203土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在北方地區(qū)的應(yīng)用性研究

土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在北方地區(qū)的應(yīng)用性研究摘要：隨著空調(diào)的日益普及，建筑耗能迅猛增加，能源和環(huán)保問題愈來愈成為人們所關(guān)注的焦點。壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)作為一種高效、環(huán)保的可再生能源利用系統(tǒng)，為建筑節(jié)能提出了一個新的發(fā)展方向。本文以天津為北方氣候代表區(qū)的研究地點，結(jié)合動態(tài)模擬的方法，采用DeST模擬軟件對天津市某辦公樓的全年動態(tài)負荷進行計算。選取幾種常用的冷熱源系統(tǒng)與土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在能耗、對環(huán)境的影響和經(jīng)濟性等方面進行比較，為今后實際工程中土壤源熱泵系統(tǒng)的合理應(yīng)用提供參考，使土壤源熱泵這一新技術(shù)能盡快地在我國北方地區(qū)得到推廣。關(guān)鍵詞：土壤源熱泵，負荷計算，環(huán)境影響，經(jīng)濟性分析Abstract：Withthepopularizationofairconditioninganddevelopmentofthearchitecturalenergyconsumption,theissuesofenergyandenvironmentalprotectionhavebecomethefocuswhichpeopleconcerned.Asanefficientandenvironmentalrenewableenergyusingsystem,ground-sourceheatpumpprovidesanewdevelopmentdirectionforthearchitecturalenergyconversation.BeginningwiththestudyoftheclimatesofTianjinwhichrepresenttheclimateinnorthofChina,thispaperusedDestsoftwaretofigureoutthefiguresoutdynamicloadduringthewholeyearforanofficebuildinginTianjin,withthedynamicsimulation.Somecommonheatingandcoolingsystemswerecomparedwithground-sourceheatpumpinenergyconsumption,impactoftheenvironment,economyandsoon.Thestudyprovidesareferenceforthereasonableapplicationoftheground-sourceheatpumpsysteminthepracticalprojectsoastocausetherapidpopularizationoftheground-sourceheatpumpinnorthofChina.Keywords：soilsourceheatpump,loadcalculation,environmentalimpacteconomyanalysis基金項目：國家“十一五”科技支撐計劃項目（2006BAJ03A06-6）基金項目：國家“十一五”科技支撐計劃項目（2006BAJ03A06-6）1、前言土壤源熱泵技術(shù)自上世紀末作為國家“十一五”科技攻關(guān)計劃從美國引進以來，作為一種有益環(huán)境、節(jié)約能源和經(jīng)濟可行的建筑物供暖與制冷的新技術(shù)，土壤源熱泵正逐漸被用戶認識和接受。它是利用地下淺層土壤溫度相對穩(wěn)定的特點，通過熱媒介質(zhì)來獲取土壤內(nèi)能量的新型裝置。本文通過前期對天津市土壤源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用概況進行的調(diào)研，使用DeST軟件對天津市典型辦公樓全年的動態(tài)負荷進行模擬計算，根據(jù)我國能源現(xiàn)狀，將幾種常見的冷熱源方案與土壤源熱泵系統(tǒng)進行分析比較，用動態(tài)費用年值法評價了各系統(tǒng)方案經(jīng)濟性的優(yōu)劣，以期為我國北方地區(qū)土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣提供依據(jù)。2、天津市土壤源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用概況天津市推廣土壤源熱泵基本上可以分為兩個階段，即2000～2004和2004～至今。2004年以前，天津市土壤源熱泵推廣面積約為16萬m2，主要集中在小型土壤源熱泵應(yīng)用項目上（如天津梅江綜合辦公樓、津晉高速公路收費站、天津港項目等），2004年以后，隨著一系列示范工程的成功開展，尤其是5000m2以上單體建筑土壤源熱泵工程中，土壤源熱泵系統(tǒng)與普通中央空調(diào)模式相比，節(jié)能效果十分明顯[1]3、天津市冷熱源系統(tǒng)的研究根據(jù)前期對天津市土壤源熱泵應(yīng)用情況的調(diào)研，以天津市一棟六層的辦公樓為例，采用DeST模擬軟件對該建筑全年的冷熱負荷進行計算，從而得出建筑物全年的動態(tài)能耗。