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13034.docx

两种快速发展的热泵的技术经济性对比分析及节能技术· 简介：空调调用热泵是是当前发展展最快的一一门技术，也也是用于中中央空调较较理想的冷冷热源设备备。本文介介绍了热泵泵在空调中中的应用、发发展、种类类和两种快快速发展的的地源热泵泵的供冷供供热原理，根根据新国标标地源热热泵系统工工程技术规规范对比比分析了这这两种地源源热泵的技技术经济性性、造价、共共同优点,以及地下下水热泵的的弊端，提提出了客服服其弊端的的措施。并并论述了地地理管热泵泵的节能技技术及其节节能潜力。 · 关键字：地地源热泵，地地下水热泵泵，地埋管管热泵，节节能技术 1 热泵在在空调中的的应用与发发展 1.11 热泵在在空调中的的应用 热泵的的应用范围围非常广泛泛，既可用用于木材、烟烟叶等的干干燥，也可可用于印染染、啤酒等等的工艺生生产。当然然，热泵用用于空调工工程则更为为有利。因因为热泵是是能将低品品位热源提提高为高品品位热源的的设备，因而而近年来发发展很快。空空调用热泵泵其实是一一种制冷机机，是夏季季能供冷、冬冬季能供热热的特殊制制冷机。空空调用热泵泵能给从事事中央空调调的技术人人员创造施施展才能的的领域，同同时也能为为热泵制造造企业和施施工单位提提供无限的的商机。正正因为空调调用热泵是是中央空调调新兴的一一种很好的的冷、热源源方式既能夏供供冷、又能能冬供热，因因此近年来来在中央空空调工程中中的应用越越来越多，受受到人们格格外的重视视。 1.22 常用空空调热泵的的种类 空调用用热泵的分分类方法很很多，诸如如按循环原原理分类，按按吸热放热热介质分类类，以及按按吸热源类类型进行分分类等。 采用按按吸热源类类型分类法法可将常用用空调热泵泵分为如下下几类： （1）空空气源热泵泵 冷暖暖空调机、一一拖多； VRRV、多联联机； 风冷冷式冷（热热）水热泵泵。 （2）水水源热泵 地下水水源热泵（地地下水地源源热泵，井井水源热泵泵），见图图1； 地表表水源热泵泵（江、河河、湖泊水水源热泵），湖湖水源热泵泵见图2； 中水水、污水水源热热泵； 海水水水源热泵泵。 （3）地地源热泵（地地埋管地源源热泵，土土壤源热泵泵、大地耦耦合式热泵泵） 竖直直埋管式地地源热泵，见见图3； 水平平埋管式地地源热泵； 竖直直埋管水水平埋管式式地源热泵泵。 （4）水水环热泵 夏季制制冷机与冷冷却塔运行行正常供冷冷； 冬季季设一水箱箱，将水加加热至133155，再用用热泵升温温后供热。图1 地下下水地源热热泵图22 湖水源源热泵图3 地地埋管地源源热泵 1.33 各种空空调用热泵泵的发展前前景 上述四四种热泵在在中央空调调中均有应应用与发展展，其中空空气源热泵泵（一般称称做风冷式式热泵）最最早应用于于空调中，目目前应用范范围和数量量在不断地地增长，尤尤其当技术术发展到在在冬季室外外气温降至至15-200时仍能能开机，这这就为风冷冷式热泵创创造了无限限广阔的应应用前景。水水环热泵最最适宜用于于有内、外外分区的大大型建筑物的外外区需供热热时，内区区因散热量量（包括设设备与人体体、照明等等的散热量量）无法排排除而须同同时供冷的的环境，因因而发展也也较快。但但其发展速速度远赶不不上地下水水地源热泵泵（下称地地下水热泵泵）和地埋埋管地源热热泵（下称称地埋管热热泵）的发发展速度。地地下水热泵泵和地埋管管热泵是当当前发展最最快的二种种热泵。近近年来有如如雨后春笋笋般的突飞飞猛进的发发展，其应应用数量与与发展速度度是其他型型式热泵无无法比拟的的。 2 两种地地源热泵的的供冷、供供热原理 地下水水热泵和地地埋管热泵泵的供冷、供供热原理基基本相近，但但也有所不不同，现做做如下分析析。 