土壤源热泵系统与常规供冷供热系统的分析比较

秦小娜 王运平

摘 要：土壤源热泵系统是对浅层地能进行利用的重要方式，可再生能源利用对于建筑的节能减排有重大意义。本文以天津市某办公建筑为例，构造了土壤源热泵供冷供热系统和电冷机供冷燃氣锅炉供热系统两个方案，分析计算显示，土壤源热泵系统在节能、经济、环保方面均优于常规能源系统。

关键词：土壤源热泵系统；可再生能源；经济性

1 引言

可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利用的能源，具有取之不尽，用之不竭的特点，主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。可再生能源对环境无害或危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用。

根据《可再生能源中长期发展规划》，到2010年和2020年，我国可再生能源开发利用量分别相当于3亿吨标准煤和6亿吨标准煤，可显著减少煤炭消耗，弥补天然气和石油资源的不足。初步估算，可再生能源达到2020年的利用量时，年发电量相当于替代煤炭约6亿吨，沼气年利用量相当于240亿立方米天然气，燃料乙醇和生物柴油年用量相当于替代石油约1000万吨，太阳能和地热能的热利用相当于降低能源年需求量约7000万吨的标准煤。可再生能源的开发利用对改善能源结构和节约能源资源将起到重大作用。

土壤源热泵技术是应用浅层地能的重要技术方式。地源热泵是一种利用地球所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖制冷空调系统，地源热泵是利用清洁可再生能源的一种技术。地表土壤和水体是一个巨大的太阳能集热器，所收集的太阳辐射能量，比每年利用能量的500倍还多（地下的水体是通过土壤间接接受太阳辐射能量），它又是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散的相对平衡，地源热泵技术的成功使用，使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能成为现实。土壤源热泵是利用地下常温土壤温度相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统与建筑物内部完成热交换的装置。冬季从土壤中取热，向建筑物供暖；夏季向土壤排热，为建筑物制冷。它以土壤作为热源、冷源，通过高效热泵机组向建筑物供热或供冷。

2 工程概况

该建筑位于天津市，建筑面积为4500m2，地上6层，主要为多层办公，总建筑高度为25.7m。围护结构传热系数：外墙0.39W/m·k，外窗2.0 W/m·k，屋面0.42 W/m·k，内隔墙0.56 W/m·k。

该建筑建于2008年，冬季空气调节室外计算干球温度-11℃，冬季通风室外计算温度-4℃，夏季空气调节室外计算干球温度33.4℃，夏季空气调节室外计算湿球温度26.9℃。室外平均风速，冬季3.1m/s，夏季2.6m/s，最大冻土深度0.69m。

室内设计要求，办公会议室内夏季26℃，相对湿度55%，冬季20℃，相对湿度40%，人员8m2/人；档案门厅室内夏季26℃，相对湿度55%，冬季18℃。

根据谐波反应法计算冷负荷，稳定传热法计算热负荷。建筑总冷负荷410kw，冷负荷指标92W/m2，建筑总热负荷377kw，热负荷指标83W/m2。

3 资源概况

天津市处于华北平原东北部，平原区1 万多平方公里，范围均覆盖着200米以上的松散沉积层，属于暖温带半湿润大陆与海洋过渡型季风气候，冬季寒冷干燥，夏季湿热多雨，四季冷暖比较分明，恒温层土壤温度在13.5℃-15℃之间，这些条件对于开发利用浅层地热能资源是非常有利的。同时，项目所在地具备燃气供热的条件。

4 冷热源方案分析

4.1 构造两种冷热源方案

方案一，土壤源热泵供冷供热系统。配置模块式热泵机组两台，单台冷量205kw，单台制热量226kw。模块地源热泵机组夏季能效比COP 5.0，冬季能效比cop 4.5。室外设置土壤埋管换热器32口，采用双U型垂直式埋管换热器；.土壤源热泵系统的室外部分主要包括垂直埋管换热器、水平集管、分集水器井室及供回水干管。分集水器井室采用混凝土结构于室外地坪以下埋设，由分集水器接至能源站的供、回水干管均在室外直埋敷设。

方案二，电制冷机组供冷，燃气锅炉机组供热。配置电制冷机组两台，单台制冷量205kw，燃气锅炉2台，单台制热量226kw，设置冷却塔两台，单台流量45m3/h。

4.2 两方案特点

土壤源热泵供冷供热系统优缺点如下：优点为可再生能源利用，国家鼓励，机房占地面积较小，系统经济性好，供热不受季节限制，现场热排放强度低；缺点为提高电网峰值负荷、降低电网效率，需要的埋管面积较大，使用受限，系统初投资较高。

电制冷机组供冷，燃气锅炉机组供热的常规形式的系统优缺点如下：优点，充分利用市政资源，可靠性高；缺点，提高电网峰值负荷、降低电网效率，不利燃气供应季节均衡性差，存在泄爆设施及烟囱，机房设置受限，冷却塔对景观有一定的影响。

4.3 经济性计算的基础数据

能源价格：天津采用峰谷电价政策，一般工商业电价峰值1.3297元/kwh，平段0.8575元/kwh，谷段电价0.4437元/kwh。峰谷时段划分：平段7：00-8：00，11：00-18：00，高峰时段：8：00-11：00，18：00-23：00，低谷时段：23：00-7：00。燃气价格，一般工商业及其他用气3.47元/m3。

设备价格：热泵机组0.5元/m2，燃气锅炉0.3元/m2，土壤换热器投资及安装费及室外管网10000元/口井，电力增容费1280元/kva。

20年寿命周期年均成本LCC=（初投资+运行费*20）/20

供热时间：11月15日至3月15日，供冷时间：6月1日至9月30日。

（4）计算结果

方案一：初投资276元/m2，运行费31.8元/m2，LCC为45.6元/m2·年。

方案二：初投资203元/m2，运行费42.5元/m2，LCC为52.6元/m2·年。

土壤源热泵方案与常规电制冷燃气锅炉供冷供热方案相比，初投资略高，运行费明显降低，20年寿命周期年均成本占明显优势。

5 结语

通过上述分析计算，土壤源热泵方案经济性优于常规电制冷燃气锅炉供冷供热方案。同时，土壤源热泵方案属于可再生能源利用，碳排放显著降低，对环境危害极小，在该地区适宜推广运用。

参考文献：

[1] GB 50736-2012.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].

[2] 于化伦，戴昕，地源热泵技术经济分析，新能源与绿色建筑，2001

[3] 李轶，孙震，王文礼，地源热泵经济性研究，《山东建筑大学学报》，2003（1）：23～26.