两种快速发展的地源热泵的技术经济性对比分析及节能技术

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简介：空调用热泵是当前发展最快的一门技术，也是用于中央空调较理想的冷热源设备。本文介绍了热泵在空调中的应用、发展、种类和两种快速发展的地源热泵的供冷供热原理，根据新国标《地源热泵系统工程技术规范》对比分析了这两种地源热泵的技术经济性、造价、共同优点,以及地下水热泵的弊端，提出了客服其弊端的措施。并论述了地理管热泵的节能技术及其节能潜力。
关键字：地源热泵，地下水热泵，地埋管热泵，节能技术

1 热泵在空调中的应用与发展

　　1.1 热泵在空调中的应用

　　热泵的应用范围非常广泛，既可用于木材、烟叶等的干燥，也可用于印染、啤酒等的工艺生产。当然，热泵用于空调工程则更为有利。因为热泵是能将低品位热源提高为高品位热源的设备，因而近年来发展很快。空调用热泵其实是一种制冷机，是夏季能供冷、冬季能供热的特殊制冷机。空调用热泵能给从事中央空调的技术人员创造施展才能的领域，同时也能为热泵制造企业和施工单位提供无限的商机。正因为空调用热泵是中央空调新兴的一种很好的冷、热源方式——既能夏供冷、又能冬供热，因此近年来在中央空调工程中的应用越来越多，受到人们格外的重视。

　　1.2 常用空调热泵的种类

　　空调用热泵的分类方法很多，诸如按循环原理分类，按吸热放热介质分类，以及按吸热源类型进行分类等。

　　采用按吸热源类型分类法可将常用空调热泵分为如下几类：

　　（1）空气源热泵 ①冷暖空调机、一拖多；

　　②VRV、多联机；

　　③风冷式冷（热）水热泵。

　　（2）水源热泵 ①地下水源热泵（地下水地源热泵，井水源热泵），见图1；

　　②地表水源热泵（江、河、湖泊水源热泵），湖水源热泵见图2；

　　③中水、污水水源热泵；

　　④海水水源热泵。

　　（3）地源热泵（地埋管地源热泵，土壤源热泵、大地耦合式热泵）

　　①竖直埋管式地源热泵，见图3；

　　②水平埋管式地源热泵；

　　③竖直埋管＋水平埋管式地源热泵。

　　（4）水环热泵 ①夏季制冷机与冷却塔运行正常供冷；

　　②冬季设一水箱，将水加热至13℃～15℃，再用热泵升温后供热。

图1 地下水地源热泵　　　　　图2 湖水源热泵　　　　　　图3 地埋管地源热泵

　　1.3 各种空调用热泵的发展前景

　　上述四种热泵在中央空调中均有应用与发展，其中空气源热泵（一般称做风冷式热泵）最早应用于空调中，目前应用范围和数量在不断地增长，尤其当技术发展到在冬季室外气温降至－15℃～-20℃时仍能开机，这就为风冷式热泵创造了无限广阔的应用前景。水环热泵最适宜用于有内、外分区的大型建筑物的外区需供热时，内区因散热量（包括设备与人体、照明等的散热量）无法排除而须同时供冷的环境，因而发展也较快。但其发展速度远赶不上地下水地源热泵（下称地下水热泵）和地埋管地源热泵（下称地埋管热泵）的发展速度。地下水热泵和地埋管热泵是当前发展最快的二种热泵。近年来有如雨后春笋般的突飞猛进的发展，其应用数量与发展速度是其他型式热泵无法比拟的。

2 两种地源热泵的供冷、供热原理

　　地下水热泵和地埋管热泵的供冷、供热原理基本相近，但也有所不同，现做如下分析。

　　2.1 地下水热泵的供冷、供热工作原理

　　地下水热泵须打出深度为80～600m的深井（井深依各地地层结构而异），开采出温度大约为13℃～30℃的井水，井水夏季做为热泵机组冷凝器的冷却水，而冬季则做为热泵机组蒸发器的热源水。为防止地面沉降还须有回灌井。一般在抽水井抽水的同时，还须将用过的井水回灌到另外1～2口与抽水井同含水层的回灌井的地层中去。

　　夏季供冷时，蒸发器产生7℃左右的冷水，供给空调末端设备。在末端设备中吸收热量，水温升至12℃左右再进入蒸发器。而水温为13℃～30℃的地下井水作为冷却水，在冷凝器中吸收热量使水温升高约5℃左右以后回灌到地下，水在渗流过程中又降至13℃～30℃，然后再被抽取上来循环使用。如图4所示。

