地源熱泵系統能源技術評估摘要：地源熱泵空調系統以高效節能、環境污染小，運行穩定可靠等優點為節能和環保提出了一個新的發展方向。本文介紹了地源熱泵系統的原理，通過案例對地源熱泵系統進行分析，并提出了采用輔助冷卻的地源熱泵系統，進一步提高效率，達到節能的目的。關鍵詞：地源熱泵效率輔助冷卻熱經濟性Abstract:Thegroundsourceheatpumpair-conditioningsystemhasprovidedanewdevelopingdirectionforenergyefficiencyandenvironmentalprotectiontechnologywithitsadvantagessuchashighefficiency,lowenvironmentpollution,stablerunning,etc.Inthisarticle,theauthorillustratesthemechanismoftheGSHPtechnology,analyzestheexergyefficiencyofGSHPthroughonecaseandprovidessupplementheatrejecteronGSHP.Itwillimprovetheexergyefficiencyfurthertoachievethegoalofenergysaving.Keywords: groundsourceheatpump exergyefficiencysupplementheatrejecter Thermo-economics1?研究背景隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供熱和空調已經成為普遍的需求。在發達國家，供熱和空調的能耗可占到社會總能耗的25%?30%。據統計，我國歷年建筑能耗在總能耗中的比例是19%?20%左右，平均值為19.8%。其中，用于暖通空調的能耗約占建筑能耗的85%［1］。熱泵是通過做功使熱量從溫度低的介質流向溫度高的介質的裝置。建筑的空調系統一般應滿足冬季的供熱和夏季制冷兩種相反的要求。傳統的空調系統通常需分別設置冷源（制冷機）和熱源（鍋爐）。建筑空調系統由于必須有冷源（制冷機），如果讓它在冬季以熱泵的模式運行，則可以省去鍋爐和鍋爐房，不但節省了初投資，而且全年僅采用電力這種清潔能源，大大減輕了供暖造成的大氣污染問題。采用熱泵技術為建筑物供熱可大大降低供熱的燃料消耗，不僅節能，同時也大大降低了燃燒礦物燃料而引起的CO2和其他污染物的排放。熱泵利用的低溫熱源如表1-1（以武漢為例）［2］所示。熱泵按照所用的熱源可分為空氣源熱泵、地表水源熱泵、地下水源熱泵、土壤源熱泵等。其中的地表水源熱泵、地下水源熱泵、土壤源熱泵由于都是利用儲存于地下的太陽能，故統稱為地源熱泵。表1-1熱源的評價準則熱源種類地下水土壤地表水空氣太陽能熱源溫度最高22242838最低1294-4溫度與氣候的關系幾乎可忽略不計隨所在深度不同而略有時延時間上有延遲，甚至可結冰完全有關巨大是否隨時可得幾乎無限制冬天土壤的單位熱負荷可達很大有限制，嚴寒時水溫低，甚至結冰受限制，在外界溫度較低時，通常為雙聯性能差

運轉是否隨處可得受到嚴格控制，需要當局許可取決于土壤塊的大小和位置受到強烈限制無限制取決于可安置集熱器的屋頂或墻面地源熱泵系統2.1地源熱泵系統的原理以建筑物空調（包括供熱和制冷）為目的的熱泵系統有許多種，例如有利用建筑通風系統的熱量（冷量）的熱回收型熱泵和應用于大型建筑內部不同分區之間的水環熱泵系統等。這里主要討論利用周圍環境作為空調冷熱源的熱泵系統。就其性質來分，國外的文獻通常把它們分為空氣源熱泵（Air-SourceHeatPump，ASHP）和地源熱泵（Ground-SourceHeatPump，GSHP）兩大類。[3]季的室外溫度，又低于夏季的室外溫度，因此地源熱泵可克服空氣源熱泵的技術障礙，且效率大大提高。