埋管式地源熱泵系統(tǒng)介紹-成本-運(yùn)行費(fèi)用.doc

一、地源熱泵系統(tǒng)簡(jiǎn)介0 引言“熱泵”這一術(shù)語(yǔ)是借鑒“水泵”一詞而來(lái)。在自然環(huán)境中，水往低處流動(dòng)，熱向低溫位傳遞，水泵將水從低處“泵送”到高處利用。而熱泵可將低溫位熱能“泵送”（交換傳遞）到高溫位提供利用。在我國(guó)暖通空調(diào)術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)（GB5015502）中，對(duì)“熱泵”的解釋是“能實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器和冷凝器功能轉(zhuǎn)換的制冷機(jī)”。我們也可以稱熱泵為既可以制冷又可以供熱的機(jī)組。熱泵的分類多種多樣，國(guó)際上通常根據(jù)熱泵的熱匯：即冷源和熱源的不同，以及供暖和制冷輸送介質(zhì)的不同進(jìn)行熱泵分類。當(dāng)按冷源和熱源分類時(shí)，可分為空氣源熱泵、水源熱泵、地源熱泵三大類。由于輸送冷、熱量的介質(zhì)主要為空氣和水，當(dāng)同時(shí)考慮冷、熱源的輸送介質(zhì)時(shí)，就形成了：空氣水熱泵、水空氣熱泵（包括地下水熱泵和地表水熱泵）、水水熱泵、以及地下耦合熱泵。地源熱泵（GSHP）是一個(gè)廣義的術(shù)語(yǔ)，它包括了使用土壤、地下水和地表水作為熱源和冷源的熱泵系統(tǒng)。即：地下耦合熱泵系統(tǒng)，也叫地下熱交換器地源熱泵系統(tǒng)、地下水熱泵系統(tǒng)、地表水熱泵系統(tǒng)。地源熱泵還有一系列其他術(shù)語(yǔ)：如地?zé)釤岜谩⒌啬軣岜?、地源系統(tǒng)等。1997年之后由ASHAE統(tǒng)一為標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ) ：地源熱泵（ground-source heat pump，GSHP）。00 空氣源熱泵空氣源熱泵以室外空氣作為熱源。在供熱工況下將室外空氣作為低溫?zé)嵩?，從室外空氣中吸收熱量，?jīng)熱泵提高溫度送入室內(nèi)供暖?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)簡(jiǎn)單，初投資較低?？諝庠礋岜玫闹饕秉c(diǎn)是在夏季高溫和冬季寒冷天氣時(shí)熱泵的效率大大降低。而且，其制熱量隨室外空氣溫度降低而減少，這與建筑負(fù)荷需求正好相反。因此當(dāng)室外空氣溫度低于熱泵工作的平衡點(diǎn)溫度時(shí)，需要用電或其它輔助熱源對(duì)空氣進(jìn)行加熱。此外，在供熱工況下空氣源熱泵的蒸發(fā)器上會(huì)結(jié)霜，需要定期除霜，這也消耗大量的能量。在寒冷地區(qū)和高濕度地區(qū)熱泵蒸發(fā)器的結(jié)霜成為較大的技術(shù)障礙。在夏季高溫天氣，由于其制冷量隨室外空氣溫度升高而降低，同樣可能導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。空氣源熱泵不適用于寒冷地區(qū)，應(yīng)用受到很大局限。01地下水源熱泵地下水源熱泵系統(tǒng)的熱源是從水井或廢棄的礦井中抽取的地下水。經(jīng)過(guò)換熱的地下水可以排入地表水系統(tǒng)，但對(duì)于較大的應(yīng)用項(xiàng)目通常要求通過(guò)回灌井把地下水回灌到原來(lái)的地下水層。最近幾年地下水源熱泵系統(tǒng)在我國(guó)得到了迅速發(fā)展。但是，應(yīng)用這種地下水熱泵系統(tǒng)也受到許多限制。首先，這種系統(tǒng)需要有豐富和穩(wěn)定的地下水資源作為先決條件。因此在決定采用地下水源熱泵系統(tǒng)之前，一定要作詳細(xì)的水文地質(zhì)調(diào)查，并先打斟測(cè)井，以獲取地下溫度、地下水深度、水質(zhì)和出水量等數(shù)據(jù)。