土壤源热泵在天津某别墅项目的应用及其经济分析

王存艳，侯家涛，郭宏宾

（1.天津奥瑞特环保节能工程技术有限公司，天津大港 300270；2.中国石油大港油田公司电力公司，天津大港 300280）

1 引 言

1912年瑞士学者H.Zoelly在其专利中首次提出了土壤源热泵的概念[1]，但当时土壤源热泵技术没有引起重视，发展缓慢。近年来随着全球能源危机凸显和环境污染的日益严重，土壤源热泵系统以其独特的优点在国内外得到了长足的发展。土壤源热泵 （Ground Source Heat Pump）是一种利用地下浅层土壤源的高效节能空气调节系统。它采用热泵原理，通过输入电能，实现低位热能向高位热能转换的一种技术，能够有效的避免传统制冷、供暖方式带来的能源消耗大、环境污染严重的问题，经济效益和环境效益显著。天津地处渤海之滨，地源温度全年较为稳定，一般维持在10～15℃[2]，且浅层地源资源十分丰富，推广应用土壤源热泵技术具有得天独厚的条件。本文阐述了土壤源热泵系统在天津某别墅项目上的应用，并分析了其经济性，可为土壤源热泵的应用和推广提供参考。

2 项目应用

2.1 工程概况

该项目为某联体别墅中央空调系统工程，位于天津渤海之滨，冬夏季采用地源热泵空调系统制热和制冷，工程总建筑面积25345m2，包括18栋三层的别墅住宅建筑，其中地上建筑面积21426m2，地下建筑面积3919m2。建筑地上部分高9m，地下部分高为3m。该别墅群分A、B、C、D 4种户型。按户型分四种面积，A为313.8m2，B为426m2，C为258.76m2，D为353.8m2（不包括车库）。

2.2 相关气象资料

根据天津的气象资料和国家现行中央空调设计施工规范取天津市气象条件如下：冬季采暖室外计算温度：-9℃；冬季空调室外计算温度：-11℃；夏季空调室外计算温度：33.4℃；夏季空调日平均温度：29.2℃；年平均温度：12.2℃；最大冻土深度：80cm；采暖天数：120天；制冷天数：90天。

2.3 冷热负荷计算

联体别墅室内参数计算温度：冬季：20±2℃；夏季：26±2℃。根据以往的工程惯例，冷热负荷按单位面积估算，单位冷指标取100W/m2，单位热指标取55W/m2，计算得各个户型的冷热负荷，结果如表1所示。

表1 各户型冷热负荷

2.4 系统布置及地埋管换热器的选择

根据以往的工程实践，该项目所处的地理位置及地质条件良好，采用地源热泵空调系统是比较适宜的方案，针对房屋结构和周边环境，空调系统流程布置图如图1所示。通过四通换向阀的转换在不改变系统布置的情况下，可以使该空调系统达到夏天制冷，冬天制热的效果。

图1 地源热泵空调系统流程图

地埋管换热器的布置可分为水平布置和垂直布置，水平布置占地面积大，埋管较浅，垂直布置埋设较深，占地面积少[3]。本项目根据现场具体情况，本着减少占地面积的原则，采用垂直布置方式。地埋管热交换器选用聚乙烯PE管，它是一种高柔性管材，其断裂伸长率一般超过300%，导热系数高，耐化学介质的腐蚀，无电化学腐蚀，保证使用50年以上[4]。该项目垂直布置的热交换器具体参数如表2所示。

表2 地埋管换热器布置参数

2.5 热泵机组的选择

根据表1各个户型的冷热负荷选择热泵机组。对于A户型，其夏季冷负荷为31.38kW，冬季冷负荷为17.26kW。可选用劳特斯生产的LWW100HT/2A型户式地源热泵机组一台，名义制冷量34kW，制冷输入功率7.79kW；名义制热量30kW，制热输入功率10.19kW。根据相同方法可以选择B、C、D户型所适用的机组，具体参数如表3所示。

表3 各户型热泵机组具体参数

2.6 地埋管换热器所需井数计算

地埋管换热器的所需井数是本项目土壤源热泵系统工程设计的重要环节，可通过以下方式确定所需地埋管的井数。对于A户型热泵机组制冷运行向地下土壤释放量所需井数计算如下。

夏季制冷时，地埋管换热器向大地释放的热量为：

其中：

Q冷=热泵LWW100HT/2A的名义制冷量=34 kW

EER=热泵LWW100HT/2A的名义制冷量/制冷输入功率=34/7.79=4.36

其中：

q为每米地埋管与土壤的换热量，取80W/m；

h为孔深，取120m；

N（井数）=Q放÷80÷120≈5（孔）

本研究亦发现SMILE在角膜6～10 mm范围以及取出基质透镜位置的下方角膜光密度值在手术前后差异均有统计学意义，这与张琳等[14]的研究不一致，考虑此差异可能受不同的仪器设备分析软件的影响。

对于A户型冬季制热时，地埋管换热器从大地吸收的热量计算如下：

其中：

Q热=热泵LWW100HT/2A的名义制热量=30 kW

COP=热泵LWW100HT/2A的名义制热量/制热输入功率=30/10.19=2.94

其中：

q为每米地埋管与土壤的换热量，取46W/m；

h为孔深，取120m；

夏季制冷所需井数大于冬季制冷所需井数，则A户型可以按夏季制冷打孔数为计算结果，取5个。对于B、C、D户型同样可以采用上述计算方法得所需的井数，计算结果如表4所示。