為后期各種冷熱源方案與土壤源熱泵系統(tǒng)的比較提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。3.1動態(tài)負荷的計算3.1.1建立模型基于對辦公樓的實際調(diào)研數(shù)據(jù)，測算模型的基本設(shè)定參數(shù)如下：該樓共六層，層高3.8m，南北朝向，建筑面積10000m圖1測算模型Figure1calculationmodel3.1.2負荷計算夏季：室內(nèi)設(shè)計溫度為t=25℃，φ冬季：室內(nèi)設(shè)計溫度為t=20℃，φ=50%員工的工作時間為8:30～17:00，人員密度為0.1人/m2；新風(fēng)量標準是每人30m3/h；電腦、復(fù)印機、打印機的發(fā)熱量為15W/m2，同時使用系數(shù)為0.6；照明負荷為20W/m2，同時使用系數(shù)為0.5該辦公樓測算模型的基本圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)定參數(shù)如下表表1測算模型設(shè)定參數(shù)Table1Thesettingparametersofcalculationmodel370mm實心粘土磚1.6w/m2.k加氣混凝土保溫屋面0.8w/m2.k單層實體木制門2.9w/m2.k雙層鋼窗4.0w/m2.k由于天津?qū)儆诤涞貐^(qū)，辦公建筑晚間需要考慮值班采暖，設(shè)定晚間值班采暖溫度為5℃，再根據(jù)天津地區(qū)典型氣象年室外氣象參數(shù)（如圖2）計算出建筑物全年的最大冷熱負荷和全年累計冷負荷、熱負荷（如表2圖2天津地區(qū)典型氣象年室外氣象參數(shù)Figure2outdoormeteorologicalparameteroftypicalmeteorologicalyearinTianjin表2建筑負荷統(tǒng)計表Table2Thestatisticaltableofbuildingload項目統(tǒng)計單位統(tǒng)計值總建筑空調(diào)面積m210152.00全年最大熱負荷kW851.72全年最大冷負荷kW687.85全年累計熱負荷kW·h652837.49全年累計冷負荷kW·h854346.94采暖季熱負荷指標W/m221.01空調(diào)季冷負荷指標W/m224.733.2對比方案的確定根據(jù)天津的氣候條件，和前期對天津供暖系統(tǒng)的調(diào)研結(jié)果，選用以下幾種適合天津的常用冷熱源方案進行比較。方案1：空氣源熱泵系統(tǒng)；方案2：電動冷水機組+燃氣鍋爐；方案3：土壤源熱泵；根據(jù)建筑物的冷熱負荷，選擇各系統(tǒng)方案的主要設(shè)備，由于本文只比較冷熱源其主要包括冷熱源系統(tǒng)的差異，因此所選的設(shè)備主要包括冷熱源機組、冷卻水泵、補水水泵等，各方案的設(shè)備選型如表3～表5。表3方案1的主要設(shè)備表Table3Mainequipmentslistofproject1主要設(shè)備名稱型號設(shè)備性能參數(shù)數(shù)量廠家空氣∕水熱泵LSBLGRF660D制冷/熱量632.6/725.8kW制冷/熱功率166.2Kw2風(fēng)機功率1.3×12=15.6kW2青島海爾空調(diào)設(shè)備表4方案2的主要設(shè)備表Table4Mainequipmentslistofproject2主要設(shè)備名稱型號設(shè)備性能參數(shù)數(shù)量廠家冷水機組TWSD-BC2制冷量：640kw制冷功率：131kw2大連興和制冷燃氣鍋爐WNS-0.05/85/60-Y(Q)熱功率：0.7MW設(shè)備電力：1.1W1北京天融環(huán)保設(shè)備中心冷卻水泵TPE2000流量150m3/h，揚程2格蘭富水泵熱水泵ALPHA32-125流量145m3/h，揚程1格蘭富水泵補水水泵CH8-30流量7m3/h2格蘭富水泵表5方案3的主要設(shè)備表Table5Mainequipmentslistofproject3主要設(shè)備名稱型號設(shè)備性能參數(shù)數(shù)量廠家地源熱泵GSHP660Ⅱ制冷/制熱：660/785制冷/熱功率：127/1852貝萊特空調(diào)有限公司冷卻水泵TPE2000流量150m3/h，揚程2格蘭富水泵補水水泵CH8-30流量7m3/h，揚程1格蘭富水泵3.3各方案能耗和一次能源利用率的比較方案1和方案3中系統(tǒng)消耗的是電能，而方案2中系統(tǒng)消耗的是天然氣和電能，由于以上各方案中系統(tǒng)利用的能源不同，為方便進行能耗比較可以將各系統(tǒng)能耗轉(zhuǎn)化成一次能耗。一次能耗是指化石燃料(如煤、油和天然氣等)的消耗量。一次能源利用率的定義是指消耗單位一次能源所能得到的能量，用PER(PrimaryEnergyRatio)表示。[2]熱泵系統(tǒng)：（1）燃氣鍋爐：（2）各種冷熱源系統(tǒng)：（3）式中—耗電量(kWh)；—火電發(fā)電熱源效率取32%；水電80%；—輸電效率，取90%；—耗氣量(m3)；—天然氣的低位發(fā)熱值，熱值為35588kJ/m3；—制冷(供暖)季節(jié)總的制冷(熱)量(kJ)。