地源熱泵與風冷熱泵的技術經濟性能比較

0 前言

　　地源熱泵( Ground Source Heat Pump) 技術是通過利用高位能, 在冬天, 把蓄存于土壤、地表水、地下水中相對穩定的低位能量轉移到需要供熱的空間, 達到供暖的目的; 在夏天, 像常規制冷機組一樣, 將室內的余熱轉移到低位熱源, 達到制冷的目的[1], [2]。冬季地源熱泵能代替鍋爐從土壤、地下水或者地表水中取熱, 向建筑物供暖; 夏季它向土壤、地下水或者地表水放熱, 給建筑物降溫; 還能供應生活用水。它是一種有效利用可再生能源的方式。

　　土壤作為地源熱泵中的一種熱源, 具有溫度穩定、溫度范圍適宜、隨處可得和熱容較大等優點, 但作為地源熱泵一種重要形式的土壤源熱泵也有其設備的初投資較高, 對設備的安裝調試有較高要求等問題[3]。本文對地源熱泵進行詳細的技術經濟性能分析與運行效果驗證。

　　1 熱泵系統的技術性能比較

　　現以上海某空調公司的辦公樓空調系統為例, 此辦公樓空調面積為520 m2, 按冷負荷指標125 W/m2 和熱負荷指標80 W/m2 估算, 其建筑總冷負荷為65 kW, 建筑總熱負荷為41.6 kW。以空氣源熱泵為比較參照, 擬分別采用地源熱泵機組和風冷熱泵機組, 從運行條件和技術性能方面進行對比分析[4]。

　　1.1 運行條件比較

　　風冷熱泵系統可用于采暖和空調制冷, 但機組常年暴露在室外, 其正常運行受環境的影響很大。當室外空氣溫度降低, 其供熱量減小, 特別是當空氣溫度低于- 5 ℃時, 熱泵就難以正常工作,需要用電或其他輔助熱源對空氣進行加熱, 熱泵的性能系數大大降低, 使用壽命縮短。此外, 空氣源熱泵的蒸發器上容易結霜, 需要定期除霜。這也損失相當多的能量, 一般除霜損失約占熱泵總能耗損失的10.2%。

　　由于地源熱泵是通過地熱換熱器與土壤進行換熱, 且土壤的溫度穩定、溫度范圍適宜, 所以環境對其的運行工況影響極小。通過合理設計且機組間歇運行, 土壤溫度將恢復較快, 系統就能保持較高的制冷或供熱系數。地熱換熱器沒有運動元件, 埋在地下的管子經久耐用, 從而地源熱泵使用壽命長, 均在20 年左右。另外, 地源熱泵機組緊湊, 節省空間, 維護費用低, 自動化控制程度高, 可無人值守。

　　1.2 性能系數COP 值的比較

　　風冷熱泵在運行時, 其運行參數受環境溫度的影響很大, 制冷量/制熱量、耗功率隨環境溫度變化的關系如下[5]。

　　Qx=- 0.76tx +88 ( 1)

　　Qd=2.15td +52.2 ( 2)

　　Nx=0.21tx +13.15 ( 3)

　　Nd=0.25td +17.28 ( 4)

　　式中: Qx———制冷量, kW;

　　Qd———制熱量, kW;

　　Nx———制冷時消耗的功率, kW;

　　Nd———制熱時消耗的功率, kW;

　　tx———夏季室外溫度,℃;

　　td———冬季室外溫度,℃。

　　根據公式( 1) ～( 4) , 利用Matlab 軟件擬合出風冷熱泵制冷、制熱工況下的COP 曲線, 如圖1與圖2。對于地源熱泵制冷、制熱工況下的COP曲線是根據上海某地源熱泵空調參數擬合而成,如圖3 與圖4。

　　在制冷工況下, 風冷熱泵在30～35 ℃運行,

　　其COP 值在2.995～3.350; 地源熱泵在10～20 ℃之間運行, 其COP 值達到4.200～4.800。要求熱泵出水溫度為7 ℃, 對于上海地區夏季室外設計溫度為35 ℃, 風冷熱泵的COP 值只有2.995; 上海地區土壤設計溫度為15.6 ℃, 地源熱泵對應的COP 值為4.420。

　　在制熱工況下, 風冷熱泵在- 4～10 ℃運行, 其COP 值在2.650～3.800; 而地源熱泵還是在10～20℃運行, 其COP 值在3.900～4.550。當要求熱泵的設計出水溫度為50 ℃時, 冬季室外設計溫度為-4 ℃( 上海地區) , 其風冷熱泵的COP 值只在2.650 左右; 地源熱泵的運行環境溫度雖沒變, 但由于土壤溫度與熱泵出水的溫差比制冷時有很大的提高。從而地源熱泵的性能系數有一定的下降, 因此對應15.6 ℃的土壤溫度, 地源熱泵的COP 值為4.3。

　　由此看出, 由于運行環境溫度不同, 分別采用

　　風冷熱泵和地源熱泵, 性能差異很大。建筑物室內外溫差越小, 熱泵的效率越高。采用地源熱泵系統, 土壤溫度比室外空氣溫度更接近于室內溫度,若設計合理, 地源熱泵比風冷熱泵具有更高的效率和更好的可靠性。