2.11 地下水水热泵的供供冷、供热热工作原理理 地下水水热泵须打打出深度为为806600m的的深井（井井深依各地地地层结构构而异），开开采出温度度大约为113330的井井水，井水水夏季做为为热泵机组组冷凝器的的冷却水，而而冬季则做做为热泵机机组蒸发器器的热源水水。为防止止地面沉降降还须有回回灌井。一一般在抽水水井抽水的的同时，还还须将用过过的井水回回灌到另外外12口口与抽水井井同含水层层的回灌井井的地层中中去。 夏季供供冷时，蒸蒸发器产生生7左右右的冷水，供供给空调末末端设备。在在末端设备备中吸收热热量，水温温升至122左右再再进入蒸发发器。而水水温为133300的地下下井水作为为冷却水，在在冷凝器中中吸收热量量使水温升升高约5左右以后后回灌到地地下，水在在渗流过程程中又降至至1330，然然后再被抽抽取上来循循环使用。如如图4所示示。图4 地下下水热泵夏夏供冷原理理图5 地下水热热泵冬供热热原理冬季供供热时，热热泵机组中中的冷凝器器管口与空空调末端设设备相接，而而蒸发器的的管口与井井水水源系系统相接。冬冬季运行时时，用户端端的空调循循环水，由由于吸收了了冷凝器的的排热而升升温，其温温度可达445660。另另外，在水水源水系统统中水温为为1330的的地下井水水由于在蒸蒸发器中失失去热量，使使水温降低低约5左左右再回灌灌到地下，水水在渗流过过程中吸收收地下岩土土热量，温温度又升至至1330，然然后再被抽抽取上来循循环使用。2.2 地地埋管热泵泵的供冷、供供热工作原原理 地埋管管热泵与地地下水热泵泵不同的是是，须在许许多间距为为58mm，深度约约为1000m3000m左右右的井孔中中埋入332mm的的PE管（竖竖直埋管式式）。PEE管与机房房中的设备备相连接，而而将水注水水PE管系系统。运行行时水系统统为闭路循循环，只依依靠PE管管换热器及及管中的循循环水与地地层岩土的的热交换实实行夏供冷冷、冬供热热。其运行行模式与地地下水热泵泵相近。即即夏季供冷冷时，地源源水做为热热泵机组的的冷却水进进出冷凝器器，把冷凝凝热带回地地下的PEE管换热器器中的循环环水，使之之与岩土进进行热交换换。与此同同时要使热热泵机组的的蒸发器产产出约7的冷水达达到夏季供供冷的效果果。而冬季季供热时，地地源水则做做为热泵机机组的热源源水进出蒸蒸发器，由由于放出热热量而降低低了温度的的地源水又又回到地下下PE管换换热器中，并并使之与岩岩土进行热热交换。与与此同时热热泵机组的的冷凝器会会产出455600的热水水进行供热热。 3 两种地地源热泵的的环保性与节能性 近年来来，地下水水热泵和地地埋管热泵泵的发展势势头迅猛。这这是基于它它们所具有有的一系列列共同优点点。而最主主要的优点点是其环保保性和节能能性。现举举天津采用用地埋管热热泵实施冬冬季供热、夏夏季供冷的的一项目为为例予以说说明（建筑筑面积37700）。 3.11环保性 （1）地地埋管热泵泵的环保性性 地埋管管热泵冬季季供热与燃燃煤锅炉供供热进行比比较，可看看出地埋管管热泵系统统冬季运行行时能大量量减少污染染物排放量量，使冬季季的城市空空气更清新新。其全年年排放量减减少值见表表1。 表1 地埋管地地源热泵减减少污染物物排放量序号 污染物 减少排放量量 /t 1 CO 2 7.5 2 SO 2 0.3 3 烟尘 0.07 4 灰渣 2.9 （2）地地下水热泵泵的环保性性 就环保性而而言，地下下水热泵与与地埋管热热泵都具有有相同的效效果。 3.22节能性 （1）地地埋管热泵泵的节能性性 地埋管管热泵按夏夏季供冷期期100天天，冬季供供热期1220天进行行实测与汇汇总的数据据说明，低低运行费的的优势很明明显，其值值见表2。低低运行费用用说明节约约了大量电电能。 