地源热泵的工作原理及技术经济性分析1353.docx

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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“取取”出来来，提高高温度后后，供给给室内采采暖；夏夏季，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（

2、即即电能+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1kWW的能量量，用户户可以得得到5kkW以上上的热量量或4kkW以上上冷量，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

3、源温度度全年较较为稳定定，一般般为100255，其其制冷、制制热系数数可达33.54.44，与传传统的空空气源热热泵相比比，要高高出400%左右右，其运运行费用用为普通通中央空空调的550660% 。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211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19912年年瑞士的的一个专专利，欧欧洲第一一台热泵泵机组是是

4、在19938年年间制造造的。它它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660oC。在在冬季采采用热泵泵作为采采暖需要要，在夏夏季也能能用来制制冷。119733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“一一举两得得”并且且环保的的设备在在法、德德、日、美美等发达达国家业业已广泛泛使用。如如美国，截截止19985年年全国共共有144,0000台地地源热泵泵，而119977年就安安装了445，0000台台，到目目前为止止已安装装了4000，0000台台，而且且每年以以10%的速度度稳步增增长。119

5、988年美国国商业建建筑中地地源热泵泵系统已已占空调调总保有有量的119%，其其中有新新建筑中中占300%。美美国地源源热泵工工业已经经成立了了由美国国能源部部、环保保署、爱爱迪逊电电力研究究所及众众多地源源热泵厂厂家组成成的美国国地源热热泵协会会，该协协会在近近年中将将投入一一亿美元元从事开开发、研研究和推推广工作作。美国国计划到到20001年达达到每年年安装440万台台地源热热泵的目目标，届届时将降降低温室室气体排排放1百百万吨，相相当于减减少500万辆汽汽车的污污染物排排放或种种植树11百万英英亩，年年节约能能源费用用达4.2亿美美元，此此后，每每年节约约能源费费用再增增加1.7亿美美元

6、。 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00，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以接受受的；如如NPVV0，则则表示未未能达到到预定的的收益，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550w/m2，空调调冷指标标取800w/mm

7、2。2 地源热热泵冬季季供暖制制热系数数4.000，夏夏季空调调制冷系系数4.50，单单冷空调调制冷系系数取33.200。指标燃料(*)热值(KKcall/*)效率单价(元/*)煤 (kkg)500000.7000.255油 (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（0.04元元/吨），电电价（00.5元元/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188.5元

8、元/m22，但空空调没有有收费标标准。将将来供暖暖空调要要改为“计计量收费费”，以以热（冷冷）量为为收费单单位，如如南方某某地出台台以0.28元元/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到管管网到室室内终端端的所有有投资项项。见图图1，热热泵的初初投资高高于锅炉炉，但从从总初投投资看，由由于地源源热泵可可供暖供供冷，一一机两用用，一次次投资全全年使用用，节省省了冬季季供暖的的投资，因因此地源源热泵的的初投资资要低于于锅炉加加空调系系统的总总投资。2 供暖成成本比较较，见图图2，煤煤锅炉供供暖成本本最低，其其次是地地源热泵泵、天然然气锅炉炉，

9、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300%左右右，而天天然气锅锅炉要高高40%左右，油油锅炉要要高700%左右右。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300%左右右。4 从净现现值看，收收费标准准0.228元/kw.h时（图图3），各各供暖空空调方案案的净现现值均小小于0，只只有煤锅锅炉当供供暖面积积大于一一定值时时净现值值才大于于0，说说明按00.288元/kkw.hh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00.4元元/kww.h，重重新计算算各方案

10、案的净现现值（图图4）、收收益率（图图5）和和投资回回收期（图图6），可可以得到到燃煤锅锅炉和地地源热泵泵供暖的的净现值值均大于于0，内内部收益益率大于于基准收收益率88%，以以及投资资回收期期小于110年，此此时燃煤煤锅炉和和地源热热泵供暖暖经济上上是可行行的。相相比之下下，由于于单冷空空调经济济性明显显低于地地源热泵泵空调，所所以燃煤煤锅炉供供暖加单单冷空调调方案的的经济性性要低于于地源热热泵供暖暖空调，说说明了地地源热泵泵一机两两用，既既供暖又又空调的的经济优优势。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