根據(jù)式（1）（2）（3）可以計算出各方案的一次能耗量以及一次能源利用率，如表6所示。表6一次能耗量和一次能源利用率Table6Primaryenergyconsumptionandprimaryenergyutilizationratio季節(jié)方案123夏季主機耗電量（kWh）282114178634143550輔機耗電量（kWh）04285626530一次能耗小計(GJ)342626892170一次能源利用率0.881.121.40冬季主機耗電量（kWh）2563316524161032主機耗氣量(m3/a)0776320輔機耗電量（kWh）01102145583一次能耗小計(GJ)332129902510一次能源利用率0.780.850.99全年一次能耗總計(GJ)674756794680一次能源利用率0.841.011.20一次能源利用率的值越大，其節(jié)能效果越好，體現(xiàn)了系統(tǒng)的節(jié)能情況，各季節(jié)的一次耗能量和一次能源利用率如表6所示，可見對天津地區(qū)而言，土壤源熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果最好、然后是電動冷水機組+燃氣鍋爐，而空氣源熱泵系統(tǒng)最不節(jié)能。3.4各方案對環(huán)境的影響隨著人類社會的發(fā)展進步，環(huán)境問題變得日益嚴峻。世界性的能源消耗會釋放出大量的C02、SO2、NOx和粉塵等物質(zhì)，我國的空氣污染以煤煙型為主，主要污染是SO2和煙塵，燃料燃燒所造成的污染與燃料的性質(zhì)、燃料使用方式、燃燒量、能源利用率以及使用過程中消除污染的措施等因素有關(guān)。對使用電作為驅(qū)動能源的系統(tǒng)而言，表面上電是清潔能源，對環(huán)境沒有造成污染，但是發(fā)電廠火力發(fā)電煤燃燒對環(huán)境的污染不可忽視。由資料查得1m3天然氣燃燒可以釋放2240g的CO2、0.0096g的SO2和1.28g的NOx。對于火力發(fā)電，產(chǎn)生1kwh的電量可釋放1173g的CO2、9.14g的SO2、3.32g的NOx和根據(jù)各方案所消耗的能源，可以求出各方案每年向大氣排放的各種污染物數(shù)量，如表7所示。表7各方案產(chǎn)生的污染物數(shù)量Table7Quantityofpollutantofeveryproject方案CO2SO2NOX灰渣1600.244.691.7533.212456.82.761.0919.023502.84.011.4327.01由上表可以知，各方案所產(chǎn)生的污染數(shù)量方案1>方案3>方案2，這是由于方案2中冬季供暖采用的是燃氣鍋爐，天然氣屬于清潔能源，其燃燒熱值大，燃燒效率高，燃燒排放物的含量低。所以從對環(huán)境的影響程度來說，方案2略優(yōu)于方案3，但兩者差別不大。.3.5經(jīng)濟性評價3.5根據(jù)建筑物的負荷，選定各方案的主要設(shè)備，通過調(diào)查，空氣源熱泵按制冷量1.3元/W的價格計算；水冷機組按制冷量0.6元/W的價格計算；地源熱泵設(shè)備按制冷量0.8元/W的價格計；其他設(shè)備價格均由廠家提供，在方案的初投資中，除了設(shè)備的費用，還有安裝費，配電費，土建費。鉆孔費等其它費用，具體情況如下表所示從表中可以看出，由于土壤源熱泵系統(tǒng)的鉆孔費用支出較大，導(dǎo)致其初投資的費用最大，所以要降低土壤源熱泵系統(tǒng)的初投資就一定要降低其鉆孔費用。3.5.2年經(jīng)營成本的計算從天津物價局查得天津目前的水、電、天然氣的商業(yè)價格，由于本文主要分析的是商業(yè)辦公建筑，屬于非工經(jīng)營，空調(diào)系統(tǒng)的運行時間為8：30～17：00，取峰時段的電價0.945元/kWh，平時段的電價0.600元/kWh，商業(yè)性用水價格為5.6元/m3，非民用天然氣的價格為2.4元/m3。根據(jù)公式即可計算出各方案全年的經(jīng)營費用，見表9表9各方案年經(jīng)營成本（萬元） Table9Annualmanagecostsofeveryproject方案123年經(jīng)營成本37.5042.5934.043.5.3費用年值法比較動態(tài)費用年值法全面地考慮了初投資和運行費用兩種因素，用動態(tài)法進行年計算費用分析，其實質(zhì)就是將項目初投資的資金現(xiàn)值按其時間價值等額分攤到各使用年限中，與年經(jīng)營成本相加，其值最小者為最優(yōu)方案。動態(tài)費用年值的計算公式為[4]式中—費用年值（萬元）—初投資（萬元）—利率，一般取8﹪—使用壽命（年）—年經(jīng)營成本（萬元）各方案中設(shè)備的使用壽命不一樣，因此對于不同的方案應(yīng)該按照不同的壽命周期對各設(shè)備初投資進行折算，各方案中主要的設(shè)備使用壽命如表10所示。表10設(shè)備的壽命Table10Lifespanoftheequipments(年)設(shè)備名稱壽命設(shè)備名稱設(shè)備名稱冷水機組20水泵10空氣/.水熱泵15地下埋管50燃氣鍋爐8～10建筑壽命50由各個方案的初投資和年經(jīng)營費用，利用動態(tài)費用年值的計算公式得出各方案的費用年值表11各方案的費用年值Table11A