此外，冬季通過熱泵把大地中的熱量升高溫度后對建筑供熱，同時使大地中的溫度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通過熱泵把建筑物中的熱量傳輸給大地，對建筑物降溫，同時在大地中蓄存熱量以供冬季使用。這在地源熱泵系統中大地起到了蓄能器的作用，進一步提高了空調系統全年的能源利用效率。[4]障礙，且效率大大提高。此外，冬季通過熱泵把大地中的熱量升高溫度后對建筑年的能源利用效率。[4]冷凝器冷凝器壓縮機X節流裝詈蒸發器地源熱交換這里研究的主要為地源熱泵。地源熱泵利用大地（土壤、地層、地下水）作為熱源。由于較深的地層中在未受干擾的情況下常年保持恒定的溫度，遠高于冬季的室外溫度，又低于夏季的室外溫度，因此地源熱泵可克服空氣源熱泵的技術I供熱，同時使大地中的溫度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通過熱泵把建筑物中的熱量傳輸給大地，對建筑物降溫，同時在大地中蓄存熱量以供冬季季的室外溫度，又低于夏季的室外溫度，因此地源熱泵可克服空氣源熱泵的技術障礙，且效率大大提高。此外，冬季通過熱泵把大地中的熱量升高溫度后對建筑供熱，同時使大地中的溫度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通過熱泵把建筑物中的熱量傳輸給大地，對建筑物降溫，同時在大地中蓄存熱量以供冬季使用。這在地源熱泵系統中大地起到了蓄能器的作用，進一步提高了空調系統全年的能源利用效率。[4]障礙，且效率大大提高。此外，冬季通過熱泵把大地中的熱量升高溫度后對建筑年的能源利用效率。[4]冷凝器冷凝器壓縮機X節流裝詈蒸發器地源熱交換圖2_1 地源熱泵系統示意圖2.2地源熱泵系統的優點節能。地表或地表淺層地熱資源的溫度一年四季相對穩定，是很好的熱泵冷、熱源。這種溫度特性使得地源熱泵系統比傳統空調系統運行效率要高40%?60%[5]，因此要節能和節省運行費40%?60%左右。此外，地能溫度較恒定的特性，使熱泵機組運行更為可靠、穩定，保證了系統的高效性和經濟性。利用可再生能源，緩解能源危機。地源熱泵是利用了地球表面淺層地熱資源(通常小于400m深)作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統。地表淺層地熱資源可以稱之為地能，地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽所散發的到地球上的能量，比人類每年利用能量的500倍還多，它不受地域資源等限制，這種儲存于地表淺層并類似十一種無限的可再生能源，使得地能成為清潔的可再生能源的一種形式。對環境的污染減少。地源熱泵對環境的污染大大減少，污染物的排放，與空氣源熱泵相比，相當于減少了40%以上，如結合其他節能措施，節能減排量會更明顯，顯然也采用了制冷劑，但比常規空氣裝置減少了25%的充灌量，裝置運行幾乎沒有任何污染，沒有燃燒，沒有排煙，也無廢棄物。不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量，可以極大的改善其它空調方式CO2的排放。自動運行。地源熱泵機組由于工況穩定，所以可設計簡單系統，部件較少，機組運行簡單可靠，維護費用低；機組使用壽命長，主機部件均在15[4]年以上；機組緊湊、節省空間；自動控制程度高，可無人值守。分析方法3.1.1熱量Eq=C1_y]<?0其中：三二一熱量kW；廠一環境絕對溫度K；『一系統絕對溫度K；0—系統放出熱量kW3.1.2冷量其中：二二一冷量kW；廠:一環境絕對溫度K；■"—系統絕對溫度K；—系統放出熱量kW3?1?3穩流工質熱Teth=cPm[(7_%)_旳血阮]其中：j—單位工質穩定流動的熱 kW/Kg；「「：一廠和廠范圍內的平均比熱Kj/KgK；「一環境絕對溫度K；『一穩流工質的絕對溫度K3.1.4系統獲得系統所獲得的為進出系統得到穩流工質熱差占=LX（s捕-召二）其中：：一穩流工質的流量Kg/h；—.