地源热泵的实例应用及经济性分析

摘要　本文简单介绍了垂直埋管式地源热泵的工作原理，分析了一个应用垂直埋管式地源热泵的工程实例。北京市某区某警卫*培训基地改造工程原先冬季采用燃气锅炉利用散热器供暖，夏季办公楼采用分体空调，所有生活热水由锅炉房燃气锅炉提供，现改为垂直埋管式地源热泵系统方案。本文概括介绍了其设计要点和关键技术，并通过与原冷热源方案的对比，对地源热泵系统进行了经济性分析，指出垂直埋管式地源热泵的优缺点及广阔的应用前景。

关键词　地源热泵　工程实例　地埋管　节能

The application example and economy-analyze

of Ground- Source Heat Pump

Li Juan   Beijing university of technology;

Kou Xiupei    Beijing Institute of geo-exploration and Technique ;

Zhao Jiancheng   Beijing university of technology

Abstract : 　This paper introduced the principle of ground- source heat pump system, take an engineering application for an example. This engineering is for some army base in Beijing, its formerly system is that, using radiators for heating in winter and using separation air-condition in summer and using gas fired boiler for hot water. Now the whole system was instead by ground- source heat pump system .This paper introduced its design plan and key technical and economical analysis of ground- source heat pump’s instance. In conclusion, pointing out the advantage and disadvantage of the ground- source heat pump, and it will have a broad future.

Key words: Ground- Source Heat Pump; the application example; pipe-underground; energy-saving

1   引言

以土壤为热源的地源热泵系统按地下埋管形式可以分为水平埋管、垂直埋管和蛇形埋管。其中垂直埋管式地源热泵系统以其环保、稳定、节能、节省占地空间、低维护、运行费用低等优点成为一种值得研究与大力发展的可再生能源利用方式。

2   地源热泵系统简介

垂直埋地管式地源热泵系统如下图所示，即在地层中直接埋设高密度PE管，加入换热液，通过换热液循环系统，实现系统与地层的直接换热。

系统由地下换热部分（换热孔）、能量转换部分（机房系统）及能量释放部分（空调末端部分）三部分组成。

图1 原理简图                     夏、冬季运行流程图为：

      冬季，系统将地表下恒温土层中的低位热能提高为高位热能进而对建筑物进行供暖，同时在地表恒温土层中贮存冷量，以备夏季制冷时用；夏季通过系统将建筑物内的热量转移到地表恒温土层中，从而达到建筑物夏季制冷的要求，同时在大地中贮存热量，以备冬季时用。

3   工程实例分析

3.1工程概况

北京市某区某警卫*培训基地改造工程，由1#、2#、3#楼、礼堂、游泳馆、宿舍楼、门诊部、食堂、室内网球场、车库等建筑组成。总建筑面积约为3.6万平方米，其中1#、2#、3#楼、礼堂、游泳馆目前采用的是*空调系统，宿舍楼、门诊部、车库等目前采用暖气系统，东部为1.5万平方米大型操练场。

原有建筑物冬季采用燃气锅炉利用散热器供暖，夏季办公楼采用分体空调；所有生活热水由锅炉房燃气锅炉提供。由于3台150冷吨的燃气锅炉每年的运行费用都在400万元以上，运行成本太大；另外根据北京市环保要求，决定于2005年4月将原来的锅炉房进行改造，采用新型能源方式，同时也改善培训人员的居住环境。

本文通过对此项目地源热泵系统方案、施工进行较详细的论述，为地源热泵的进一步发展提供经验。

3.2设计参数

3.2.1设计负荷：

冬季：采暖指标116W/m²，zui大采暖负荷为4176KW；

夏季：制冷指标116W/m²，zui大制冷负荷为4176KW；

3.2.2 游泳池加热负荷：

根据游泳池的大小，以及室内游泳池的散热等相关标准及规定，游泳池的zui大加热负荷计算为240KW；

3.2.3 生活热水用量：

1200人zui大生活热水用量为120m³/天（50℃），全年供生活热水，小时变化系数取2，则zui大小时所需要的生活热水为10 m³/天（50℃）。生活热水由自来水从10℃加热到50℃，zui大小时加热量为10m³/h，则生活热水所需要的zui大加热负荷为466KW；

3.2.4 空调使用时间：

 夏季：5月1日到10月1日；

冬季：11月1日到次年4月1日

3.3技术方案

3.3.1综述

本项目采用垂直埋管式的地源热泵系统来提供所有建筑的冬季供暖和夏季制冷、以及全年生活热水和游泳池用水的加热。其中生活热水由地源热泵系统加热后，通过生活热水循环泵直接供给用户。

3.3.2机组选型

选择意大利克莱门特PSRHH3903型螺杆式地源热泵机组3台，其中1台为全热回收机组。其中全热回收机组在供冷的同时，可以通过吸收空调系统中的废热来制取生活热水。

空调水循环泵和地源侧循环水泵各选三台，卫生热水机组侧循环泵和卫生热水循环泵各选两台。均采用清华创科泵业生产的屏蔽泵。

PSRHH3903型热泵机组性能参数表如下：       

表1  PSRHH3903型热泵机组性能参数表

3.4关键技术

地埋管换热系统是地源热泵系统的核心和关键。室外地埋管换热系统是先钻换热孔，再在换热孔内安装高密度聚乙烯管（HDPE管），其通过HDPE管内的液体不断循环，而实现地层与换热液、换热液与机组、机组与房间内空气之间的热交换。

