地源熱泵與風(fēng)冷熱泵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能比較

0 前言

　　地源熱泵( Ground Source Heat Pump) 技術(shù)是通過(guò)利用高位能, 在冬天, 把蓄存于土壤、地表水、地下水中相對(duì)穩(wěn)定的低位能量轉(zhuǎn)移到需要供熱的空間, 達(dá)到供暖的目的; 在夏天, 像常規(guī)制冷機(jī)組一樣, 將室內(nèi)的余熱轉(zhuǎn)移到低位熱源, 達(dá)到制冷的目的[1], [2]。冬季地源熱泵能代替鍋爐從土壤、地下水或者地表水中取熱, 向建筑物供暖; 夏季它向土壤、地下水或者地表水放熱, 給建筑物降溫; 還能供應(yīng)生活用水。它是一種有效利用可再生能源的方式。

　　土壤作為地源熱泵中的一種熱源, 具有溫度穩(wěn)定、溫度范圍適宜、隨處可得和熱容較大等優(yōu)點(diǎn), 但作為地源熱泵一種重要形式的土壤源熱泵也有其設(shè)備的初投資較高, 對(duì)設(shè)備的安裝調(diào)試有較高要求等問(wèn)題[3]。本文對(duì)地源熱泵進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能分析與運(yùn)行效果驗(yàn)證。

　　1 熱泵系統(tǒng)的技術(shù)性能比較

　　現(xiàn)以上海某空調(diào)公司的辦公樓空調(diào)系統(tǒng)為例, 此辦公樓空調(diào)面積為520 m2, 按冷負(fù)荷指標(biāo)125 W/m2 和熱負(fù)荷指標(biāo)80 W/m2 估算, 其建筑總冷負(fù)荷為65 kW, 建筑總熱負(fù)荷為41.6 kW。以空氣源熱泵為比較參照, 擬分別采用地源熱泵機(jī)組和風(fēng)冷熱泵機(jī)組, 從運(yùn)行條件和技術(shù)性能方面進(jìn)行對(duì)比分析[4]。

　　1.1 運(yùn)行條件比較

　　風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)可用于采暖和空調(diào)制冷, 但機(jī)組常年暴露在室外, 其正常運(yùn)行受環(huán)境的影響很大。當(dāng)室外空氣溫度降低, 其供熱量減小, 特別是當(dāng)空氣溫度低于- 5 ℃時(shí), 熱泵就難以正常工作,需要用電或其他輔助熱源對(duì)空氣進(jìn)行加熱, 熱泵的性能系數(shù)大大降低, 使用壽命縮短。此外, 空氣源熱泵的蒸發(fā)器上容易結(jié)霜, 需要定期除霜。這也損失相當(dāng)多的能量, 一般除霜損失約占熱泵總能耗損失的10.2%。

　　由于地源熱泵是通過(guò)地?zé)釗Q熱器與土壤進(jìn)行換熱, 且土壤的溫度穩(wěn)定、溫度范圍適宜, 所以環(huán)境對(duì)其的運(yùn)行工況影響極小。通過(guò)合理設(shè)計(jì)且機(jī)組間歇運(yùn)行, 土壤溫度將恢復(fù)較快, 系統(tǒng)就能保持較高的制冷或供熱系數(shù)。地?zé)釗Q熱器沒(méi)有運(yùn)動(dòng)元件, 埋在地下的管子經(jīng)久耐用, 從而地源熱泵使用壽命長(zhǎng), 均在20 年左右。另外, 地源熱泵機(jī)組緊湊, 節(jié)省空間, 維護(hù)費(fèi)用低, 自動(dòng)化控制程度高, 可無(wú)人值守。

　　1.2 性能系數(shù)COP 值的比較

　　風(fēng)冷熱泵在運(yùn)行時(shí), 其運(yùn)行參數(shù)受環(huán)境溫度的影響很大, 制冷量/制熱量、耗功率隨環(huán)境溫度變化的關(guān)系如下[5]。

　　Qx=- 0.76tx +88 ( 1)

　　Qd=2.15td +52.2 ( 2)

　　Nx=0.21tx +13.15 ( 3)

　　Nd=0.25td +17.28 ( 4)

　　式中: Qx———制冷量, kW;

　　Qd———制熱量, kW;

　　Nx———制冷時(shí)消耗的功率, kW;

　　Nd———制熱時(shí)消耗的功率, kW;

　　tx———夏季室外溫度,℃;

　　td———冬季室外溫度,℃。

　　根據(jù)公式( 1) ～( 4) , 利用Matlab 軟件擬合出風(fēng)冷熱泵制冷、制熱工況下的COP 曲線(xiàn), 如圖1與圖2。對(duì)于地源熱泵制冷、制熱工況下的COP曲線(xiàn)是根據(jù)上海某地源熱泵空調(diào)參數(shù)擬合而成,如圖3 與圖4。