—單位穩流工質的進口 KW；；,—單位穩流工質的出口 KW3.2系統效率進入系統的火用、離開系統的火用及系統總火用損應該遵循守恒原則。對給定的系統，進入系統的火用應等于離開系統的火用與系統總火用損之和，也即：i=l j=l h-1其中:匸三-.—進入系統n股之和；工：1-三；一系統輸出m股之和；-：：-：~：;—系統所有內部和外部損之和由于系統存在內部和外部損，所以存在總效率“=.，：，即有：收益Exergy之和代價Fxer^yZ和3.3兩個子系統分析以只有一股輸入火用流和一股產品火用流的兩個子系統為例建立熱經濟學模型，如圖3-3示意其火用流和資金流的流向，按代數模式建立熱經濟平衡方程和產品火用成本價格數學表達式。[6]系統I 系統H圖3T筒單子系統示意圖3.3.1子系統I的熱經濟平衡方程q阻+G=%%其中:三匚—輸入流；三丄I，.—傳遞流；二一單位輸入成本；一單位傳遞成本；子系統I的年度化成本3.3.2子系統II的熱經濟平衡方程

其中：三匸?:一傳遞流；二—產品流；二二一單位產品成本；Q—單位傳遞成本；子系統II的年度化成本有兩式可得，單位產品成本為：如果所獲得的產品火用是用以銷售盈利的，則單位產品火用成本加上其它管理費、稅金再加上利潤就是產品火用的市場價格。暫將單位產品火用的成本G定義為產品火用成本價格二貝V：2 —。一匚汀三，丄^ex由上式可知，由于任何子系統的火用效率都是介于0和1之間的值，而且非能量費用年度化成本又是累積值，只會越來越大，因此產品火用成本價格了永遠大于單位輸入能量火用價格二。這說明系統不同部位的火用成本不同，且趨勢是遞增的；也說明火用在經濟上是不等價的。造成這種火用成本遞增的因素有兩個：一是能量因素，即能量轉換過程是不可逆的；二是非能量因素，即非能量費用遞增。4?地源熱泵系統模型案例分析egP呂夏季制冷工況冬季供暖工況egP呂夏季制冷工況冬季供暖工況圖4-1地源熱泵系統熱經濟學模型[7,8]案例[9]:某辦公樓建筑，地上五層，地下一層，總的空調面積為8000m2,需要解決夏季空調制冷，冬季供暖問題，全年保持室溫在18-25C。按負荷指標法計算，冷負荷指標和熱負荷指標分別為100W/m2和70W/m2，可以大概估算其建筑總的冷負荷為800kW,建筑總的熱負荷為560kW。地源熱泵系統方案：選用水源熱泵機組一臺。室內、外循環水泵各一臺。工況設備型號數量熱泵機組單臺制冷/熱量(kW)室外循環泵功率(kW)室內循環泵功率(kW)耗電量(kW)制冷工況MSRB80198011.511.5178.8供熱工況MSRB801111611.511.51001.夏季空調工況該工況下，對地源熱泵系統和風冷熱泵系統進行冷火用流計算，以室外大氣環境為基準，地區夏季室外平均溫度為302K，室內空調設計溫度為298K。水的平均比熱為C=4.2kJ/Kg。三==27.5kW;室內循環水泵功率:三二：=11.5kW;地源熱泵總的消耗功率:三J=178.8kW;室外循環水泵功率:三二.r=11.5kW;產品:三丄譏=：.二—：遼：=12.5kW空調工況下地源熱泵的效率為:二6.19%2.冬季供暖工況以室外大氣環境為基準環境，地區冬季空調室外設計干球溫度為261K,室內空調設計溫度為293K。水的平均比熱為C=4.2kJ/Kg。C,.=28.7kW;室內循環水泵功率:三兀：.：=11.5kW;地源熱泵總的消耗功率:h：,.；=100kW;室外循環水泵功率:三匚_=11.5kW;產品三—二-：-^；C：=121.9kW供暖工況下地源熱泵的火用效率為:nh2=「EX血+EX圈+附心一入'%由以上計算結果可得出：空調工況下，效率比較低，地源熱泵為6.19%，提高的比率很小，所以提高效率是比較困難的；供暖工況下，地源熱泵系統則達到了99.1%,效率很高。