图4 地下水热泵夏供冷原理　　　　　　　　　图5 地下水热泵冬供热原理

　　冬季供热时，热泵机组中的冷凝器管口与空调末端设备相接，而蒸发器的管口与井水水源系统相接。冬季运行时，用户端的空调循环水，由于吸收了冷凝器的排热而升温，其温度可达45℃～60℃。另外，在水源水系统中水温为13℃～30℃的地下井水由于在蒸发器中失去热量，使水温降低约5℃左右再回灌到地下，水在渗流过程中吸收地下岩土热量，温度又升至13℃～30℃，然后再被抽取上来循环使用。如图5所示。

　　2.2 地埋管热泵的供冷、供热工作原理

　　地埋管热泵与地下水热泵不同的是，须在许多间距为5～8m，深度约为100m～300m左右的井孔中埋入∮32mm的PE管（竖直埋管式）。PE管与机房中的设备相连接，而将水注水PE管系统。运行时水系统为闭路循环，只依靠PE管换热器及管中的循环水与地层岩土的热交换实行夏供冷、冬供热。其运行模式与地下水热泵相近。即夏季供冷时，地源水做为热泵机组的冷却水进出冷凝器，把冷凝热带回地下的PE管换热器中的循环水，使之与岩土进行热交换。与此同时要使热泵机组的蒸发器产出约7℃的冷水达到夏季供冷的效果。而冬季供热时，地源水则做为热泵机组的热源水进出蒸发器，由于放出热量而降低了温度的地源水又回到地下PE管换热器中，并使之与岩土进行热交换。与此同时热泵机组的冷凝器会产出45℃～60℃的热水进行供热。

3 两种地源热泵的环保性与节能性

　　近年来，地下水热泵和地埋管热泵的发展势头迅猛。这是基于它们所具有的一系列共同优点。而最主要的优点是其环保性和节能性。现举天津采用地埋管热泵实施冬季供热、夏季供冷的一项目为例予以说明（建筑面积3700㎡）。

　　3.1环保性

　　（1）地埋管热泵的环保性

　　地埋管热泵冬季供热与燃煤锅炉供热进行比较，可看出地埋管热泵系统冬季运行时能大量减少污染物排放量，使冬季的城市空气更清新。其全年排放量减少值见表1。

　　表1 地埋管地源热泵减少污染物排放量

序号 污染物 减少排放量 /t 1 CO 2 7.5 2 SO 2 0.3 3 烟尘 0.07 4 灰渣 2.9

　　（2）地下水热泵的环保性

　　就环保性而言，地下水热泵与地埋管热泵都具有相同的效果。

　　3.2节能性

　　（1）地埋管热泵的节能性

　　地埋管热泵按夏季供冷期100天，冬季供热期120天进行实测与汇总的数据说明，低运行费的优势很明显，其值见表2。低运行费用说明节约了大量电能。

　　表2 地埋管热泵与常规空调、采暖运行费比较（元/㎡）

序号 项目 地埋管热泵费用 常规空调 / 采暖费用 1 夏供冷 13.35 25.00 ～ 30.00 2 冬供热 14.29 市民 20.00 ，工商 26.00 3 全年合计 27.64 市民 45.00-50.00 ，工商 51.00-57.00

　　注：表中采暖费为天津市2005年收费标准

　　（2）地下水热泵的节能性

　　据2003～2004年夏、冬二季，对天津市运行的6个地下水热泵系统的运行费用调查结果：地下水热泵的夏冬季运行费用合计为28.01元/㎡。可见这两种快速发展的地源热泵的运行费用均很接近，说明节能性均很好。总之，这两种地源热泵都具有共同的优点。

4 两种地源热泵的技术成熟性与造价

　　4.1技术成熟性

　　（1）地埋管热泵的技术成熟性

　　天津已有60余个项目投入运行或施工，小到数百m2，大到数千m2～数万㎡，北京等地区已有数十万㎡建筑物的地埋管热泵工程。说明地埋管热泵工程的设计与施工技术均已成熟。

　　（2）地下水热泵的技术成熟性

　　天津及全国各地的地下水热泵项目比较普遍，施工技术已成熟。但其管理措施和管理水平与新国标《地源热泵系统工程技术规范》的规定相差甚远。下面将进行详细分析。

　　4.2造价

　　两种地源热泵的初投资均比较接近，见表3。并与常规中央空调工程的初投资也相差无几。而地下水热泵的运行与维修费用高于地埋管热泵及常规中央空调工程。

　　表3 地埋管热泵、地下水热泵工程与常规中央空调系统初投资比较（元/m2）

序号中央空调方式地埋管热泵系统地下水热泵系统常规中央空调系统1冷热源设备打井/埋管系统78.0053.00129.002热泵机组及机房辅助设备57.0089.003潜水泵及回灌设备09.704空调末端设备133.00133.00133.005系统总投资268.00284.70262.00

　　注：1、地下水热泵工程打井数量少，但井深，成井工艺复杂，打井费高——每延米约800～1000元。地埋管热泵工程打孔数量多，但孔浅，打孔费低——每延米约50～80元。