地下水熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與地下水層的深度有很大的關(guān)系。如果地下水位較低，不僅成井的費(fèi)用增加，運(yùn)行中水泵的耗電將大大降低系統(tǒng)的效率。此外，雖然理論上抽取的地下水將回灌到地下水層，但目前國(guó)內(nèi)地下水回灌技術(shù)還不成熟，在很多地質(zhì)條件下回灌的速度大大低于抽水的速度，從地下抽出來(lái)的水經(jīng)過(guò)換熱器后很難再被全部回灌到含水層內(nèi)，造成地下水資源的流失。此外，即使能夠把抽取的地下水全部回灌，怎樣保證地下水層不受污染也是一個(gè)棘手的課題。水資源是當(dāng)前最緊缺、最寶貴的資源，任何對(duì)水資源的浪費(fèi)或污染都是絕對(duì)不允許的。目前由于對(duì)環(huán)保和使用地下水的規(guī)定和立法越來(lái)越嚴(yán)格，地下水源熱泵的應(yīng)用已逐漸減少。02地表水水源熱泵地表水水源熱泵系統(tǒng)的熱源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江河湖海等大量自然水體的地方，利用這些自然水體作為熱泵的低溫?zé)嵩词侵档每紤]的一種空調(diào)熱泵的形式。當(dāng)然，這種地表水熱泵系統(tǒng)也受到自然條件的限制，由于地表水溫度受氣候的影響較大，與空氣源熱泵相似，當(dāng)環(huán)境溫度越低時(shí)熱泵的供熱量越小，雖環(huán)保但并不節(jié)能，在實(shí)際工程中應(yīng)用較少。03地下熱交換器地源熱泵地下熱交換器地源熱泵又叫土壤熱交換器地源熱泵。該系統(tǒng)是把傳統(tǒng)空調(diào)器的冷凝器或蒸發(fā)器直接埋入地下，使其與大地進(jìn)行熱交換，或是通過(guò)中間介質(zhì)（通常是水）作為熱載體，并使中間介質(zhì)在由高強(qiáng)度塑料管組成的封閉環(huán)路中循環(huán)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與大地土壤進(jìn)行熱交換的目的。也就是說(shuō)，該系統(tǒng)是以大地為熱源對(duì)建筑物進(jìn)行空調(diào)的技術(shù)。冬季通過(guò)熱泵將大地中的低位熱能提高品位對(duì)建筑供暖，同時(shí)儲(chǔ)存冷量，以備夏用；夏季通過(guò)熱泵將建筑內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下，對(duì)建筑物進(jìn)行降溫，同時(shí)儲(chǔ)存熱量，以備冬用。大地提供了一個(gè)絕好的免費(fèi)能量存貯源泉，這樣就實(shí)現(xiàn)了能量的季節(jié)轉(zhuǎn)換。正是由于地源熱泵系統(tǒng)采用了大地這一特殊的熱源體，與廣泛采用的空氣源熱泵相比，它的季節(jié)平均性能系數(shù)高，尤其在極端氣候條件下仍能保持較高的性能系數(shù)，空調(diào)效果不受室外氣溫的影響，運(yùn)行穩(wěn)定可靠；不向建筑外大氣環(huán)境排放廢冷或廢熱，有利于環(huán)保；室外換熱器埋在地下，不存在冬季除霜問(wèn)題，節(jié)省了除霜所耗的電能；無(wú)室外機(jī)，不影響建筑外立面美觀。由于地源熱泵系統(tǒng)采用的是可再生的地?zé)崮?，可兼顧建筑物在不同季?jié)的供熱和供冷的需要，具有技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)以及節(jié)能、環(huán)保和可持續(xù)性發(fā)展的優(yōu)點(diǎn)，因此國(guó)際上將地下蓄能技術(shù)和高效熱泵同時(shí)列入21世紀(jì)最有發(fā)展前途的50項(xiàng)新技術(shù)之中。一 地源熱泵發(fā)展概況地源熱泵（GSHP）的概念最早出現(xiàn)在1912年瑞士的一份專利文現(xiàn)中。