地源热泵的工作原理及技术经济性分析6705.docx

《地源热泵的工作原理及技术经济性分析6705.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地源热泵的工作原理及技术经济性分析6705.docx（21页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、地源热泵泵的工作作原理及及技术经经济性分分析一、什么么是地源源热泵地源源热泵是是一种利利用地下下浅层地地热资源源（也称称地能，包包括地下下水、土土壤或地地表水等等）的既既可供热热又可制制冷的高高效节能能空调系系统。地地源热泵泵通过输输入少量量的高品品位能源源（如电电能），实实现低温温位热能能向高温温位转移移。地能能分别在在冬季作作为热泵泵供暖的的热源和和夏季空空调的冷冷源，即即在冬季季，把地地能中的的热量“取”出来，提提高温度度后，供供给室内内采暖；夏季，把把室内的的热量取取出来，释释放到地地能中去去。热泵泵机组的的能量流流动是利利用其所所消耗的的能量（如如电能）将将吸取的的全部热热能（即即电

2、能+吸收的的热能）一一起排输输至高温温热源。而而其所耗耗能量的的作用是是使制冷冷剂氟里里昂压缩缩至高温温高压状状态，从从而达到到吸收低低温热源源中热能能的作用用。请参参见能流流图所示示。通常常地源热热泵消耗耗1kW的能量量，用户户可以得得到5kW以上的的热量或或4kW以上冷冷量，所所以我们们将其称称为节能能型空调调系统。与锅锅炉（电电、燃料料）供热热系统相相比，锅锅炉供热热只能将将90%以上的的电能或或7090%的燃料料内能为为热量，供供用户使使用，因因此地源源热泵要要比电锅锅炉加热热节省三三分之二二以上的的电能，比比燃料锅锅炉节省省二分之之一以上上的能量量；由于于地源热热泵的热热源温度度全年

3、较较为稳定定，一般般为1025，其制制冷、制制热系数数可达3.54.4，与传传统的空空气源热热泵相比比，要高高出40%左右，其其运行费费用为普普通中央央空调的的5060% 。因此此，近十十几年来来，尤其其是近五五年来，地地源热泵泵空调系系统在北北美如美美国、加加拿大及及法国、瑞瑞士、瑞瑞典等国国家取得得了较快快的发展展，中国国的地源源热泵市市场也日日趋活跃跃，可以以预计，该该项技术术将会成成为21世纪最最有效的的供热和和供冷空空调技术术。二、地源源热泵国国内外发发展近况况 地源源热泵的的历史可可以追朔朔到19112年瑞士士的一个个专利，欧欧洲第一一台热泵泵机组是是在19338年间制制造的。它它

4、以河水水低温热热源，向向市政厅厅供热，输输出的热热水温度度可达60oC。在冬冬季采用用热泵作作为采暖暖需要，在在夏季也也能用来来制冷。19773年能源源危机的的推动，使使热泵的的发展形形成了一一个高潮潮。目前前，欧洲洲的热泵泵理论与与技术均均已高度度发达，这这种“一举两两得”并且环环保的设设备在法法、德、日日、美等等发达国国家业已已广泛使使用。如如美国，截截止19885年全国国共有14,0000台地源源热泵，而1997年就安装了45，000台，到目前为止已安装了400，000台，而且每年以10%的速度稳步增长。1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19%，其中有新建筑中占30%

5、。美国地源热泵工业已经成立了由美国能源部、环保署、爱迪逊电力研究所及众多地源热泵厂家组成的美国地源热泵协会，该协会在近年中将投入一亿美元从事开发、研究和推广工作。美国计划到2001年达到每年安装40万台地源热泵的目标，届时将降低温室气体排放1百万吨，相当于减少50万辆汽车的污染物排放或种植树1百万英亩，年节约能源费用达4.2亿美元，此后，每年节约能源费用再增加1.7亿美元。 与美美国的地地源热泵泵发展有有所不同同，中、北北欧如瑞瑞典、瑞瑞士、奥奥地利、德德国等国国家主要要利用浅浅层地热热资源，地地下土壤壤埋盘管管（埋深深0，表明明项目盈盈利能力力满足了了行业最最低要求求，项目目在财务务上是可可