　　2、表3数据是根据地埋管热泵与抽灌井数1：1的地下水热泵的实际工程的初投资费折算出的。地下水热泵如将抽灌井数变为1：2，并计入抽水设备费，则初投资还将增加。

　　必须说明，目前市场出现无序竞争，有些施工单位将初投资一降再降，这种超低价拼搏，必定会造成工程质量下降，这是不可取的。

5 地下水热泵的弊端

　　地下水热泵虽与地埋管热泵具有共同的诸多优点，而且技术成熟性与造价也基本相近，但对照新国标的强制性条文，看出地下水热泵工程很难落实强制性条文。

　　5.1 新国标的强制性条文

　　2006年1月1日生效的新国标GB50366-2005《地源热泵系统工程技术规范》第5.1.1条为强制性条文。强制性条文规定，地下水热泵的“地下水换热系统应根据水文地质勘查资料进行设计。必须采取可靠回灌措施，确保置换冷量或热量后的地下水全部回灌到同一含水层，并不得对地下水资源造成浪费及污染。系统投入运行后，应对抽水量、回灌量及其水质进行定期监测”。

　　5.2 地下水热泵的5大弊端

　　对照新国标，其中许多内容目前很难贯彻执行。因而使地下水热泵工程成为实际难以执行强制性条文的“不规范工程”。

　　地下水热泵的主要弊端有五方面:

　　（1）回灌措施难落实 虽然要求要回灌，但实际上只有号召，却无管理单位监管执行，更无可靠措施和处罚制度，回灌与否和用户经济效益无直接关系，因而很多用户并不重视回灌工作，实际上回灌流于形式。

　　（2）抽水量大于回灌量 政府部门大多按抽灌井数1：1审批地下水热泵工程的打井。新国标规定在抽水井开泵抽水的同时必须要将全部抽出的水向回灌井进行回灌，而实际的回灌量很难达到抽水量。在抽灌井数1:1的情况下，大多回灌量仅为抽水量的20％～50％，有的甚至不回灌，而最大也只不过60％～80％。

　　（3）地面沉降 抽水多，回灌少，必然造成地面沉降，而地面沉降将影响城市建筑物的变形与稳定，并将破坏地下水管网，这也是对大自然和地球的严重破坏。以天津为例，天津海拔仅3.3m，如不加控制，地面连续沉降，加之全球温室效应使海水面不断上升，这一升一降，若干年后天津是否有沉入渤海湾的可能？来源:www.civilcn.com

　　（4）水资源浪费 回灌井一方面不可能把开采的水全部灌入地层而排入下水道，而且回灌措施中必须要进行回扬，回扬水也排入下水道，从而形成了水资源的浪费。

　　（5）地下水污染 回灌水在地面受到污染（管网的铁锈、垢层，设备的油污，空气的污染等），再灌入地层，也就污染了地下水。

6 克服井水源热泵诸多弊端的措施

　　6.1 措施之1——设计、施工与运行方面必须解决十大参数值

　　为克服地下水热泵诸多弊端，有人提出了地下水热泵在设计、施工与运行方面必须解决的十大参数值，以确保井水源热泵达到新国标规定，且高效运行。

　　（1）井水温度 15℃～30℃。

　　（2）井距、井深 井距40～50m，井深应确保水温参数。

　　（3）深井出水量 井水量不应取该地区同类井抽水量的最大值，而应比平均水量小5%～10%。以确保热泵系统必须的水量。

　　（4）回灌井数 抽水井与回灌井配比应为1:2（但目前大多为1:1），否则不可能达到所要求的回灌量，当然，这样初投资会大幅度增加，用户难以接受。

　　（5）灌抽水量比 新国标规定回灌量要达到100%，即使抽灌井数1:2也难达到100％（因回扬水要排放掉），但最小也应不小于抽水量的98%以上。

　　（6）回扬操作 应坚持定期回扬，时间可为1～7天，并要设专人按回扬技术进行操作。

　　（7）抽水用潜水泵检修 为确保地下水热泵系统的正常运行，应0.5～1年检修一次。

　　（8）抽水量衰减值 三年内衰减量应不大于20%，否则应采取修井措施或补打新井。

　　（9）地面沉降 三年内应不大于5cm（应由地质部门和审批打井的部门监测管理）。

　　（10）地下水污染 为使不将污染的水灌入地层，回灌水应加装化学加药水处理装置，以达到原地下水质指标（建议由审批打井的部门管理）。

　　如不能做到上述十大参数值，也就达不到新国标的强制性条文的规定，然而要做到十大参数值指标，也并非容易，特别是要落实4～10条，还要增加很多费用，增设测试监管仪器和执法人员，建立一些行之有效的制度和条例法规。这些要涉及到政府众多职能部门，如建工局、地矿局、水利局、打井办、节水办、供热办等，可见难度之大。