　　2 熱泵系統的經濟性能比較

　　2.1 初投資比較

　　地源熱泵系統與風冷熱泵系統的區別主要在于冷熱源部分, 室內系統基本一致。對于風冷熱泵系統, 冷熱源只有室外的熱泵機組;對于地源熱泵系統, 冷熱源除了熱泵機組, 還有地熱換熱器。基于這一情況, 比較系統的初投資主要也就是比較冷熱源部分的費用。目前, 地下埋管系統的投資為86.7 元/m。2 個方案的初投資列于表1。

　　2.2 運行費用比較

　　對于上述520 m2 建筑的2 種空調系統, 運行期間按每天10 h( 上午8: 00～下午6: 00) 計算, 冬夏季各按120 d 計, 機組運行系數為0.7。就上海地區, 電價峰值為0.88 元每度。運行費用列于表2。

　　熱泵的壽命期取為20 a, 風冷熱泵與地源熱泵系統綜合費用列于表3。

　　在20 a 使用期內, 與風冷熱泵系統相比, 地源熱泵系統在經濟方面能節省32.4%。可見地源熱泵空調系統是一種經濟性非常好的技術。

　　3 運行效果測試分析

　　以上海某空調公司辦公樓地源熱泵系統為例, 通過測試的方式分析地源熱泵運行效果。測試時間: 從9 月10～24 日。

　　測試內容: ① 室外的干濕球溫度; ②室內干濕球溫度與濕度; ③地熱換熱器的進出口水的溫度, 流速, 流量; ④水泵與地源熱泵機組的電流與功率; ⑤送風與回風的風速、干濕球溫度。

　　測試結果分析: 本次測試時間跨度2 周, 室外天氣比較炎熱, 期間只有3 天多云, 一天小雨。平均室外逐時溫度曲線如圖5 所示。這2 個星期的平均室外逐時溫度高值為32 ℃, 出現在下午的14∶00; 本辦公樓空調18∶00 停機, 此時室外溫度低為27 ℃。

　　圖6 是地熱換熱器的進出水的溫度分布曲線。兩周的逐時平均出水溫度在26.5～28.5 ℃, 早晨剛開機時的出水溫度較低, 在開機后幾個小時內溫度一直上升, 大約在11∶30 出水溫度趨于平緩, 在28 ℃左右。進水溫度一直在30 ℃以上, 下午達到了高點36.5 ℃。可以明顯看出, 進出水的平均溫差在4 ℃左右。從整體上看, 進出水的溫度高于設計溫度。這是因為地熱換熱器經過一個夏季的運行, 地下埋管周圍的土壤聚集了大量的熱量沒有及時地擴散, 致使土壤溫度高于原始溫度, 這屬正常現象。本系統能保持4 ℃左右的溫差仍符合設計要求。

　　從圖7 知, 室內的濕球溫度幾乎一直都保持在23 ℃左右, 只是在剛開機階段, 室內的濕球溫度偏高。室內干球溫度保持在25～30 ℃之間, 室內干球溫度從剛開機時的29 ℃降到10∶00 的26℃, 一直保持到12∶00。高干球溫度30 ℃在室外溫度高時的14∶00 出現。14∶30 以后室內溫度開始下降, 直至停機時的低溫度25 ℃。同時, 室內濕度的變化也非常有規律, 從開機時的65%降到53%, 平均室內濕度55%。基本符合人體熱舒適的要求。

　　測試期間, 9 月12 日和13 日是陰天, 14 日小雨, 15 日又是陰天, 其它的天都比較炎熱。所以圖8 中2 種COP 曲線都從12 日開始上升, 14 日地源熱泵COP 值達到大值3.38, 風冷熱泵COP值達到3.2。15 日的氣溫有所上升, 所以COP 值直線下降。由于前4 天的氣溫相對較低, 室內需要的冷量相對較少, 土壤的溫度得到了一定程度的恢復, 所以在接下來的幾天內地源熱泵COP 值大約在3.22 左右。再經過四五天高溫, 地熱換熱器周圍又積聚了一定的熱量沒有擴散出去。從而圖8 中的出水溫度也有所增加, 致使地源熱泵的COP 值都降到3.10 左右。圖8 所給出地源熱泵系統COP 值在3.10～3.38, 由圖3 知, 上海地區使用地源熱泵系統, 夏季制冷的COP 值能達到4.3。實際COP 值與理論COP 值有一定的差值。

　　4 結論

　　從環保角度看, 地源熱泵系統運行不受環境條件制約, 不會對大氣和地下水造成污染, 并且還能充分地利用地下熱源, 另外, 還會產生附加經濟效益。從技術角度看, 地源熱泵COP 值比風冷熱泵有很大的提高, 具有很好的節能效果。從綜合經濟性角度看, 在相同的制冷量/制熱量下, 地源熱泵比風冷熱泵初投資要大, 但運行費用很低。在整個的運行壽命期內, 地源熱泵比風冷熱泵的綜合費用要少得多。運行測試結果表明, 一個已經使用了4 a 的地源熱泵, 運行良好, 能滿足室內舒適度的要求。雖然實測的COP 值比理論值小, 但還是高于風冷熱泵的COP 值。

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