　　在制冷工況下, 風(fēng)冷熱泵在30～35 ℃運(yùn)行,

　　其COP 值在2.995～3.350; 地源熱泵在10～20 ℃之間運(yùn)行, 其COP 值達(dá)到4.200～4.800。要求熱泵出水溫度為7 ℃, 對(duì)于上海地區(qū)夏季室外設(shè)計(jì)溫度為35 ℃, 風(fēng)冷熱泵的COP 值只有2.995; 上海地區(qū)土壤設(shè)計(jì)溫度為15.6 ℃, 地源熱泵對(duì)應(yīng)的COP 值為4.420。

　　在制熱工況下, 風(fēng)冷熱泵在- 4～10 ℃運(yùn)行, 其COP 值在2.650～3.800; 而地源熱泵還是在10～20℃運(yùn)行, 其COP 值在3.900～4.550。當(dāng)要求熱泵的設(shè)計(jì)出水溫度為50 ℃時(shí), 冬季室外設(shè)計(jì)溫度為-4 ℃( 上海地區(qū)) , 其風(fēng)冷熱泵的COP 值只在2.650 左右; 地源熱泵的運(yùn)行環(huán)境溫度雖沒(méi)變, 但由于土壤溫度與熱泵出水的溫差比制冷時(shí)有很大的提高。從而地源熱泵的性能系數(shù)有一定的下降, 因此對(duì)應(yīng)15.6 ℃的土壤溫度, 地源熱泵的COP 值為4.3。

　　由此看出, 由于運(yùn)行環(huán)境溫度不同, 分別采用

　　風(fēng)冷熱泵和地源熱泵, 性能差異很大。建筑物室內(nèi)外溫差越小, 熱泵的效率越高。采用地源熱泵系統(tǒng), 土壤溫度比室外空氣溫度更接近于室內(nèi)溫度,若設(shè)計(jì)合理, 地源熱泵比風(fēng)冷熱泵具有更高的效率和更好的可靠性。

　　2 熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能比較

　　2.1 初投資比較

　　地源熱泵系統(tǒng)與風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)的區(qū)別主要在于冷熱源部分, 室內(nèi)系統(tǒng)基本一致。對(duì)于風(fēng)冷熱泵系統(tǒng), 冷熱源只有室外的熱泵機(jī)組;對(duì)于地源熱泵系統(tǒng), 冷熱源除了熱泵機(jī)組, 還有地?zé)釗Q熱器。基于這一情況, 比較系統(tǒng)的初投資主要也就是比較冷熱源部分的費(fèi)用。目前, 地下埋管系統(tǒng)的投資為86.7 元/m。2 個(gè)方案的初投資列于表1。

　　2.2 運(yùn)行費(fèi)用比較

　　對(duì)于上述520 m2 建筑的2 種空調(diào)系統(tǒng), 運(yùn)行期間按每天10 h( 上午8: 00～下午6: 00) 計(jì)算, 冬夏季各按120 d 計(jì), 機(jī)組運(yùn)行系數(shù)為0.7。就上海地區(qū), 電價(jià)峰值為0.88 元每度。運(yùn)行費(fèi)用列于表2。

　　熱泵的壽命期取為20 a, 風(fēng)冷熱泵與地源熱泵系統(tǒng)綜合費(fèi)用列于表3。

　　在20 a 使用期內(nèi), 與風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)相比, 地源熱泵系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)方面能節(jié)省32.4%?？梢?jiàn)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種經(jīng)濟(jì)性非常好的技術(shù)。

　　3 運(yùn)行效果測(cè)試分析

　　以上海某空調(diào)公司辦公樓地源熱泵系統(tǒng)為例, 通過(guò)測(cè)試的方式分析地源熱泵運(yùn)行效果。測(cè)試時(shí)間: 從9 月10～24 日。

　　測(cè)試內(nèi)容: ① 室外的干濕球溫度; ②室內(nèi)干濕球溫度與濕度; ③地?zé)釗Q熱器的進(jìn)出口水的溫度, 流速, 流量; ④水泵與地源熱泵機(jī)組的電流與功率; ⑤送風(fēng)與回風(fēng)的風(fēng)速、干濕球溫度。

　　測(cè)試結(jié)果分析: 本次測(cè)試時(shí)間跨度2 周, 室外天氣比較炎熱, 期間只有3 天多云, 一天小雨。平均室外逐時(shí)溫度曲線(xiàn)如圖5 所示。這2 個(gè)星期的平均室外逐時(shí)溫度高值為32 ℃, 出現(xiàn)在下午的14∶00; 本辦公樓空調(diào)18∶00 停機(jī), 此時(shí)室外溫度低為27 ℃。

