地源熱泵與傳統(tǒng)供暖方式的經(jīng)濟(jì)性比較
2007-12-31 00:00:00李新茹
成才之路 2007年24期
摘要：地源熱泵是利用地表淺層土壤能量(地下水、土壤或地表水)作為冬季熱泵熱源供暖和夏季冷源進(jìn)行空調(diào)的系統(tǒng). 熱泵采暖的優(yōu)點(diǎn)是無污染、清潔、環(huán)保、可持續(xù)利用而且造價較低，缺點(diǎn)是對地質(zhì)條件或自然條件要求較為嚴(yán)格。本文重點(diǎn)側(cè)重于地源熱泵供暖與傳統(tǒng)供暖方式，如燃煤、燃油和天然氣鍋爐進(jìn)行供暖經(jīng)濟(jì)性的比較。利用常規(guī)供暖對工程樓進(jìn)行常規(guī)供暖設(shè)計，對于工程樓進(jìn)行熱負(fù)荷計算，之后再根據(jù)熱負(fù)荷進(jìn)行水利計算，以及總投資成本和運(yùn)行成本計算。最后，將常規(guī)供暖與地源熱泵進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較。
關(guān)鍵詞：地源熱泵；常規(guī)供暖；經(jīng)濟(jì)性；熱負(fù)荷；水利計算
我國具有豐富的水資源與土壤資源，這使采用熱泵供暖成為可能。熱泵采暖即地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)是一種利用含有大量能源的土壤或地下水作為吸熱或排熱的熱交換器，實現(xiàn)空氣調(diào)節(jié)的系統(tǒng)；當(dāng)多數(shù)熱泵在制熱模式時，就從土壤或地下水中吸收熱量，當(dāng)多數(shù)熱泵在制冷模式時，就將熱量排放在土壤或地下水中。土壤或地下水提供了一個絕好的免費(fèi)的能量存儲源泉。熱泵采暖具體分為地下水水源熱泵、地表水水源熱泵、土壤源熱泵采暖三種方式。熱泵采暖的優(yōu)點(diǎn)是無污染、清潔、環(huán)保、可持續(xù)利用而且造價較低，缺點(diǎn)是對地質(zhì)條件或自然條件要求較為嚴(yán)格。這種采暖方式可在符合條件的地區(qū)進(jìn)行廣泛推廣。
一、 地源熱泵
(一) 地源熱泵技術(shù)的概念和工作原理
地源熱泵是利用地表淺層土壤能量(地下水、土壤或地表水)作為冬季熱泵熱源供暖和夏季冷源進(jìn)行空調(diào)的系統(tǒng)。
通常地源熱泵消耗1kW的能量，用戶可以得到5kW以上的熱量或4kW以上冷量，所以我們將其稱為節(jié)能型空調(diào)系統(tǒng)。
與鍋爐(電、燃料)供熱系統(tǒng)相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70%～90%的燃料內(nèi)能為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省二分之一以上的能量;由于地源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為10～25℃，其制冷、制熱系數(shù)可達(dá)3.5～4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運(yùn)行費(fèi)用為普通中央空調(diào)的50～60%。因此，近十幾年來，尤其是近五年來，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在北美如美國、加拿大及法國、瑞士、瑞典等國家取得了較快的發(fā)展，中國的地源熱泵市場也日趨活躍，可以預(yù)計，該項技術(shù)將會成為21世紀(jì)最有效的供熱和供冷空調(diào)技術(shù)。
(二) 地源熱泵特點(diǎn)
1. 屬可再生能源利用技術(shù)。地源熱泵是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源(通常小于400米深)作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層地?zé)豳Y源可以稱之為地能(Earth Energy)，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地?zé)崮芏N(yùn)藏的低溫位熱能。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽能量，比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。這種儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源，使得地能也成為清潔的可再生能源一種形式。
2. 屬經(jīng)濟(jì)有效的節(jié)能技術(shù)。地能或地表淺層地?zé)豳Y源的溫度一年四季相對穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高40%，因此要節(jié)能和節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用40%左右。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。