表2 地埋管热热泵与常规规空调、采采暖运行费费比较（元元/）序号 项目 地埋管热泵泵费用 常规空调 / 采暖暖费用 1 夏供冷 13.355 25.000 330.000 2 冬供热 14.299 市民 200.00 ，工商 26.000 3 全年合计 27.644 市民 455.00-50.000 ，工工商 511.00-57.000 注：表表中采暖费费为天津市市20055年收费标标准 （2）地地下水热泵泵的节能性性 据2000322004年年夏、冬二二季，对天天津市运行行的6个地地下水热泵泵系统的运运行费用调调查结果：地下水热热泵的夏冬冬季运行费费用合计为为28.001元/。可见这这两种快速速发展的地地源热泵的的运行费用用均很接近近，说明节节能性均很很好。总之之，这两种种地源热泵泵都具有共共同的优点点。 4 两种地地源热泵的的技术成熟熟性与造价价 4.11技术成熟熟性 （1）地地埋管热泵泵的技术成成熟性 天津已已有60余余个项目投投入运行或或施工，小到到数百m22，大到数数千m2数万，北北京等地区区已有数十十万建筑筑物的地埋埋管热泵工工程。说明明地埋管热热泵工程的的设计与施工技术术均已成熟熟。 （2）地地下水热泵泵的技术成成熟性 天津及及全国各地地的地下水水热泵项目目比较普遍遍，施工技技术已成熟熟。但其管管理措施和和管理水平平与新国标地地源热泵系系统工程技技术规范的的规定相差差甚远。下下面将进行行详细分析析。4.2造价价 两种地地源热泵的的初投资均均比较接近近，见表33。并与常常规中央空空调工程的的初投资也也相差无几几。而地下下水热泵的的运行与维维修费用高高于地埋管管热泵及常常规中央空空调工程。 表3 地埋管热热泵、地下下水热泵工工程与常规规中央空调调系统初投投资比较（元元/m2）序号中央空调方方式地埋管热泵泵系统地下水热泵泵系统常规中央空空调系统1冷热源设备备打井/埋管管系统78.00053.000129.0002热泵机组及及机房辅助助设备57.00089.0003潜水泵及回回灌设备09.704空调末端设设备133.000133.000133.0005系统总投资资268.000284.770262.000注：1、地地下水热泵泵工程打井井数量少，但但井深，成成井工艺复复杂，打井井费高每延米约约80010000元。地埋埋管热泵工工程打孔数数量多，但但孔浅，打打孔费低每延米米约5080元。 2、表表3数据是是根据地埋埋管热泵与与抽灌井数数1：1的的地下水热热泵的实际际工程的初初投资费折折算出的。地地下水热泵泵如将抽灌灌井数变为为1：2，并并计入抽水水设备费，则则初投资还还将增加。 必须说说明，目前前市场出现现无序竞争争，有些施施工单位将将初投资一一降再降，这这种超低价价拼搏，必必定会造成成工程质量量下降，这这是不可取取的。 5 地下水水热泵的弊弊端 地下水水热泵虽与与地埋管热热泵具有共共同的诸多多优点，而而且技术成成熟性与造造价也基本本相近，但但对照新国国标的强制制性条文，看看出地下水水热泵工程程很难落实实强制性条条文。 5.11 新国标标的强制性性条文 20006年1月月1日生效效的新国标标GB500366-20055地源热热泵系统工工程技术规规范第55.1.11条为强制制性条文。强强制性条文文规定，地地下水热泵泵的“地下下水换热系系统应根据据水文地质质勘查资料料进行设计计。必须采采取可靠回回灌措施，确确保置换冷冷量或热量量后的地下下水全部回回灌到同一一含水层，并并不得对地地下水资源源造成浪费费及污染。系系统投入运运行后，应应对抽水量量、回灌量量及其水质质进行定期期监测”。 5.22 地下水水热泵的55大弊端 对照新新国标，其其中许多内内容目前很很难贯彻执执行。因而而使地下水水热泵工程程成为实际际难以执行行强制性条条文的“不不规范工程程”。 地下水水热泵的主主要弊端有有五方面: （1）回回灌措施难难落实 虽虽然要求要要回灌，但但实际上只只有号召，却却无管理单单位监管执执行，更无无可靠措施施和处罚制制度，回灌灌与否和用用户经济效效益无直接接关系，因因而很多用用户并不重重视回灌工工作，实际际上回灌流流于形式。 （2）抽抽水量大于于回灌量 政府部门门大多按抽抽灌井数11：1审批批地下水热热泵工程的的打井。新新国标规定定在抽水井井开泵抽水水的同时必必须要将全全部抽出的的水向回灌灌井进行回回灌，而实实际的回灌灌量很难达达到抽水量量。在抽灌灌井数1:1的情况况下，大多多回灌量仅仅为抽水量量的2050，有的甚甚至不回灌灌，而最大大也只不过过6080。 （3）地地面沉降 抽水多，回回灌少，必必然造成地地面沉降，而而地面沉降降将影响城城市建筑物的变变形与稳定定，并将破破坏地下水水管网，这这也是对大大自然和地地球的严重重破坏。以以天津为例例，天津海海拔仅3.3m，如如不加控制制，地面连连续沉降，加加之全球温温室效应使使海水面不不断上升，这这一升一降降，若干年年后天津是是否有沉入入渤海湾的的可能？ （4）水水资源浪费费 回灌井井一方面不不可能把开开采的水全全部灌入地地层而排入入下水道，而而且回灌措措施中必须须要进行回回扬，回扬扬水也排入入下水道，从从而形成了了水资源的的浪费。 （5）地地下水污染染 回灌水水在地面受受到污染（管管网的铁锈锈、垢层，设设备的油污污，空气的的污染等），再再灌入地层层，也就污污染了地下下水。 6 克服井井水源热泵泵诸多弊端端的措施 6.11 措施之之1设设计、施工工与运行方方面必须解解决十大参参数值 为克服服地下水热热泵诸多弊弊端，有人人提出了地地下水热泵泵在设计、施施工与运行行方面必须须解决的十十大参数值值，以确保保井水源热热泵达到新新国标规定定，且高效效运行。 （1）井井水温度 1530。 （2）井井距、井深深 井距440500m，井深深应确保水水温参数。 （3）深深井出水量量 井水量量不应取该该地区同类类井抽水量量的最大值值，而应比比平均水量量小5%10%。以以确保热泵泵系统必须须的水量。 （4）回回灌井数 抽水井与与回灌井配配比应为11:2（但但目前大多多为1:11），否则则不可能达达到所要求求的回灌量量，当然，这这样初投资资会大幅度度增加，用用户难以接接受。 （5）灌灌抽水量比比 新国标标规定回灌灌量要达到到100%，即使抽抽灌井数11:2也难难达到1000（因因回扬水要要排放掉），但但最小也应应不小于抽抽水量的998%以上上。 （6）回回扬操作 应坚持定定期回扬，时时间可为117天，并并要设专人人按回扬技技术进行操操作。 （7）抽抽水用潜水水泵检修 为确保地地下水热泵泵系统的正正常运行，应应0.51年检修修一次。 （8）抽抽水量衰减减值 三年年内衰减量量应不大于于20%，否否则应采取取修井措施施或补打新新井。 （9）地地面沉降 三年内应应不大于55cm（应应由地质部部门和审批批打井的部部门监测管管理）。 （10）地地下水污染染 为使不不将污染的的水灌入地地层，回灌灌水应加装装化学加药药水处理装装置，以达达到原地下下水质指标标（建议由由审批打井井的部门管管理）。 如不能能做到上述述十大参数数值，也就就达不到新新国标的强强制性条文文的规定，然然而要做到到十大参数数值指标，也也并非容易易，特别是是要落实4410条条，还要增增加很多费费用，增设设测试监管管仪器和执执法人员，建建立一些行行之有效的的制度和条条例法规。这这些要涉及及到政府众众多职能部部门，如建建工局、地地矿局、水水利局、打打井办、节节水办、供供热办等，可可见难度之之大。 6.11 措施之之2多多发展地埋埋管热泵工工程 如上所所述，地埋埋管热泵在在具有与地地下水热泵泵共同优点点的同时，不不存在地下下水热泵的的一系列弊弊端，因为为地埋管热热泵不取用用地下井水水，而是真真正的闭路路循环，因因而不会产产生回灌问问题及地面面沉降、水水资源浪费费和地下水水污染等一一系列问题题。因此说说今后应大大力推广地地埋管热泵泵工程项目目，而应限限制达不到到新国标强强制性条文文规定的地地下水热泵泵工程的发发展。 