3.4.1本项目中地埋管的设计

经过土壤的热物性测试，模拟了夏季制冷运行工况下土壤的温度变化，分析了土壤温度和加热功率，同时考虑建成后大部分时间都会在部分负荷状态下运行，进行了如下的设计。

换热孔布设在工程区内的操场下面，共钻孔348个，井径大于ф150mm，深150m，孔间距5×5m,孔内安放双U形管，管材选用抗高压的高密度聚乙烯管（HDPE100），管径φ32mm，管壁厚3mm、承压能力1.6MPa。换热孔通过地面联络管分区连接后，分别汇入机房内。

换热孔口位于地面1.2m深以下,孔位分布总面积为8700m²，而操场的总面积为1.5万平方米，可以满足换热孔布设的要求亦不影响操场的使用。

3.4.2施工工艺

地埋管系统是整个地源热泵系统的核心和关键，其质量的好坏直接关系到整个系统的安全。而且工程一旦完成，其将不可修复。

（1）PE管下入孔前的技术准备

传统的方法是将连接好的PE管直接下入换热孔内，PE管在下入孔内后的形状将不规则，PE管之间会发生强烈的换热干扰，从而影响整个换热孔的换热效率；本工程采用的做法是在PE管下入换热孔之前，在PE管之间安装支架，分隔管材，使PE管之间具有一定的距离，且尽可能紧靠换热孔的孔壁，加强换热管与地层的换热效果，减小PE管之间的换热干扰。同时选用加重管底接头，保持管材下入时的垂度

（2）下管后的填料

填料的密实与否直接关系到换热孔的换热效率，为了提高填料的密实程度，一方面要严格控制填料的速度，沿孔壁四周均匀慢速填料，减少因填料过快而造成填料在孔内搭桥的机会；另一方面在下入PE管时，随同下入一根φ[11] 25直径的PE细管到孔底，在均匀填料的过程中沿细管向孔内注入水或空气，边提管边填料，使填料处于悬浮状态，均匀下沉，从而避免填料在孔内形成搭桥，即使形成搭桥也可冲开，确保填料密实，并边填料边提管。

通过以上施工工艺，可确保室外换热管系统使用寿命在50年以上。

3.5经济分析

测算参数取值如下表：

表2  估算费用取值表

3.5.1冬季采暖费用

本工程冬季供暖运行费用为121万元，燃气锅炉方式的运行费用为384万元。地源热泵比燃气锅炉节约运行费用263万元，节约68%。

表3  地源热泵与燃气锅炉冬季采暖费用比较

3.5.2夏季制冷费用

 本工程与常规冷水机组的夏季制冷运行费用比较见表4。地源热泵的运行费用为53万元，冷水机组为64万元（冷却塔方式），节约11万元，节约17%的运行费用。

同时冷水机组在运行时，需要向冷却塔进行补充自来水，一般1万平方米的建筑，整个制冷季需要补充自来水3000吨，为1.62万元。则地源热泵比冷水机组节约自来水费约5.8万元。

表4  地源热泵与冷水机组夏季制冷费用比较

3.5.3生活热水费用

地源热泵生活热水的成本与燃气锅炉加热成本测算见表5。由表5看出，地源热泵生活热水的加热成本为547元/日（5.7元/立方米）。采用燃气锅炉加热生活热水成本为1737元/日（1.81元/立方米）。生活热水所需要的自来水费为18.9万元。

地源热泵的年运行费用合计为30.7万元，折算成本为8.8元/m³；燃气锅炉的年运行费用为82.3万元，折算成本为23.5元/m³。地源热泵系统年节约63%的运行费用。

表5     运行费用统计表

工程中采用地源热泵系统后，2005年11月投入使用后，经测试各房间的温度在18~25℃之间，运行37天实耗电费25万，在预测费用之内。

3       结论和建议

由于土壤温度稳定且有蓄能的作用，垂直埋管式地源热泵较空气源热泵具有运行中不需要通过风机或水泵采热,无噪声,换热器也不需要除霜等优点，是一种环保、节能的系统。

该项目采用地源热泵系统为培训基地解决3.6万平方米建筑的冬季供暖和夏季制冷，以及全年生活热水和游泳池加热是与北京市能源发展政策高度一致的。通过经济性分析，得出地源热泵比燃气锅炉节省运行费用。

地源热泵系统的寿命大概在50年左右，如果对系统维护、处理得当，系统寿命还有可能增加。同时考虑投资效益和开发新能源，地源热泵方案是比较好的系统形式。

但在工程中也发现了垂直埋管式地源热泵存在的主要缺点是: (1)土壤的热导率小,地埋管的传热系数小,需要较大的传热面积；(2)造价较高,运行中发生故障不易检修。这些是以后需要进一步研究的地方。

参考文献：

[1] 徐伟 等译、朗四维 校.地源热泵工程技术指南.北京：中国建筑工业出版社， 2001年11月*版.

[2] 何咏梅1 ,孙东喜2 ,黄　晶1 ,王国平3.地源热泵空调应用的几点建议.ENERGY CONSERVATION ，2005 (9):38-40.

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