6、以接受受的；如如NPVV0，则表表示未能能达到预预定的收收益，表表示可以以不考虑虑此项目目。 投资资回收期期评价方方法：如如项目的的全部投投资回收收期小于于行业基基准投资资回收期期，表明明项目投投资能按按时收回回，投资资回收期期越小，表表明经济济性越优优。计算条件件 1 选取天天津地区区住宅楼楼为计算算对象，供供暖热指指标取50ww/m22，空调调冷指标标取80ww/m22。2 地源热热泵冬季季供暖制制热系数数4.000，夏季季空调制制冷系数数4.550，单冷冷空调制制冷系数数取3.220。指标燃料(*)热值(KKcall/*)效率单价(元/*)煤 (kkg)500000.7000.255油

7、(kkg)1030000.8552.655天然气 (m33)850000.9001.8003 经济参参数有：地下水水资源费费（0.004元/吨），电电价（0.5元/度），各各种燃料料的热值值及价格格（见右右表），软软化水费费，排污污费，工工人工资资，利率率，设备备使用年年限等。4 供暖空空调收费费标准，国国内北方方地区有有供暖收收费标准准，如天天津地区区为18.5元/m2，但空空调没有有收费标标准。将将来供暖暖空调要要改为“计量收收费”，以热热（冷）量量为收费费单位，如如南方某某地出台台以0.228元/kww.h冷冷量为收收费标准准。 分析比较较1 初投资资比较，初初投资中中包括了了从冷热热源

8、到管管网到室室内终端端的所有有投资项项。见图图1，热泵泵的初投投资高于于锅炉，但但从总初初投资看看，由于于地源热热泵可供供暖供冷冷，一机机两用，一一次投资资全年使使用，节节省了冬冬季供暖暖的投资资，因此此地源热热泵的初初投资要要低于锅锅炉加空空调系统统的总投投资。2 供暖成成本比较较，见图图2，煤锅锅炉供暖暖成本最最低，其其次是地地源热泵泵、天然然气锅炉炉，油锅锅炉最高高。以地地源热泵泵为基准准比较各各方案供供暖成本本，煤锅锅炉比地地源热泵泵低30%左右，而而天然气气锅炉要要高40%左右，油油锅炉要要高70%左右。3 空调成成本比较较，地源源热泵的的空调运运行成本本要低于于单冷空空调，低低约3

9、0%左右。4 从净现现值看，收收费标准准0.228元/kww.h时（图3），各各供暖空空调方案案的净现现值均小小于0，只有有煤锅炉炉当供暖暖面积大大于一定定值时净净现值才才大于0，说明明按0.228元/kww.h的收费费标准，只只有燃煤煤锅炉具具有一定定经济效效益。如如果加大大收费标标准，如如定为0.4元/kww.h，重新新计算各各方案的的净现值值（图4）、收收益率（图5）和投资回收期（图6），可以得到燃煤锅炉和地源热泵供暖的净现值均大于0，内部收益率大于基准收益率8%，以及投资回收期小于10年，此时燃煤锅炉和地源热泵供暖经济上是可行的。相比之下，由于单冷空调经济性明显低于地源热泵空调，所以燃

10、煤锅炉供暖加单冷空调方案的经济性要低于地源热泵供暖空调，说明了地源热泵一机两用，既供暖又空调的经济优势。对地地源热泵泵方案与与燃煤、燃燃油和燃燃气锅炉炉加单冷冷空调各各方案的的综合经经济性（净净现值均均，收益益率，投投资回收收期）进进行比较较，地源源热泵为为最优方方案，其其次依次次是燃煤煤、天然然气和油油锅炉加加单冷空空调系统统。以上上是“单位热热（冷）量量收费标标准”的计算算结果，对对经营者者来说，供供应的热热（冷）量量越多，所所收取的的费用将将越多，并并且供暖暖空调的的成本相相对越低低，因此此其经济济效益将将越高，这这类似于于电力的的供应，电电厂供应应的电力力越多，效效益将越越高。因因此不