20世紀(jì)50年代，歐洲和美國(guó)開(kāi)始了研究地源熱泵的第一次高潮。但在當(dāng)時(shí)能源價(jià)格低，這種系統(tǒng)并不經(jīng)濟(jì)，因而未得到推廣。直到上世紀(jì)70年代，石油危機(jī)和日益惡化的環(huán)境把人們的注意力集中到節(jié)能、高效益用能和環(huán)境保護(hù)上時(shí)，使地源熱泵的研究進(jìn)入了又一次高潮，最近20年在歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家取得了迅速的發(fā)展，已成為一項(xiàng)成熟的應(yīng)用技術(shù)。在美國(guó)地源熱泵系統(tǒng)占整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的20%，是美國(guó)政府極力推廣的節(jié)能、環(huán)保技術(shù)。為了表示支持這種新技術(shù)，美國(guó)總統(tǒng)布什在他的得克薩斯州的官邸中也安裝了這種地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)（見(jiàn)2001年5月28日參考消息）。截止1985年全國(guó)共有14，000臺(tái)地源熱泵，而1997年就安裝了45，000臺(tái)，其中有超過(guò)3萬(wàn)臺(tái)在家庭、學(xué)校和商場(chǎng)中應(yīng)用。到目前為止已安裝了400，000臺(tái)，而且每年以10%的速度穩(wěn)步增長(zhǎng)。美國(guó)地源熱泵工業(yè)已經(jīng)成立了由美國(guó)能源部、環(huán)保署、愛(ài)迪遜電力研究所及眾多地源熱泵廠家組成的地源熱泵協(xié)會(huì)，該協(xié)會(huì)在近年中將投入一億美元從事開(kāi)發(fā)、研究和推廣工作。計(jì)劃每年安裝40萬(wàn)臺(tái)的目標(biāo)，能降低溫室氣體排放一百萬(wàn)噸，相當(dāng)于減少50萬(wàn)輛汽車的污染物排放或種植樹(shù)一百萬(wàn)英畝，年節(jié)約能源費(fèi)用4、2億美元。瑞典、瑞士、奧地利、德國(guó)等國(guó)家主要利用淺層地?zé)豳Y源，地下土壤埋管的地源熱泵，用于室內(nèi)地板輻射供暖及提供生活熱水。據(jù)1999年的統(tǒng)計(jì)，為家用的供熱裝置中，地源熱泵所占比例：瑞士為96%，奧地利為38%，丹麥為27%。在我國(guó)由于能源價(jià)格的特殊性以及其它一些因素的影響，地源熱泵技術(shù)發(fā)展比較緩慢，人們對(duì)之尚不十分了解，推廣較困難，然而隨著人們生活水平的提高，人均能耗的增長(zhǎng)，一次性礦物能源的日益衰竭以及環(huán)境的日趨惡化，地源熱泵技術(shù)已越來(lái)越引起人們的重視?？萍既?qǐng)?bào)2000年2月12日3版刊登有關(guān)中美簽署地源熱泵示范工程合作協(xié)議的報(bào)道，標(biāo)志著我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)推廣地源熱泵技術(shù)。在目前節(jié)能和環(huán)保的潮流下，該技術(shù)以其特有的節(jié)能性和穩(wěn)定性受到行業(yè)的矚目，國(guó)內(nèi)許多院校、科研所作了大量的應(yīng)用研究。國(guó)家建設(shè)部在夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中專門作了推薦。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅在北京2004年施工并投入運(yùn)行的地源熱泵系統(tǒng)空調(diào)工程占全年空調(diào)工程保有量的2/3以上。