土壤源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)供冷供熱系統(tǒng)的分析比較

秦小娜 王運(yùn)平

摘 要：土壤源熱泵系統(tǒng)是對(duì)淺層地能進(jìn)行利用的重要方式，可再生能源利用對(duì)于建筑的節(jié)能減排有重大意義。本文以天津市某辦公建筑為例，構(gòu)造了土壤源熱泵供冷供熱系統(tǒng)和電冷機(jī)供冷燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)兩個(gè)方案，分析計(jì)算顯示，土壤源熱泵系統(tǒng)在節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保方面均優(yōu)于常規(guī)能源系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：土壤源熱泵系統(tǒng)；可再生能源；經(jīng)濟(jì)性

1 引言

可再生能源是指在自然界中可以不斷再生、永續(xù)利用的能源，具有取之不盡，用之不竭的特點(diǎn)，主要包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽艿取？稍偕茉磳?duì)環(huán)境無(wú)害或危害極小，而且資源分布廣泛，適宜就地開發(fā)利用。

根據(jù)《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，到2010年和2020年，我國(guó)可再生能源開發(fā)利用量分別相當(dāng)于3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤和6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，可顯著減少煤炭消耗，彌補(bǔ)天然氣和石油資源的不足。初步估算，可再生能源達(dá)到2020年的利用量時(shí)，年發(fā)電量相當(dāng)于替代煤炭約6億噸，沼氣年利用量相當(dāng)于240億立方米天然氣，燃料乙醇和生物柴油年用量相當(dāng)于替代石油約1000萬(wàn)噸，太陽(yáng)能和地?zé)崮艿臒崂孟喈?dāng)于降低能源年需求量約7000萬(wàn)噸的標(biāo)準(zhǔn)煤。可再生能源的開發(fā)利用對(duì)改善能源結(jié)構(gòu)和節(jié)約能源資源將起到重大作用。

土壤源熱泵技術(shù)是應(yīng)用淺層地能的重要技術(shù)方式。地源熱泵是一種利用地球所儲(chǔ)藏的太陽(yáng)能資源作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖制冷空調(diào)系統(tǒng)，地源熱泵是利用清潔可再生能源的一種技術(shù)。地表土壤和水體是一個(gè)巨大的太陽(yáng)能集熱器，所收集的太陽(yáng)輻射能量，比每年利用能量的500倍還多（地下的水體是通過(guò)土壤間接接受太陽(yáng)輻射能量），它又是一個(gè)巨大的動(dòng)態(tài)能量平衡系統(tǒng)，地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發(fā)散的相對(duì)平衡，地源熱泵技術(shù)的成功使用，使得利用儲(chǔ)存于其中的近乎無(wú)限的太陽(yáng)能或地能成為現(xiàn)實(shí)。土壤源熱泵是利用地下常溫土壤溫度相對(duì)穩(wěn)定的特性，通過(guò)深埋于建筑物周圍的管路系統(tǒng)與建筑物內(nèi)部完成熱交換的裝置。冬季從土壤中取熱，向建筑物供暖；夏季向土壤排熱，為建筑物制冷。它以土壤作為熱源、冷源，通過(guò)高效熱泵機(jī)組向建筑物供熱或供冷。

2 工程概況

該建筑位于天津市，建筑面積為4500m2，地上6層，主要為多層辦公，總建筑高度為25.7m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)：外墻0.39W/m·k，外窗2.0 W/m·k，屋面0.42 W/m·k，內(nèi)隔墻0.56 W/m·k。

該建筑建于2008年，冬季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球溫度-11℃，冬季通風(fēng)室外計(jì)算溫度-4℃，夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球溫度33.4℃，夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算濕球溫度26.9℃。室外平均風(fēng)速，冬季3.1m/s，夏季2.6m/s，最大凍土深度0.69m。

室內(nèi)設(shè)計(jì)要求，辦公會(huì)議室內(nèi)夏季26℃，相對(duì)濕度55%，冬季20℃，相對(duì)濕度40%，人員8m2/人；檔案門廳室內(nèi)夏季26℃，相對(duì)濕度55%，冬季18℃。

根據(jù)諧波反應(yīng)法計(jì)算冷負(fù)荷，穩(wěn)定傳熱法計(jì)算熱負(fù)荷。建筑總冷負(fù)荷410kw，冷負(fù)荷指標(biāo)92W/m2，建筑總熱負(fù)荷377kw，熱負(fù)荷指標(biāo)83W/m2。