11、同同建筑物物，不同同的供热热（冷）量量，经营营者的经经济效益益将不同同，不能能照搬本本文的计计算结果果。应针针对具体体的建筑筑物类型型、用途途，当地地的气象象资料，当当地的各各种能源源价格及及供暖空空调的收收费标准准来进行行可行性性研究，以以确定何何种供暖暖空调方方式为最最经济方方案。对传传统的“单位面面积收费费标准”，由于于供应的的建筑物物面积是是确定的的，向用用户收取取的采暖暖空调费费用是固固定的，因因此对经经营者来来说，供供应的热热（冷）量量越少，其其效益就就越高。这这与“计量收收费”的效果果正相反反，但采采用“计量收收费”是有利利于用户户和有利利于节能能的。 七、工质质替代作为为空调和

12、和热泵的的主导工工质HCFFC222淘汰在在即，因因难以找找到HCFFC222 性能相相当的单单一替代代物质，采采用混合合工质替替代方案案已成共共识。国国际上迄迄今提出出的HCFFC222替代物物主要为为R4110A和R4007C，它们们的ODP均为0，已经经在不少少场合获获得应用用。然而而它们不不仅在热热力性能能上与HCFFC222有明显显差距而而且还因因具有较较大的温温室效应应势GWP而受限限于京都都协议。从温温室效应应的角度度出发，人人们又将将研究目目光放在在了来源源于自然然又可回回归自然然的自然然工质上上。自然然工质包包括碳氢氢化合物物、氨、CO2、空气气等，它它们的ODP为零、GWP

13、在与CO2相同量量级的水水平上。有有研究认认为，氨氨及碳氢氢化合物物是最有有前途的的CFC、HCFFC和HFC的替代代物。但但也有观观点认为为，那些些所谓的的天然制制冷剂，由由于不稳稳定性和和存在爆爆炸的危危险，使使得它们们在空调调工业中中被限制制使用。另另外，国国内外也也已经开开始对CO2跨（超超）临界界循环进进行新一一轮的研研究。ASSHRAAE给出了了一些可可长期替替代R22的混合合工质，见见表1。ARI也推荐荐了一些些替代R22的单工工质和混混合工质质，见表表2。 表1 AASHRRAE推荐的R22替代工工质 ASHRRAE命名混合物组组成质量浓度度R4044AR1255/R1143a

14、a/R1334a44/552/44R4077CR32/R1225/RR1344a23/225/552R4100AR32/R122550/550R4100BR32/R122545/555表2 AARI推荐的R22替代工工质 替代工质质质量浓度度R2900-R1344a-R7177-R32/R1334a30/770R32/R2227eaa35/665八、常见见问题讨讨论 1.为什什么地源源热泵在在美国、欧欧洲以及及中国，尤尤其是近近些年来来为越来来越多的的用户所所认识，市市场日趋趋活跃呢呢？ 一方方面是由由于全世世界范围围内比以以往更加加关注能能源、环环境与可可持续发发展的问问题，对对于中国国由于

15、以以燃煤为为主的能能源结构构已经造造成了极极为严重重的大气气污染，因因此，要要实现经经济的可可持续发发展，必必须尽可可能多地地利用清清洁的可可再生能能源，必必须加大大节能的的力度，而而既能在在冬季供供暖、又又能在夏夏季制冷冷空调的的地源热热泵系统统是很好好的一个个选择；另一方方面是地地源热泵泵系统经经过多年年的研究究，在技技术上已已经非常常成熟，而而且经过过多年的的示范与与实践，确确认了地地源热泵泵系统的的很多优优点：节节约能源源、舒适适、安全全、性能能稳定、清清洁、使使用灵活活等。 2.水环环路热泵泵（WLHHP）系统统与地源源热泵（GSHHP）系统统有什么么异同？适用于于什么场场合？ 两者

16、者都可通通过水源源热泵如如水空空气热泵泵或水水热泵泵系统为为建筑物物提供热热量或冷冷量，区区别是WLHHP系统通通常是指指利用冷冷却水塔塔和锅炉炉保持全全年冬夏夏两季节节的供水水温度稳稳定的系系统，而而GSHHP系统则则通常是是指通过过利用地地下水、地地下换热热系统、地地表水或或者地下下换热系系统与冷冷却塔、锅锅炉相结结合等形形式维持持供水温温度稳定定的系统统；此外外，WLHHP一般为为分散式式系统，而GSHP既可为分散式系统也可为集中式系统。 对于于WLHHP系统适适用于什什么场合合，有研研究认为为，单纯纯的供冷冷或单纯纯的供热热选用水水环路热热泵是不不合理的的；对同同时具有有制冷和和制热需