11、）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“单单位热（冷冷）量收收费标准准”的计计算结果果，对经经营者来来说，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

12、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“单单位面积积收费标标准”，由由于供应应的建筑筑物面积积是确定定的，向向用户收收取的采采暖空调调费用是是固定的的，因此此对经营营者来说说，供应应的热（冷冷）量越越少，其其效益就就越高。这这与“计计量收费费”的效效果正相相反，但但采用“计计量收费费”是有有利于用用户和有有利于节节能的。 七、工质质替代作为为空调和和热泵的的主导工工质HCCFC222淘汰汰在即，因因难以找找到HCCFC222 性性能相当当的单一一替代物物质，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HCCFC222替代代物主要要为R4410

13、AA和R4407CC，它们们的ODDP均为为0，已已经在不不少场合合获得应应用。然然而它们们不仅在在热力性性能上与与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GWWP而受受限于京京都协议议。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、CCO2、空空气等，它它们的OODP为为零、GGWP在在与COO2相同同量级的的水平上上。有研研究认为为，氨及及碳氢化化合物是是最有前前途的CCFC、HHCFCC和HFFC的替替代物。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

14、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CCO2跨（超超）临界界循环进进行新一一轮的研研究。ASSHRAAE给出出了一些些可长期期替代RR22的的混合工工质，见见表1。AARI也也推荐了了一些替替代R222的单单工质和和混合工工质，见见表2。 表1 AASHRRAE推推荐的RR22替替代工质质 ASHRRAE命命名混合物组组成质量浓度度R4044AR1255/R1143aa/R1334a44/552/44R4077CR32/R1225/RR1344a23/225/552R4100AR32/R122550/550R4100BR32/

15、R122545/555表2 AARI推推荐的RR22替替代工质质 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

16、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（WLLHP）系系统与地地源热泵泵（GSSHP）系系统有什什么异同同？适用用于什么么场合？ 两者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WWLHPP系统通通常是指指利用冷冷却水塔塔和锅炉炉保持

17、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系统统则通常常是指通通过利用用地下水水、地下下换热系系统、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，WLLHP一一般为分分散式系系统，而而GSHHP既可可为分散散式系统统也可为为集中式式系统。 对于于WLHHP系统统适用于于什么场场合，有有研究认认为，单单纯的供供冷或单单纯的供供热选用用水环路路热泵是是不合理理的；对对同时具具有制冷冷和制热热需要的的空调建建筑，当当其内部部余热量量较小或或较大时时，使用用WLHHP系统统节能效效果不明明显，只只有当机机组排出出的热量量与部

18、分分水源热热泵机组组吸收的的热量相相近时，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WLLHP系系统是否否节能、合合适。一一般地说说，以下下几种情情况可考考虑使用用WLHHP：有低品品位稳定定可靠的的废热可可以利用用；建建筑物内内同时有有制冷和和供热的的需要；制冷量量不大，且且又要求求独立计计量电费费，使用用时间不不一，个个别房间间或区域域经常需需在夜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

19、；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

20、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米米或更深深的湖中中，可提提供100的直直接制冷冷，比地地下埋管管系统投投资要小小，水泵泵能耗较较低，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/冷冷却塔与与地下埋埋管相结结合的混混合型地地源热泵泵系统：适用于于空间小小，不能能单独采采用地下下埋管换换热系统统的建筑筑，冷却却塔和闭闭环式系系统相结结合制冷冷，节

21、省省成本；事实证证明该系系统是高高效率、低低费用的的。 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EPPA的一一份有关关空调未未来的报报告所得得出的结结论：地地源热泵泵技术在在为家庭庭居民带带来舒适适、可靠靠和高效效节能的的同时，将将成为降降低国家家能源消消耗和环环境污染染的一个个主要力力量。据据EPAA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300400的供供热制冷冷空调的的运行费费用。