表4 各个户型所需的地埋管井数

2.7 地埋管沉沙处理措施

地埋管的使用寿命很长，一般要达到50年以上。由于地埋管使用过程中难免会存在水量损失，需定期进行适量的补水，补充的水量会掺杂少量泥沙等杂质，随着时间的推移泥沙会逐渐沉积到地埋管最底端的U型管处，减缓水的流动，恶化传热效果，严重时堵塞地埋管，达不到换热目的。本工程采用了沉积式U型管装置，可以有效的延缓地埋管堵塞时间，保证了地埋管在使用寿命期内的换热效果。图2为沉积式U型管装置。

如图2所示，距离地埋管的最低端约400mm处设置三通，作为第二水流通道。地埋管90度弯头与三通之间的长度为泥沙沉积段，当泥沙在弯头处沉积较多时，水流仍然可以通过三通进行循环流动，不会产生水流缓慢、不流动的情况，保证了水与土壤之间的换热效果。本装置在实际应用中取得了良好的效果，能有效的减缓地埋管的堵塞。

图2 沉积式U型管

3 与其他空调型式的经济对比分析

为了分析本工程所选方案的初投资和运行费用，笔者根据国内中央空调的应用情况，确定了空气源热泵和风管式分体机组 （多联机）作为参照对象，与本工程的土壤源热泵系统进行分析比较。空气源热泵机组技术成熟，应用广泛，具有较强的代表性。风管式分体机组作为一种新型的节能、环保和便于控制的空调系统，虽然在国内起步较晚，但是发展迅速，已成为中央空调的一个重要选择[5]。以A户型为计算对象，选取了相应的主机类型。

空气源热泵机组型号：LAWM120HT/2（4）B，制冷量 38 kW，制热量 41.8 kW，制冷额定功率11.67 kW，制热额定功率12.88 kW，水流量6.53 m3/h。多联机室外机型号：TWA125，制冷量 33 kW，制热量36.5 kW，制冷额定功率13.3 kW，制热额定功率11.5 kW，冷媒充注量9.7 kg

3.1 地源热泵与其他几种空调型式的初投资对比

初投资作为工程费用的一个重要组成部分，所占份额的大小直接影响项目的整体经济性。虽然本项目的四种户型的冷热负荷的面积不同，设备选择方法、施工运行工艺等都相同，仅对A户型采用土壤源热泵、空气源热泵、水源热泵系统的初投资进行对比。

表5 A户型采用不同方案初投资费用

由表5可以看出上述各种方案中，土壤源热泵的初投资最大，单位面积造价最高，达到191.99元/m2，比空气源热泵高出53.2%，比多联机高出64.4%，所以其初投资不占任何优势。究其原因，相对于其他几种方案，土壤源热泵增加了地埋管的钻孔费用一项，导致初投资较大。

3.2 地源热泵与其他几种空调型式的运行直接费用对比

在空调系统寿命期内的运行费用是消费者十分关心的问题。在地源热泵机组初投资高的基础上是否能在更短时间内收回成本，决定了地源热泵的取舍。下面仅对对A户型采用土壤源热泵系统、空气源热泵系统和多联机系统进行冬夏季运行直接费用分析。电价按天津地区的电价计算。计算结果如表6、表7所示。

表6 A户型夏季制冷期间设备运行直接费用

表7 A户型冬季制热期间设备运行直接费用

由表6可以看出地源热泵系统的夏季运行费用最低，每平方米为11.53元，比空气源热泵系统低25.9%，比多联机系统低13.4%。由表7可以看出地源热泵系统的冬季运行费用也是最低，每平方米16.40元，比空气源系统低13%，比多联机系统低6.3%。综合表6和表7可以看出，在三种方案中，土壤源热泵的年运行费用最低。所以，土壤源热泵系统虽然室外系统较为复杂，初次投资高于其他两种空调系统，但其他两种空调的运行费用高于土壤源热泵系统，从使用寿命和运行费用来考虑土壤源热泵系统经济性最好。

4 结论

（1）以天津地区某别墅项目为代表性建筑，描述了土壤源热泵系统的应用情况。重点阐述了土壤源热泵的冷热负荷计算，地埋管的设计选择，热泵机组型号的确定，地埋管井数的计算以及地埋管沉沙的处理措施，可为此空调系统在类似项目上的应用提供参考。

（2）通过与其他几种空调方案的比较发现土壤源热泵系统虽然初投资高，但是系统运行费用低，没有大气污染，可实现环保零排放。同时，可完全避免其传统空调形式所必需的冷却塔的 “热污染”和 “水雾污染”，对美化建筑周边环境大有益处。天津地处渤海之滨，地源丰富，采用土壤源热泵系统经济效益较为显著，发展前景十分乐观。

[1] 李元旦，张旭.土壤源热泵的国内外研究和应用现状及展望[J].制冷空调与电力机械，2002，85（1）：4-7

[2] 马最良，姚杨，杨自强.水环热泵空调系统设计[M].北京：化学工业出版社，2005

[3] 那威，宋艳，刘俊跃.水平地埋管冬季土壤温度场及换热性能研究[J].煤气与热力，2010，30（4）：10-13

[4] 王勇.地源热泵的技术经济分析[J].建筑热能通风空调，2001（5）：12-13

[5] 宋应乾，范蕊，龙惟定.水冷多联机系统运行性能[J].暖通空调，41（9）：128-132