7 地埋管管热泵的节节能技术及及尚待研究究的问题 从以上上分析可看看出今后大大力发展地地埋管热泵泵应是大方方向。为此此，对开发发地埋管热热泵的节能能技术，进进一步挖掘掘地埋管热热泵的节能能潜力就更更令人关注注。 7.11 地埋管管热泵的节节能技术与与节能潜力力 （1） 按冬季热热负荷设计计地埋管热热泵埋管换换热器，夏夏季增设一一些冷却塔塔散热，减减少夏季排排入地层的的热量，以以求得取、排排热量的平平衡，以及及减少初投投资与运行行能耗。 （2） 夏季不将将冷凝器的的排热量全全部排入地地层，而是是用部分冷冷凝器排热热量加热生生活用卫生生热水。使使卫生热水水无须再使使用加热能能源。 （3） 地埋管热热泵系统间间歇运行，换换热量可增增加5，如如图6、图图7所示。图6 间歇歇运行管壁壁温度测试试结果图图7 地埋埋管换热器器每米埋深深换热量 地埋管管热泵在冬冬季供热时时，结合实实际供热需需求及热泵泵机组的运运行状况，采采用间歇运运行技术，可可以弥补地地埋管换热热缓慢的不不足，恢复复换热管壁壁及管中水水的温度，提提高综合效效率。 由图66可以看出出，间歇运运行对恢复复换热管壁壁温度是十十分有利的的。如运行行初始管壁壁温度为112，运运行5h(300mmin)后后停机，管管壁温度降降至约9.7。停停机5h（运运行3000停机33006600miin）后，管管壁温度恢恢复到111.8（仅仅比初始温温度低0.2）。再再开机5hh（6000+30009000min）以以满足用户户的供热需需求，而后后又停机110h（9900+660011500mmin）后后，管壁温温度即恢复复到初始的的12,从而为下下一循环开开机运行提提供较好的的换热条件件。这一实实验表明，在在该项工程程中以24425hh(约15500miin)即约约一天为一一周期，进进行间歇运运行供热是是可行的，而而且是节能能的。节能能效果可从从图7所示示每米埋管管换热量的的实测加以以验证。 图7表表明了间歇歇运行和连连续运行的的地埋管换换热量的变变化曲线。长长曲线为连连续运行状状况，短曲曲线为间歇歇运行状况况。可见间间歇运行换换热量明显显大于连续续运行换热热量。当连连续运行22004400miin（约337h）时时，换热量量由34ww/m逐渐渐降为277.9w/m.随着着运行时间间的延长，岩岩土温度下下降，换热热量也随即即下降，当当连续运行行14000min（约约24h）后后，换热量量下降到226.5 w/m。而而如采用间间歇运行方方式，停机机期间地温温得到恢复复（见图66），换热热量最低可可保证到227.9 w/m。 （4） 太阳能地埋管管热泵节能能系统 1） 我国太阳阳能资源分分布 我国太太阳能资源源非常丰富富，分布地地域也很广广，其全年年日照时数数为：西北北高原2880033200hh h，华华北平原3300032000h，东北北、中原、华华东地区2220030000h，湖广广、江浙地地区1400022200h，川川贵地区1100014000h。可见见我国大陆陆2/3以以上疆土的的年日照时时数均在22000hh以上，如如此丰富的的太阳能资资源，就为为中央空调调利用可再再生能源，实实现与地埋埋管热泵配配套的节能能工程，奠奠定了良好好的基础条条件。 2） 工程实例例 天津港港理货场太太阳能地埋管热热泵工程。该该工程利用用免费的可可再生能源源太阳能能地埋管热热泵系统为为三座建筑筑物夏供冷冷、冬供热热，其建筑筑面积分别别为2933、2366、1622，该工工程于20005年二二季度竣工工， 7月月份供冷运运行时的实实测室温为为25，节节能效果明明显。 7.2 地地埋管热泵泵尚待研究究的问题 （1）地地质结构与不同同深度地温温的关系； （2）单单位管长换换热量及其其变化； （3）夏夏冬季取、排排热量不平平衡问题等等。中国供热信信息网-集集中供暖工工程家庭采采暖设备热热电联产地地暖地板采采暖分户供供暖暖通能能源领先门户