據(jù)美國環(huán)保署EPA估計，設(shè)計安裝良好的地源熱泵，平均來說可以節(jié)約用戶30%～40%的供熱制冷空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用。
3. 環(huán)境效益顯著。地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少40%以上，與電供暖相比，相當(dāng)于減少70%以上，如果結(jié)合其他節(jié)能措施節(jié)能減排會更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規(guī)空調(diào)裝置減少25%的充灌量；屬自含式系統(tǒng)，即該裝置能在工廠車間內(nèi)事先整裝密封好，因此，制冷劑泄漏幾率大為減少。該裝置的運(yùn)行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量。
4. 一機(jī)多用，應(yīng)用范圍廣。地源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)；可應(yīng)用于賓館、辦公樓、商場、學(xué)校等建筑，更適合于別墅住宅的采暖、空調(diào)。
此外，機(jī)組使用壽命長，均在15年以上；機(jī)組緊湊、節(jié)省空間；維護(hù)費(fèi)用低；自動控制程度高，可無人值守。
當(dāng)然，像任何事物一樣，地源熱泵也不是十全十美的，如其應(yīng)用會受到不同地區(qū)、不同用戶及國家能源政策、燃料價格的影響；一次性投資及運(yùn)行費(fèi)用會隨著用戶的不同而有所不同；采用地下水的利用方式，會受到當(dāng)?shù)氐叵滤Y源的制約。
下面將對工程樓進(jìn)行常規(guī)供暖設(shè)計計算。
二、 工程樓常規(guī)供暖設(shè)計
1. 熱負(fù)荷計算略。
2. 工程樓常規(guī)供暖水利計算略。
3. 工程樓常規(guī)供暖成本計算略。
三、 工程樓常規(guī)供暖和地源熱泵成本比較
工程樓總建筑面積為：20403m3
1. 地源熱泵的初投資為400萬元，8小時的運(yùn)行費(fèi)用為5分/m3
2. 如果使用燃?xì)忮仩t初投資為3304439.34元
運(yùn)行費(fèi)用：天然氣為1.6元/m3 發(fā)熱量為8400kcal/m3
系統(tǒng)效率為0.8
每小時所需天然氣量為：2*597484/（8400*0.8）=177.8m3
每小時運(yùn)行費(fèi)用為：177.8*1.6=284.5元
8小時運(yùn)行費(fèi)用為：284.5*8=2276元
8小時每平方米費(fèi)用為：2276/20403=10.6分/m2
3. 如果使用燃煤鍋爐初投資為3304439.34元
運(yùn)行費(fèi)用：煤為220元/噸 發(fā)熱量為5000kcal/kg
系統(tǒng)效率為0.6
每小時所需燃煤量為：2*597484/（5000*0.6）=398.32kg
每小時運(yùn)行費(fèi)用為：398.32*220/1000=87.6元
8小時運(yùn)行費(fèi)用為：87.6*8=700.8元
8小時每平方米費(fèi)用為：700.8/20403=3.43分/m2
四、由以上計算和分析過程得到以下結(jié)論
1. 從初投資來看，地源熱泵為400萬元，而常規(guī)供暖只需330多萬元，常規(guī)供暖從初投資方面來說有著其初投資小的優(yōu)勢，當(dāng)然，具體采用何種供暖方式則應(yīng)視預(yù)算初資額而定。
2. 從運(yùn)行費(fèi)用看，天然氣運(yùn)行費(fèi)用為10.6分/m2，高于地源熱泵的5分/m2，由此可見，從運(yùn)行費(fèi)用來說，地源熱泵有著其優(yōu)勢。
3. 另外，從運(yùn)行費(fèi)用看，天然氣運(yùn)行費(fèi)用高于地源熱泵，但是如果使用燃煤鍋爐運(yùn)行費(fèi)用則為3.43分/m2低于地源熱泵。我們必須看到環(huán)保問題，由于燃煤對環(huán)境造成污染，對小型燃煤鍋爐使用受到限制。
4. 綜合初投資和運(yùn)行費(fèi)用，將地源熱泵，燃?xì)夤┡济汗┡M(jìn)行綜合比較，我們會得到以下結(jié)論：我們所設(shè)計的常規(guī)供暖適合于采用集中供暖，如果位于市區(qū)，可以采用燃?xì)夤┡@樣可以再利用燃?xì)夤径?jié)省鍋爐方面的初投資。如果位于郊區(qū)，或環(huán)境自身凈化能力強(qiáng)的地區(qū)，可以采用燃煤供暖，因為這樣采用大型集中供暖，運(yùn)行成本將會更低，另外，也便于對產(chǎn)生的廢氣、廢渣進(jìn)行處理。
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