　　圖6 是地?zé)釗Q熱器的進(jìn)出水的溫度分布曲線(xiàn)。兩周的逐時(shí)平均出水溫度在26.5～28.5 ℃, 早晨剛開(kāi)機(jī)時(shí)的出水溫度較低, 在開(kāi)機(jī)后幾個(gè)小時(shí)內(nèi)溫度一直上升, 大約在11∶30 出水溫度趨于平緩, 在28 ℃左右。進(jìn)水溫度一直在30 ℃以上, 下午達(dá)到了高點(diǎn)36.5 ℃?？梢悦黠@看出, 進(jìn)出水的平均溫差在4 ℃左右。從整體上看, 進(jìn)出水的溫度高于設(shè)計(jì)溫度。這是因?yàn)榈責(zé)釗Q熱器經(jīng)過(guò)一個(gè)夏季的運(yùn)行, 地下埋管周?chē)耐寥谰奂舜罅康臒崃繘](méi)有及時(shí)地?cái)U(kuò)散, 致使土壤溫度高于原始溫度, 這屬正常現(xiàn)象。本系統(tǒng)能保持4 ℃左右的溫差仍符合設(shè)計(jì)要求。

　　從圖7 知, 室內(nèi)的濕球溫度幾乎一直都保持在23 ℃左右, 只是在剛開(kāi)機(jī)階段, 室內(nèi)的濕球溫度偏高。室內(nèi)干球溫度保持在25～30 ℃之間, 室內(nèi)干球溫度從剛開(kāi)機(jī)時(shí)的29 ℃降到10∶00 的26℃, 一直保持到12∶00。高干球溫度30 ℃在室外溫度高時(shí)的14∶00 出現(xiàn)。14∶30 以后室內(nèi)溫度開(kāi)始下降, 直至停機(jī)時(shí)的低溫度25 ℃。同時(shí), 室內(nèi)濕度的變化也非常有規(guī)律, 從開(kāi)機(jī)時(shí)的65%降到53%, 平均室內(nèi)濕度55%?；痉先梭w熱舒適的要求。

　　測(cè)試期間, 9 月12 日和13 日是陰天, 14 日小雨, 15 日又是陰天, 其它的天都比較炎熱。所以圖8 中2 種COP 曲線(xiàn)都從12 日開(kāi)始上升, 14 日地源熱泵COP 值達(dá)到大值3.38, 風(fēng)冷熱泵COP值達(dá)到3.2。15 日的氣溫有所上升, 所以COP 值直線(xiàn)下降。由于前4 天的氣溫相對(duì)較低, 室內(nèi)需要的冷量相對(duì)較少, 土壤的溫度得到了一定程度的恢復(fù), 所以在接下來(lái)的幾天內(nèi)地源熱泵COP 值大約在3.22 左右。再經(jīng)過(guò)四五天高溫, 地?zé)釗Q熱器周?chē)址e聚了一定的熱量沒(méi)有擴(kuò)散出去。從而圖8 中的出水溫度也有所增加, 致使地源熱泵的COP 值都降到3.10 左右。圖8 所給出地源熱泵系統(tǒng)COP 值在3.10～3.38, 由圖3 知, 上海地區(qū)使用地源熱泵系統(tǒng), 夏季制冷的COP 值能達(dá)到4.3。實(shí)際COP 值與理論COP 值有一定的差值。

　　4 結(jié)論

　　從環(huán)保角度看, 地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行不受環(huán)境條件制約, 不會(huì)對(duì)大氣和地下水造成污染, 并且還能充分地利用地下熱源, 另外, 還會(huì)產(chǎn)生附加經(jīng)濟(jì)效益。從技術(shù)角度看, 地源熱泵COP 值比風(fēng)冷熱泵有很大的提高, 具有很好的節(jié)能效果。從綜合經(jīng)濟(jì)性角度看, 在相同的制冷量/制熱量下, 地源熱泵比風(fēng)冷熱泵初投資要大, 但運(yùn)行費(fèi)用很低。在整個(gè)的運(yùn)行壽命期內(nèi), 地源熱泵比風(fēng)冷熱泵的綜合費(fèi)用要少得多。運(yùn)行測(cè)試結(jié)果表明, 一個(gè)已經(jīng)使用了4 a 的地源熱泵, 運(yùn)行良好, 能滿(mǎn)足室內(nèi)舒適度的要求。雖然實(shí)測(cè)的COP 值比理論值小, 但還是高于風(fēng)冷熱泵的COP 值。

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