可以預(yù)見(jiàn)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們節(jié)能、環(huán)保意識(shí)的日益提高，地源熱泵作為一種節(jié)能、環(huán)保的綠色空調(diào)設(shè)備適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展要求，在中國(guó)必將有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。二 土壤熱交換器地源熱泵系統(tǒng)工作原理1工作原理：地源熱泵空調(diào)的心臟是一個(gè)“熱泵”（制冷、供熱）。供暖時(shí)，它吸取地?zé)嵯蛴脩襞欧牛诉^(guò)程只消耗少量電能，如圖1所示。制冷時(shí)，它吸取用戶室內(nèi)的熱量向地下排放，同樣也消耗少量熱能，如圖2所示2 機(jī)組運(yùn)行過(guò)程：冬天熱泵中制冷劑正向流動(dòng)，壓縮機(jī)排出的高溫高壓R22氣體進(jìn)入冷凝器向集水器中的水放出熱量，相變?yōu)楦邷馗邏旱囊后w，再經(jīng)熱力膨脹閥節(jié)流降壓變?yōu)榈蜏氐蛪旱囊后w進(jìn)入蒸發(fā)器，從地下循環(huán)液中吸取低溫?zé)岷笙嘧優(yōu)榈蜏氐蛪旱娘柡驼羝筮M(jìn)入壓縮機(jī)吸氣端，由壓縮機(jī)壓縮排出高溫高壓氣體完成一個(gè)循環(huán)。如此循環(huán)往復(fù)將地下低溫?zé)崮堋鞍徇\(yùn)”到集水器，從而不斷的向用戶提供45-50的熱水。如圖3所示。夏天熱泵中制冷劑逆向流動(dòng)，與用戶換熱的冷凝器變?yōu)檎舭l(fā)器從集水器中的低溫水（7-12）提取熱能，與地下循環(huán)液換熱的蒸發(fā)器變?yōu)槔淠飨虻叵卵h(huán)液排放熱量，循環(huán)液中熱量再向地下低溫區(qū)排放，如此循環(huán)往復(fù)連續(xù)地向用戶提供7-12的冷水。3土壤熱交換器埋管形式：地下埋管換熱器主要有兩種形式，即水平埋管和垂直埋管。選擇哪種形式取決于現(xiàn)場(chǎng)可用地表面積、當(dāng)?shù)貛r土類型以及鉆孔費(fèi)用。盡管水平埋管通常是淺層埋管，可采用人工開(kāi)挖，初投資比垂直埋管小些，但它的換熱性能比豎埋管小很多，并且往往受可利用土地面積的限制，所以在實(shí)際工程應(yīng)用中，一般都采用垂直埋管。（見(jiàn)圖4）三 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)1利用可再生能源，環(huán)保效益高：地源熱泵從淺層常溫土壤中吸熱或向其排熱，淺層土壤之熱能來(lái)源于太陽(yáng)能，它永無(wú)枯竭，是一種可再生能源，所以當(dāng)使用地源熱泵時(shí)，其土壤熱源可自行補(bǔ)充，持續(xù)使用。機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)廢氣污染物排放，不會(huì)產(chǎn)生城市熱島效應(yīng)，對(duì)環(huán)境非常友好，是理想的綠色環(huán)保產(chǎn)品。2高效節(jié)能，運(yùn)行費(fèi)用低：在制熱時(shí)，地源熱泵可將土壤中的熱能“搬運(yùn)”到室內(nèi)，其能量70%來(lái)自土壤，制熱系數(shù)高達(dá)3.54.5。即輸入1KW的電量可以得到3.5 4.5KW以上的制冷制熱量。運(yùn)行費(fèi)用每年每平方米僅為1518元，比常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)低40%50%，比空氣熱泵低30%40%。 3節(jié)水省地：1）以土壤為熱載體，向其放出熱量或吸收熱量，不消耗水資源，不會(huì)對(duì)其造成污染。2）省去了鍋爐房及附屬煤場(chǎng)、儲(chǔ)油房、冷卻塔等設(shè)施，機(jī)房面積大大小于常規(guī)設(shè)備）3）埋管可埋在車庫(kù)、停車場(chǎng)、花園、操場(chǎng)等下面，不占用使用面積4靈活多用：制冷、供熱兼提供生活熱水，真正做到一機(jī)三用。