.1 新新国标的的强制性性条文 20006年年1月11日生效效的新国国标GBB503366-20005地地源热泵泵系统工工程技术术规范第5.1.11条为强强制性条条文。强强制性条条文规定定，地下下水热泵泵的“地地下水换换热系统统应根据据水文地地质勘查查资料进进行设计计。必须须采取可可靠回灌灌措施，确保置置换冷量量或热量量后的地地下水全全部回灌灌到同一一含水层层，并不不得对地地下水资资源造成成浪费及及污染。系统投投入运行行后，应应对抽水水量、回回灌量及及其水质质进行定定期监测测”。 5.2 地地下水热热泵的55大弊端端 对照照新国标标，其中中许多内内容目前前很难贯贯彻执行行。因而而使地下下水热泵泵工程成成为实际际难以执执行强制制性条文文的“不不规范工工程”。 地下下水热泵泵的主要要弊端有有五方面面: （11）回灌灌措施难难落实 虽然要要求要回回灌，但但实际上上只有号号召，却却无管理理单位监监管执行行，更无无可靠措措施和处处罚制度度，回灌灌与否和和用户经经济效益益无直接接关系，因而很很多用户户并不重重视回灌灌工作，实际上上回灌流流于形式式。 （22）抽水水量大于于回灌量量 政府府部门大大多按抽抽灌井数数1：11审批地地下水热热泵工程程的打井井。新国国标规定定在抽水水井开泵泵抽水的的同时必必须要将将全部抽抽出的水水向回灌灌井进行行回灌，而实际际的回灌灌量很难难达到抽抽水量。在抽灌灌井数11:1的的情况下下，大多多回灌量量仅为抽抽水量的的20500，有有的甚至至不回灌灌，而最最大也只只不过66080。 （33）地面面沉降 抽水多多，回灌灌少，必必然造成成地面沉沉降，而而地面沉沉降将影影响城市市建筑物的的变形与与稳定，并将破破坏地下下水管网网，这也也是对大大自然和和地球的的严重破破坏。以以天津为为例，天天津海拔拔仅3.3m，如不加加控制，地面连连续沉降降，加之之全球温温室效应应使海水水面不断断上升，这一升升一降，若干年年后天津津是否有有沉入渤渤海湾的的可能？ （44）水资资源浪费费 回灌灌井一方方面不可可能把开开采的水水全部灌灌入地层层而排入入下水道道，而且且回灌措措施中必必须要进进行回扬扬，回扬扬水也排排入下水水道，从从而形成成了水资资源的浪浪费。 （55）地下下水污染染 回灌灌水在地地面受到到污染（管网的的铁锈、垢层，设备的的油污，空气的的污染等等），再再灌入地地层，也也就污染染了地下下水。 6 克服服井水源源热泵诸诸多弊端端的措施施 6.1 措措施之11设设计、施施工与运运行方面面必须解解决十大大参数值值 为克克服地下下水热泵泵诸多弊弊端，有有人提出出了地下下水热泵泵在设计计、施工工与运行行方面必必须解决决的十大大参数值值，以确确保井水水源热泵泵达到新新国标规规定，且且高效运运行。 （11）井水水温度 15300。 （22）井距距、井深深 井距距4050mm，井深深应确保保水温参参数。 （33）深井井出水量量 井水水量不应应取该地地区同类类井抽水水量的最最大值，而应比比平均水水量小55%110%。以确保保热泵系系统必须须的水量量。 （44）回灌灌井数 抽水井井与回灌灌井配比比应为11:2（但目前前大多为为1:11），否否则不可可能达到到所要求求的回灌灌量，当当然，这这样初投投资会大大幅度增增加，用用户难以以接受。 （55）灌抽抽水量比比 新国国标规定定回灌量量要达到到1000%，即即使抽灌灌井数11:2也也难达到到1000（因因回扬水水要排放放掉），但最小小也应不不小于抽抽水量的的98%以上。 （66）回扬扬操作 应坚持持定期回回扬，时时间可为为177天，并并要设专专人按回回扬技术术进行操操作。 （77）抽水水用潜水水泵检修修 为确确保地下下水热泵泵系统的的正常运运行，应应0.551年年检修一一次。 （88）抽水水量衰减减值 三三年内衰衰减量应应不大于于20%，否则则应采取取修井措措施或补补打新井井。 （99）地面面沉降 三年内内应不大大于5ccm（应应由地质质部门和和审批打打井的部部门监测测管理）。 （10）地下水水污染 为使不不将污染染的水灌灌入地层层，回灌灌水应加加装化学学加药水水处理装装置，以以达到原原地下水水质指标标（建议议由审批批打井的的部门管管理）。 如不不能做到到上述十十大参数数值，也也就达不不到新国国标的强强制性条条文的规规定，然然而要做做到十大大参数值值指标，也并非非容易，特别是是要落实实4110条，还要增增加很多多费用，增设测测试监管管仪器和和执法人人员，建建立一些些行之有有效的制制度和条条例法规规。这些些要涉及及到政府府众多职职能部门门，如建建工局、地矿局局、水利利局、打打井办、节水办办、供热热办等，可见难难度之大大。 