17、需要的空空调建筑筑，当其其内部余余热量较较小或较较大时，使使用WLHHP系统节节能效果果不明显显，只有有当机组组排出的的热量与与部分水水源热泵泵机组吸吸收的热热量相近近时，才才具有明明显的节节能优势势。对于于某一特特定建筑筑，设计计者需根根据建筑筑物的冷冷热负荷荷曲线、使使用特点点、功能能，所处处环境等等诸多因因素综合合评价使使用WLHHP系统是是否节能能、合适适。一般般地说，以以下几种种情况可可考虑使使用WLHHP：有低品品位稳定定可靠的的废热可可以利用用；建筑物物内同时时有制冷冷和供热热的需要要；制冷冷量不大大，且又又要求独独立计量量电费，使使用时间间不一，个个别房间间或区域域经常需需在夜

18、间间或节假假日独立立使用的的建筑。 地源源热泵系系统的适适用场合合，对于于分散式式系统，类类似于上上述水环环路热泵泵系统的的情况；而对于于集中式式系统，即即集中为为建筑物物各房间间提供冷冷水或热热水的情情况，则则适用范范围较广广，尤其其适用于于办公楼楼、学校校及别墅墅等。 3.对几几种地源源热泵系系统在工工程应用用中的评评述 1）直直接利用用地下井井水的地地源热泵泵系统：其最大大优点是是非常经经济，占占地面积积小，但但要注意意必须符符合下列列条件：水质良良好；水水量丰富富；符合合标准。 2）地地下埋管管的地源源热泵系系统：对对于垂直直式埋管管系统，其其优点有有：较小小的土地地占用，管管路及水水

19、泵用电电少，其其缺点是是钻井费费用较高高；对于于水平式式埋管系系统，其其优点有有：安装装费用比比垂直式式埋管系系统低，应应用广泛泛，使用用者易于于掌握，其其缺点有有：占地地面积大大，受地地面温度度影响大大，水泵泵耗电量量大。 3）地地表水式式热泵：其优点点有：在在10米或更更深的湖湖中，可可提供10的直接接制冷，比比地下埋埋管系统统投资要要小，水水泵能耗耗较低，高高可靠性性，低维维修要求求、低运运行费用用，在温温暖地区区，湖水水可做热热源，其其缺点有有：在浅浅水湖中中，盘管管容易被被破坏，由由于水温温变化较较大，会会降低机机组的效效率。 4）锅锅炉/冷却塔塔与地下下埋管相相结合的的混合型型地源

20、热热泵系统统：适用用于空间间小，不不能单独独采用地地下埋管管换热系系统的建建筑，冷冷却塔和和闭环式式系统相相结合制制冷，节节省成本本；事实实证明该该系统是是高效率率、低费费用的。 4.地源源热泵的的运行费费用怎样样？经济济性如何何？ 这是是用户最最关心，也也是大家家最容易易提出的的一个问问题，然然而，也也是目前前最难回回答的一一个问题题。因为为影响地地源热泵泵使用经经济性的的因素有有很多，如如电价、用用户或居居民行为为、气候候条件以以及例如如非正常常的炎热热或寒冷冷季节等等其它因因素。尤尤其是在在中国的的应用时时间还不不长，实实际运行行经济性性的总结结工作还还有待完完成，目目前，尚尚难于给给出较准准确的答答案。由由于美国国等发达达国家在在地源热热泵的工工程应用用方面已已至少有有十余年年的历史史，不妨妨先借鉴鉴其经验验。据世世界环境境保护组组织EPA的一份份有关空空调未来来的报告告所得出出的结论论：地源源热泵技技术在为为家庭居居民带来来舒适、可可靠和高高效节能能的同时时，将成成为降低低国家能能源消耗耗和环境境污染的的一个主主要力量量。据EPA估计，设设计安装装良好的的地源热热泵，平平均来说说，可以以节约用用户3040的供供热制冷冷空调的的运行费费用。