2）由于機(jī)組占地面積小，可靈活安置，系統(tǒng)末端也可作多種選擇。5行安全穩(wěn)定，可靠性高：地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行中無(wú)燃燒設(shè)備，因此不可能產(chǎn)生二氧化碳、一氧化碳之類的廢氣，也不存在丙烷氣體，因而也不會(huì)有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)，使用安全。燃油、燃?xì)忮仩t供暖，其燃燒產(chǎn)物對(duì)居住環(huán)境污染極重，影響人們的生命健康。由于土壤深處溫度非常恒定，主機(jī)吸熱或放熱不受外界氣候影響，運(yùn)行工況比較穩(wěn)定，優(yōu)于其它空調(diào)設(shè)備。不存在空氣源熱泵除霜和供熱不足，甚至不能制熱的問(wèn)題。土壤源熱泵地下?lián)Q熱管路采用高密度聚乙烯塑料管，使用壽命長(zhǎng)達(dá)50年以上，可與建筑物壽命相當(dāng).空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)部件少，使用壽命可達(dá)到20年以上。四 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的社會(huì)效益地源熱泵機(jī)組制冷、供暖所需能量3/4左右來(lái)自地下，另外1/4左右來(lái)自電力輸入，從而減少一次性的礦物能源消耗；不向室外排冷、熱風(fēng)，減少熱島效應(yīng)。1999年10月7日科技日?qǐng)?bào)報(bào)道，目前我國(guó)個(gè)人能源消費(fèi)水平向高消費(fèi)方向傾斜，溫室氣體排放量已居世界第二，隨著空氣熱泵空調(diào)的普及，空調(diào)的實(shí)際使用效果正在逐年下降，這是因?yàn)榭照{(diào)裝機(jī)容量的增加，空調(diào)局部熱島效應(yīng)交叉干擾的結(jié)果。普通空調(diào)雖然是一個(gè)單臺(tái)容量不大的能源裝置，但由于它量大面廣，宏觀的構(gòu)成了分布于城市的能源體系，這個(gè)生活能源體系也是構(gòu)成許多大城市大氣環(huán)境污染的關(guān)鍵因素。安裝普通空調(diào)，需安裝室外機(jī)，對(duì)辦公樓、宿舍樓整體外觀影響較大，落水問(wèn)題很難解決，安裝地源熱泵空調(diào)則不存在這些問(wèn)題。因此，在大城市的重大建筑物中，地源熱泵的應(yīng)用已引起人們的廣泛興趣。能源和環(huán)保是人類生存和發(fā)展的兩大主題，是全球關(guān)注的問(wèn)題。建筑節(jié)能是貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，是執(zhí)行國(guó)家節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境基本國(guó)策的重要措施。建筑節(jié)能以供熱采暖和空調(diào)能耗為主，因此建筑節(jié)能應(yīng)放在采暖和降溫能耗上。地源熱泵空調(diào)是一種使用可再生能源的高效節(jié)能、環(huán)保型的工程系統(tǒng)。冬季向建筑物供熱，夏季又可供冷?？蓮V泛應(yīng)用于各類建筑中，如商業(yè)樓宇、公共建筑、住宅公寓、學(xué)校、醫(yī)院等。隨著21世紀(jì)的到來(lái)，我國(guó)建筑業(yè)持續(xù)發(fā)展，對(duì)建筑節(jié)能的要求越來(lái)越高。減少我國(guó)冬季采暖和夏季供冷所造成的大氣污染，降低供暖空調(diào)系統(tǒng)的能耗、節(jié)約能源是每個(gè)公民應(yīng)盡的義務(wù)。特別是近幾年來(lái)，大中城市為改善大氣環(huán)境，大力推廣使用包括可再生能源的清潔能源。隨著人們生活水平的提高，建筑物不僅要滿足冬季采暖的要求，而且需要夏季空調(diào)降溫，地源熱泵技術(shù)提供了這一問(wèn)題的有效解決方案。