3 資源概況

天津市處于華北平原東北部，平原區(qū)1 萬(wàn)多平方公里，范圍均覆蓋著200米以上的松散沉積層，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸與海洋過(guò)渡型季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季濕熱多雨，四季冷暖比較分明，恒溫層土壤溫度在13.5℃-15℃之間，這些條件對(duì)于開發(fā)利用淺層地?zé)崮苜Y源是非常有利的。同時(shí)，項(xiàng)目所在地具備燃?xì)夤岬臈l件。

4 冷熱源方案分析

4.1 構(gòu)造兩種冷熱源方案

方案一，土壤源熱泵供冷供熱系統(tǒng)。配置模塊式熱泵機(jī)組兩臺(tái)，單臺(tái)冷量205kw，單臺(tái)制熱量226kw。模塊地源熱泵機(jī)組夏季能效比COP 5.0，冬季能效比cop 4.5。室外設(shè)置土壤埋管換熱器32口，采用雙U型垂直式埋管換熱器；.土壤源熱泵系統(tǒng)的室外部分主要包括垂直埋管換熱器、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結(jié)構(gòu)于室外地坪以下埋設(shè)，由分集水器接至能源站的供、回水干管均在室外直埋敷設(shè)。

方案二，電制冷機(jī)組供冷，燃?xì)忮仩t機(jī)組供熱。配置電制冷機(jī)組兩臺(tái)，單臺(tái)制冷量205kw，燃?xì)忮仩t2臺(tái)，單臺(tái)制熱量226kw，設(shè)置冷卻塔兩臺(tái)，單臺(tái)流量45m3/h。

4.2 兩方案特點(diǎn)

土壤源熱泵供冷供熱系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)如下：優(yōu)點(diǎn)為可再生能源利用，國(guó)家鼓勵(lì)，機(jī)房占地面積較小，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性好，供熱不受季節(jié)限制，現(xiàn)場(chǎng)熱排放強(qiáng)度低；缺點(diǎn)為提高電網(wǎng)峰值負(fù)荷、降低電網(wǎng)效率，需要的埋管面積較大，使用受限，系統(tǒng)初投資較高。

電制冷機(jī)組供冷，燃?xì)忮仩t機(jī)組供熱的常規(guī)形式的系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)如下：優(yōu)點(diǎn)，充分利用市政資源，可靠性高；缺點(diǎn)，提高電網(wǎng)峰值負(fù)荷、降低電網(wǎng)效率，不利燃?xì)夤?yīng)季節(jié)均衡性差，存在泄爆設(shè)施及煙囪，機(jī)房設(shè)置受限，冷卻塔對(duì)景觀有一定的影響。

4.3 經(jīng)濟(jì)性計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

能源價(jià)格：天津采用峰谷電價(jià)政策，一般工商業(yè)電價(jià)峰值1.3297元/kwh，平段0.8575元/kwh，谷段電價(jià)0.4437元/kwh。峰谷時(shí)段劃分：平段7：00-8：00，11：00-18：00，高峰時(shí)段：8：00-11：00，18：00-23：00，低谷時(shí)段：23：00-7：00。燃?xì)鈨r(jià)格，一般工商業(yè)及其他用氣3.47元/m3。

設(shè)備價(jià)格：熱泵機(jī)組0.5元/m2，燃?xì)忮仩t0.3元/m2，土壤換熱器投資及安裝費(fèi)及室外管網(wǎng)10000元/口井，電力增容費(fèi)1280元/kva。

20年壽命周期年均成本LCC=（初投資+運(yùn)行費(fèi)*20）/20

供熱時(shí)間：11月15日至3月15日，供冷時(shí)間：6月1日至9月30日。

（4）計(jì)算結(jié)果

方案一：初投資276元/m2，運(yùn)行費(fèi)31.8元/m2，LCC為45.6元/m2·年。

方案二：初投資203元/m2，運(yùn)行費(fèi)42.5元/m2，LCC為52.6元/m2·年。

土壤源熱泵方案與常規(guī)電制冷燃?xì)忮仩t供冷供熱方案相比，初投資略高，運(yùn)行費(fèi)明顯降低，20年壽命周期年均成本占明顯優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析計(jì)算，土壤源熱泵方案經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于常規(guī)電制冷燃?xì)忮仩t供冷供熱方案。同時(shí)，土壤源熱泵方案屬于可再生能源利用，碳排放顯著降低，對(duì)環(huán)境危害極小，在該地區(qū)適宜推廣運(yùn)用。

參考文獻(xiàn)：

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