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)是通過利用高位能, 在冬天, 把蓄存于土壤、地表水、地下水中相對穩(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, 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, 對設(shè)備的安裝調(diào)試有較高要求等問題[3]。本文對地源熱泵進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能分析與運行效果驗證。

　　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組和風(fēng)冷熱泵機組, 從運行條件和技術(shù)性能方面進(jìn)行對比分析[4]。

　　1.1 運行條件比較

　　風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)可用于采暖和空調(diào)制冷, 但機組常年暴露在室外, 其正常運行受環(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, 熱泵就難以正常工作,需要用電或其他輔助熱源對空氣進(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)境對其的運行工況影響極小。通過合理設(shè)計且機組間歇運行, 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熱器沒有運動元件, 埋在地下的管子經(jīng)久耐用, 從而地源熱泵使用壽命長, 均在20 年左右。另外, 地源熱泵機組緊湊, 節(jié)省空間, 維護(hù)費用低, 自動化控制程度高, 可無人值守。

　　1.2 性能系數(shù)COP 值的比較

　　風(fēng)冷熱泵在運行時, 其運行參數(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———制冷時消耗的功率, kW;

　　Nd———制熱時消耗的功率, 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, 如圖1與圖2。對于地源熱泵制冷、制熱工況下的COP曲線是根據(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 ℃運行,

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

　　在制熱工況下, 風(fēng)冷熱泵在- 4～10 ℃運行, 其COP 值在2.650～3.800; 而地源熱泵還是在10～20℃運行, 其COP 值在3.900～4.550。當(dāng)要求熱泵的設(shè)計出水溫度為50 ℃時, 冬季室外設(shè)計溫度為-4 ℃( 上海地區(qū)) , 其風(fēng)冷熱泵的COP 值只在2.650 左右; 地源熱泵的運行環(huán)境溫度雖沒變, 但由于土壤溫度與熱泵出水的溫差比制冷時有很大的提高。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。對于風(fēng)冷熱泵系統(tǒng), 冷熱源只有室外的熱泵機組;對于地源熱泵系統(tǒng), 冷熱源除了熱泵機組, 還有地?zé)釗Q熱器?；谶@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用。目前, 地下埋管系統(tǒng)的投資為86.7 元/m。2 個方案的初投資列于表1。

　　2.2 運行費用比較

　　對于上述520 m2 建筑的2 種空調(diào)系統(tǒng), 運行期間按每天10 h( 上午8: 00～下午6: 00) 計算, 冬夏季各按120 d 計, 機組運行系數(shù)為0.7。就上海地區(qū), 電價峰值為0.88 元每度。運行費用列于表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%。可見地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種經(jīng)濟(jì)性非常好的技術(shù)。

　　3 運行效果測試分析

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

　　測試內(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。

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

　　圖6 是地?zé)釗Q熱器的進(jìn)出水的溫度分布曲線。兩周的逐時平均出水溫度在26.5～28.5 ℃, 早晨剛開機時的出水溫度較低, 在開機后幾個小時內(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36.5 ℃。可以明顯看出, 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)計溫度。這是因為地?zé)釗Q熱器經(jīng)過一個夏季的運行, 地下埋管周圍的土壤聚集了大量的熱量沒有及時地擴散, 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, 只是在剛開機階段, 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)干球溫度從剛開機時的29 ℃降到10∶00 的26℃, 一直保持到12∶00。高干球溫度30 ℃在室外溫度高時的14∶00 出現(xiàn)。14∶30 以后室內(nèi)溫度開始下降, 直至停機時的低溫度25 ℃。同時, 室內(nèi)濕度的變化也非常有規(guī)律, 從開機時的65%降到53%, 平均室內(nèi)濕度55%。基本符合人體熱舒適的要求。

　　測試期間, 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 曲線都從12 日開始上升, 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 值直線下降。由于前4 天的氣溫相對較低, 室內(nèi)需要的冷量相對較少, 土壤的溫度得到了一定程度的恢復(fù), 所以在接下來的幾天內(nèi)地源熱泵COP 值大約在3.22 左右。再經(jīng)過四五天高溫, 地?zé)釗Q熱器周圍又積聚了一定的熱量沒有擴散出去。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)運行不受環(huán)境條件制約, 不會對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, 但運行費用很低。在整個的運行壽命期內(nèi), 地源熱泵比風(fēng)冷熱泵的綜合費用要少得多。運行測試結(jié)果表明, 一個已經(jīng)使用了4 a 的地源熱泵, 運行良好, 能滿足室內(nèi)舒適度的要求。雖然實測的COP 值比理論值小, 但還是高于風(fēng)冷熱泵的COP 值。

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