二、埋管式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)方案及報(bào)價(jià)(10000平方米住宅節(jié)能建筑為例)一、工程概況工程名稱：某宿舍樓建筑面積：10000平方米 二、空調(diào)負(fù)荷:因是節(jié)能建筑，負(fù)荷指標(biāo)取50w/m2,則總負(fù)荷為500KW，據(jù)此選擇裝機(jī)制熱量則能滿足系統(tǒng)要求。 三、主機(jī)選擇:1、選用 特地源熱泵機(jī)組PSRHH1501 1臺(tái)，在地源熱泵工況下，制冷量為577KW，制熱量為550KW，制冷輸入功率為113KW；制熱輸入功率為137KW夏季冷水供回水7/12,冬季熱水供回水45/50。通過(guò)管道向空調(diào)末端設(shè)備提供冷熱水。四、地源熱泵地下?lián)Q熱器設(shè)計(jì):設(shè)計(jì)井孔數(shù)：96眼，井深：100米，井間距4-5米，鉆孔面積大約為1500m2（如場(chǎng)地不夠，可加深井深以減少面積）。地下?lián)Q熱管采用雙U32PE管材。五、系統(tǒng)配置及報(bào)價(jià):一、機(jī)房部分序號(hào)名稱型號(hào)及規(guī)格單位數(shù)量單價(jià)（元）合價(jià)（萬(wàn)元）備注1地源熱泵機(jī)組PSRHH1501臺(tái)145000045制冷量577KW電功率113KW制熱量550KW電功率137KW2用戶系統(tǒng)水泵TD100-34/4臺(tái)290001.8Q=120m3/h,H=34mN=18.5KW（一用一備)3地下系統(tǒng)水泵TD65-30/2臺(tái)450002.0Q=40m3/h,H=30mN=5.5KW4補(bǔ)水泵KQL40/200-4/2臺(tái)125000.25流量4.4 m3/h,揚(yáng)程51m,功率4kw,5補(bǔ)水箱120012001200個(gè)195000.956軟化水設(shè)施套1150001.507落地式定壓罐0.82m3臺(tái)1120001.208定壓灌300L個(gè)150000.50地下水系統(tǒng)用9分/集水器個(gè)460002.4010排污泵50WQC241-1.5個(gè)130000.3Q=15m3/h，H=13m,N=1.5KW11電氣控制套180000812機(jī)房?jī)?nèi)管材管件及安裝套11500001578.9總計(jì)：78.9萬(wàn)元二、土壤熱交換器（室外地埋管部分）：序號(hào)項(xiàng)目數(shù)量單位單價(jià)（元）合計(jì)（萬(wàn)元）備注1鉆孔9600m5048孔徑140mm,每孔深100m,共96個(gè)，如遇巖石鉆孔費(fèi)用將根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整2地下埋管垂直管道39552m623.7332耐壓高密度聚乙稀HDPE管,使用壽命50年，每孔雙U型管3地下塑料管接頭96個(gè)2602.496耐壓高密度聚乙稀HDPE管,使用壽命50年聯(lián)箱48 套4001.9263mm管材2300m204.60室外地下水平管道耐壓高密度聚乙稀HDPE管,使用壽命50年5垂直管道安裝費(fèi)39552m13.956細(xì)沙、固化劑150M31201.807地下管道循環(huán)液4噸1500068水平管路安裝費(fèi)2300m40.929水平溝開(kāi)挖回填370m1003.7097.116總計(jì)97.116萬(wàn)元注：打井費(fèi)用根據(jù)實(shí)際地層情況調(diào)整三、末端部分按建筑面積每平80元估算，末端造價(jià)為10000*80=80萬(wàn)元?jiǎng)t總造價(jià)為78.9萬(wàn)元+97.116萬(wàn)元+80=256.016萬(wàn)元每平造價(jià)為256元。三、地源熱泵運(yùn)行費(fèi)