地源热泵空调系统应用可行性研究

2010-04-14马红军

山西建筑 2010年16期

马红军

1 概念

地热能是地球内部贮存的热能，它包括地球深层由地球本身放射性元素衰变产生的热能及地球浅层由接收太阳能而产生的热能。地源热泵技术是利用地球吸收太阳能和地热能而形成的浅层低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。

2 系统原理

地球表面是一座巨大的天然太阳能集热器和储热库，温度受天气变化影响较大的部分主要集中在地表面至地下10 m之间的区域内，从10 m深度再往下，土壤温度就稳定在当地全年的平均气温了。我国大部分地区这个温度都在15℃左右，如果把这样的温度搬运到地面上来稍做处理，就可成为很好的空调系统，这就是目前浅层地热能利用的主要方式。

3 系统分类

按地热源的种类不同，可分为土壤热泵系统(Ground-Couple Heat Pump，GCHP)、地下水热泵系统(Ground-Water Heat Pump，GWHP)、地表水热泵系统(Surface-Water Heat Pump，SWHP)，土壤热泵的运用范围最为广泛，因此本文主要讨论的是土壤热泵系统。

4 系统构成

地源热泵空调系统的主要构成包括:地热能热泵、地热交换器、膨胀水箱、循环水泵等。

5 应用情况

5.1 发展与推广

1)国外发展与应用。1985年美国全国共有1.4万台地源热泵，而1997年就安装了4.5万台，到2001年为止已安装了40多万台，而且每年以10%的速度稳步增长，其中新建筑占30%。

中北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要是把利用浅层地热资源即地下土壤埋管的地源热泵用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。据1999年统计，在家用的供热装置中，地源热泵所占比例:瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%。

2)国内发展与应用。20世纪90年代开始推广和研究地源热泵系统。从2000年以来，地源热泵的开发利用在全国得到普遍推广，每年以10%～15%的速度增长。

5.2 主要产品品牌

国内做地下水源热泵的品牌很多，但涉及地源热泵还是主要以国外品牌为主:特灵(TRANE)、美意(MAMMOTH)、沃富(WFI)、宜康能(ECONAR)、芬尼克兹(PHNIX)、麦克维尔(MCQUAY)。国内的品牌有清华同方等。

6 应用可行性分析(以上海为例)

6.1 区域适用性

上海地区属于夏热冬冷地区，近几年最热月平均气温已达30.2℃、最冷月平均气温为4.2℃，最冷月与最热月平均相对湿度分别为75%，83%，高于35℃的酷热天气长达半个月到一个月，日平均温度低于5℃的天数长达两个月以上，因此每年传给土壤的冷热量基本相同，其气候条件适合推广地源热泵。

6.2 技术优势

1)可再生能源利用技术。地源热泵是利用地球表面浅层低能资源作为冷热源进行能量的供热制冷空调系统。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使地能成为清洁的可再生能源。2)经济有效的节能技术。地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境温度高，夏季比环境温度低，是很好的冷热源。这种温度特性使得制冷、制热COP系数可达3.5～4.5。3)环境效益显著。替代空气源热泵，没有空调热污染和室外机噪声污染;替代锅炉燃烧供热，没有排放物和废弃物;制冷剂比常规空调减少25%的填充量，属自含式系统，因此制冷剂泄漏几率大为减小。4)采暖、供热及制冷一体化。地源热泵系统可同时分区供暖、制冷，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的配置。5)美化建筑立面。无空调室外机、无冷却塔，不会破坏建筑外立面。

6.3 缺点

1)地下换热器会占用较大地面空间，故该系统仅适用于建筑物周边有较大地面空间的情况。2)负荷侧水路存在渗漏水的威胁。3)地下换热器的施工工艺对系统的稳定性影响较大，因为换热器一旦投入使用将难以维修。

表1 两种常用空调系统与地源热泵机组初期投资比较

6.4 经济成本分析

以下以空调面积为156.6 m2的别墅项目为例，分别配置大金VRV中央空调、美的VRV中央空调这两种常用空调系统与特灵风冷热泵机组、特灵地源热泵机组进行比较，从初期投资和运行成本两方面考虑(配置及报价来自空调公司的方案)。

1)初期投资见表1。2)运行成本见表 2。3)总成本见表3。

表2 运行成本比较

表3 总成本比较

由以上分析可得出以下结论:1)初期投资，地源热泵的初期投资较高，比大金VRV系统高出30%。2)运行成本，地源热泵的运行成本较低，比大金VRV系统节约30%。3)从10年运行的投资总成本来看，地源热泵和大金VRV系统基本接近。

6.5 可行性分析

1)住宅的节能化是必由之路，而地源热泵技术正是其中重要的节能手段之一。因此地源热泵的应用是可以预见的发展趋势。2)从技术上来说，水—水热泵/水—空气热泵是目前应用较为广泛而成熟的技术，而换热器的主要材料HDPE管在生产工艺和使用技术上也已比较成熟，在埋地情况下，使用年限可达50年以上。3)从前面分析可以看出酒店、会所是地源热泵应用较为合适的场所。经过10年甚至更长时间的使用，其较高的投资成本是可以收回的。