6.1 措措施之22多多发展地地埋管热热泵工程程 如上上所述，地埋管管热泵在在具有与与地下水水热泵共共同优点点的同时时，不存存在地下下水热泵泵的一系系列弊端端，因为为地埋管管热泵不不取用地地下井水水，而是是真正的的闭路循循环，因因而不会会产生回回灌问题题及地面面沉降、水资源源浪费和和地下水水污染等等一系列列问题。因此说说今后应应大力推推广地埋埋管热泵泵工程项项目，而而应限制制达不到到新国标标强制性性条文规规定的地地下水热热泵工程程的发展展。 7 地埋埋管热泵泵的节能能技术及及尚待研研究的问问题 从以以上分析析可看出出今后大大力发展展地埋管管热泵应应是大方方向。为为此，对对开发地地埋管热热泵的节节能技术术，进一一步挖掘掘地埋管管热泵的的节能潜潜力就更更令人关关注。 7.1 地地埋管热热泵的节节能技术术与节能能潜力 （11） 按按冬季热热负荷设设计地埋埋管热泵泵埋管换换热器，夏季增增设一些些冷却塔塔散热，减少夏夏季排入入地层的的热量，以求得得取、排排热量的的平衡，以及减减少初投投资与运运行能耗耗。 （22） 夏夏季不将将冷凝器器的排热热量全部部排入地地层，而而是用部部分冷凝凝器排热热量加热热生活用用卫生热热水。使使卫生热热水无须须再使用用加热能能源。 （33） 地地埋管热热泵系统统间歇运运行，换换热量可可增加55，如如图6、图7所所示。图6 间间歇运行行管壁温温度测试试结果图77 地埋埋管换热热器每米米埋深换换热量 地埋埋管热泵泵在冬季季供热时时，结合合实际供供热需求求及热泵泵机组的的运行状状况，采采用间歇歇运行技技术，可可以弥补补地埋管管换热缓缓慢的不不足，恢恢复换热热管壁及及管中水水的温度度，提高高综合效效率。 由图图6可以以看出，间歇运运行对恢恢复换热热管壁温温度是十十分有利利的。如如运行初初始管壁壁温度为为12，运行行5h(3000minn)后停停机，管管壁温度度降至约约9.77。停停机5hh（运行行3000停机机30006000miin）后后，管壁壁温度恢恢复到111.88（仅仅比初始始温度低低0.22）。再开机机5h（6000+30009900mmin）以满足足用户的的供热需需求，而而后又停停机100h（9900+600015500mmin）后，管管壁温度度即恢复复到初始始的122,从从而为下下一循环环开机运运行提供供较好的的换热条条件。这这一实验验表明，在该项项工程中中以244255h(约约15000miin)即即约一天天为一周周期，进进行间歇歇运行供供热是可可行的，而且是是节能的的。节能能效果可可从图77所示每每米埋管管换热量量的实测测加以验验证。 图77表明了了间歇运运行和连连续运行行的地埋埋管换热热量的变变化曲线线。长曲曲线为连连续运行行状况，短曲线线为间歇歇运行状状况。可可见间歇歇运行换换热量明明显大于于连续运运行换热热量。当当连续运运行20004400mmin（约37h）时，换换热量由由34ww/m逐逐渐降为为27.9w/m.随随着运行行时间的的延长，岩土温温度下降降，换热热量也随随即下降降，当连连续运行行14000miin（约约24hh）后，换热量量下降到到26.5 ww/m。而如采采用间歇歇运行方方式，停停机期间间地温得得到恢复复（见图图6），换热量量最低可可保证到到27.9 ww/m。 （44） 太太阳能地埋埋管热泵泵节能系系统 1） 我国国太阳能能资源分分布 我国国太阳能能资源非非常丰富富，分布布地域也也很广，其全年年日照时时数为：西北高高原2880032000h h，华华北平原原30000332000h，东东北、中中原、华华东地区区22000330000h，湖湖广、江江浙地区区14000222000h，川川贵地区区10000114000h。可可见我国国大陆22/3以以上疆土土的年日日照时数数均在220000h以上上，如此此丰富的的太阳能能资源，就为中中央空调调利用可可再生能能源，实实现与地地埋管热热泵配套套的节能能工程，奠定了了良好的的基础条条件。 2） 工程程实例 天津津港理货货场太阳阳能地埋管管热泵工工程。该该工程利利用免费费的可再再生能源源太阳阳能地埋埋管热泵泵系统为为三座建建筑物夏夏供冷、冬供热热，其建建筑面积积分别为为2933、2336、1162，该工工程于220055年二季季度竣工工， 77月份供供冷运行行时的实实测室温温为255，节节能效果果明显。 7.2 地埋管管热泵尚尚待研究究的问题题 （11）地质质结构与不不同深度度地温的的关系； （22）单位位管长换换热量及及其变化化； （33）夏冬冬季取、排热量量不平衡衡问题等等。中国供热热信息网网-集中中供暖工工程家庭庭采暖设设备热电电联产地地暖地板板采暖分分户供暖暖暖通能能源领先先门户