　　6.1 措施之2——多发展地埋管热泵工程

　　如上所述，地埋管热泵在具有与地下水热泵共同优点的同时，不存在地下水热泵的一系列弊端，因为地埋管热泵不取用地下井水，而是真正的闭路循环，因而不会产生回灌问题及地面沉降、水资源浪费和地下水污染等一系列问题。因此说今后应大力推广地埋管热泵工程项目，而应限制达不到新国标强制性条文规定的地下水热泵工程的发展。

7 地埋管热泵的节能技术及尚待研究的问题

　　从以上分析可看出今后大力发展地埋管热泵应是大方向。为此，对开发地埋管热泵的节能技术，进一步挖掘地埋管热泵的节能潜力就更令人关注。

　　7.1 地埋管热泵的节能技术与节能潜力

　　（1） 按冬季热负荷设计地埋管热泵埋管换热器，夏季增设一些冷却塔散热，减少夏季排入地层的热量，以求得取、排热量的平衡，以及减少初投资与运行能耗。

　　（2） 夏季不将冷凝器的排热量全部排入地层，而是用部分冷凝器排热量加热生活用卫生热水。使卫生热水无须再使用加热能源。

　　（3） 地埋管热泵系统间歇运行，换热量可增加5％，如图6、图7所示。

图6 间歇运行管壁温度测试结果　　　　　图7 地埋管换热器每米埋深换热量

　　地埋管热泵在冬季供热时，结合实际供热需求及热泵机组的运行状况，采用间歇运行技术，可以弥补地埋管换热缓慢的不足，恢复换热管壁及管中水的温度，提高综合效率。

　　由图6可以看出，间歇运行对恢复换热管壁温度是十分有利的。如运行初始管壁温度为12℃，运行5h(300min)后停机，管壁温度降至约9.7℃。停机5h（运行300＋停机300＝600min）后，管壁温度恢复到11.8℃（仅比初始温度低0.2℃）。再开机5h（600+300＝900min）以满足用户的供热需求，而后又停机10h（900+600＝1500min）后，管壁温度即恢复到初始的12℃,从而为下一循环开机运行提供较好的换热条件。这一实验表明，在该项工程中以24～25h(约1500min)即约一天为一周期，进行间歇运行供热是可行的，而且是节能的。节能效果可从图7所示每米埋管换热量的实测加以验证。

　　图7表明了间歇运行和连续运行的地埋管换热量的变化曲线。长曲线为连续运行状况，短曲线为间歇运行状况。可见间歇运行换热量明显大于连续运行换热量。当连续运行200～400min（约3～7h）时，换热量由34w/m逐渐降为27.9w/m.随着运行时间的延长，岩土温度下降，换热量也随即下降，当连续运行1400min（约24h）后，换热量下降到26.5 w/m。而如采用间歇运行方式，停机期间地温得到恢复（见图6），换热量最低可保证到27.9 w/m。

　　（4） 太阳能——地埋管热泵节能系统

　　1） 我国太阳能资源分布

　　我国太阳能资源非常丰富，分布地域也很广，其全年日照时数为：西北高原2800～3200h h，华北平原3000～3200h，东北、中原、华东地区2200～3000h，湖广、江浙地区1400～2200h，川贵地区1000～1400h。可见我国大陆2/3以上疆土的年日照时数均在2000h以上，如此丰富的太阳能资源，就为中央空调利用可再生能源，实现与地埋管热泵配套的节能工程，奠定了良好的基础条件。

　　2） 工程实例

　　天津港理货场太阳能——地埋管热泵工程。该工程利用免费的可再生能源—太阳能地埋管热泵系统为三座建筑物夏供冷、冬供热，其建筑面积分别为293、236、162㎡，该工程于2005年二季度竣工， 7月份供冷运行时的实测室温为25℃，节能效果明显。

　　7.2 地埋管热泵尚待研究的问题

　　（1）地质结构与不同深度地温的关系；

　　（2）单位管长换热量及其变化；

　　（3）夏冬季取、排热量不平衡问题等。

　　参考文献

　　[1]首届中国制冷空调工程节能应用新技术研讨会（天津）论文集，P31～35、P97～101，2006

　　[2]全国空调与热泵节能技术交流会（大连）论文集，P28、P36、P54～55、P296～297， 2005

　　[3] 何青，地源热泵——具有可持续发展的绿色空调技术，天津：天津制冷暖通学术年会论文集，2004

　　[4] 张燕立、何耀东、张新发，浅谈地源热泵空调设计， 天津：天津制冷暖通学术年会论文集，2004

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　　[7]张早校等，制冷与热泵，北京：化学工业出版社，2000

　　[8]大连葆光等生产企业产品样本