可見使用地源熱泵系統進行供暖，損很少。夏季熱泵的損很大，提高熱泵技術的效率頗為重要。不少文獻也提到了利用冷卻塔輔助冷卻地源熱泵系統的技術。在氣候炎熱地區或是大型的商業或公共建筑的熱泵系統上附加冷卻塔，使其和地下埋管換熱器聯合運行，進行輔助冷卻，有助于熱泵機組效率的提高和初投資的降低。5.夏季制冷改進措施當建筑以冷負荷為主時，若完全依靠地源熱泵來供冷，則地下埋管換熱器和熱泵機組的初投資均比較高，熱泵系統的循環效率也較低。采用輔助冷卻復合地源熱泵系統，可有效降低系統投資，提高系統的運行節能效果。在部分負荷時，完全依靠地源熱泵供冷，在峰值負荷或冷負荷較大時，啟用輔助冷卻裝置，使輔助冷卻裝置和地源熱泵機組聯合運行。[10]圖5.1輔助冷卻地源熱泵示意圖地源熱泵系統初投資相對較高，主要在于鉆井費用較高，所以盡量減少鉆孔長度并且能夠滿足冷負荷要求是降低系統初投資的主導思想。用冷卻塔輔助地源熱泵是一種好的方法，地下埋管換熱器的長度按照冬季較小的負荷來確定，夏季未能由埋管承擔的排熱量由冷卻塔來承擔。這種系統形式的初投資主要是增加了冷卻塔的費用，但是卻大大減少了地下埋管的費用。在夏季，熱泵運行費用中增加了輔助系統水泵和風機的能耗費用。但是由于輔助系統有助于地源熱泵機組效率的提高，所以熱泵壓縮機的能耗降低。系統在夏季運行時，由于增加了輔助冷卻裝置，機組的效率有所提高，運行費用下降，但是同時系統增加了輔助設備如風機，水泵等運行費用。27.50 2年6 8 10 12 14 *6系統疋行別角M年圖5.2復合地源熱泵系統隨運行時間變化的費用比較由圖可見，輔助比例為20%和30%的系統的多年運行總費用比單獨熱泵系統的總費用低，而且沒有超過單獨熱泵系統總費用的趨勢，輔助比例為50%的系統的總費用在系統運行若干年后會超過單獨熱泵系統的總費用。在多年運行后，大輔助比例系統的總費用會超過小輔助比例系統的總費用。分析表明，各系統年運行費用方面的差異會在系統運行總費用方面起到決定性的作用，圖線的斜率代表各個系統的年運行費用，對于輔助冷卻系統來說，輔助比例偏大，導致系統年運行費用大于單獨熱泵系統的年運行費用，如果輔助冷卻熱泵在經濟上的優勢將在未來系統運行的幾年內消失，則輔助冷卻熱泵就是不經濟的。如果輔助比例過大，系統的年運行費用將大幅上漲（如圖5.2），曲線的斜率加大，則進一步加快了這一過程。從系統運行總費用（初投資+n年運行費用）方面考慮，在不同的使用年限內，對各個系統的經濟性要做具體地分析，一般來說短期的運行輔助比例大的系統占優，長期運行時，則要求輔助冷卻熱泵系統的年運行費用至少等于單獨熱泵系統的年運行費用，這時這種冷卻輔助比例的系統才會有經濟上的優勢。6.結語地源熱泵系統由于是利用地下水（土壤）作為空調冷熱源，它在節能和環保之間找到了一個恰當的位置，而成為了當前備受矚目的一種新興的綠色技術。供暖工況下，地源熱泵系統效率達到了99.1%，空調工況下，地源熱泵效率為6.19%，極具節能潛力。采用輔助冷卻復合地源熱泵系統，可以減少地源熱泵在夏季制冷的能耗，提高熱泵的經濟性。與采用常規空調系統（如風冷熱泵）的建筑物相比較，采用地源熱泵系統的建筑物的綠色水平等級較高。地源熱泵系統是一種符合可持續發展要求的綠色空調技術。由此可見，無論從經濟上還是從技術角度分析，它都是值得大力推廣與應用的。參考文獻錢普華,地源熱泵系統經濟性分析,2003.李芬容,地源熱泵系統的熱經濟性分析,2006,華中科技大學.Martin,M.A.A.,M.G.%AHughes,P.J.%D%IAmericanSocietyofHeating,Refrigerating,I.Air-ConditioningEngineers,Atlanta,GA,andT.OakRidgeNationalLab.,Comparingmaintenancecostsofgeothermalheatpump