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土壤源热泵空调系统在北方地区的应用性研究摘要：随着空调的日益普及，建筑耗能迅猛增加，能源和环保问题愈来愈成为人们所关注的焦点。壤源热泵空调系统作为一种高效、环保的可再生能源利用系统，为建筑节能提出了一个新的发展方向。本文以天津为北方气候代表区的研究地点，结合动态模拟的方法，采用DeST模拟软件对天津市某办公楼的全年动态负荷进行计算。选取几种常用的冷热源系统与土壤源热泵空调系统在能耗、对环境的影响和经济性等方面进行比较，为今后实际工程中土壤源热泵系统的合理应用提供参考，使土壤源热泵这一新技术能尽快地在我国北方地区得到推广。关键词：土壤源热泵，负荷计算，环境影响，经济性分析Abstract：With the popularization of air conditioning and development of the architectural energy consumption, the issues of energy and environmental protection have become the focus which people concerned. As an efficient and environmental renewable energy using system, ground-source heat pump provides a new development direction for the architectural energy conversation. Beginning with the study of the climates of Tianjin which represent the climate in north of China, this paper used Dest software to figure out the figures out dynamic load during the whole year for an office building in Tianjin, with the dynamic simulation. Some common heating and cooling systems were compared with ground-source heat pump in energy consumption, impact of the environment, economy and so on. The study provides a reference for the reasonable application of the ground-source heat pump system in the practical project so as to cause the rapid popularization of the ground-source heat pump in north of China.Keywords：soil source heat pump, load calculation, environmental impact economy analysis 基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目（2006BAJ03A06-6）1、前言土壤源热泵技术自上世纪末作为国家“十一五”科技攻关计划从美国引进以来，作为一种有益环境、节约能源和经济可行的建筑物供暖与制冷的新技术，土壤源热泵正逐渐被用户认识和接受。它是利用地下浅层土壤温度相对稳定的特点，通过热媒介质来获取土壤内能量的新型装置。本文通过前期对天津市土壤源热泵系统应用概况进行的调研，使用DeST软件对天津市典型办公楼全年的动态负荷进行模拟计算，根据我国能源现状，将几种常见的冷热源方案与土壤源热泵系统进行分析比较，用动态费用年值法评价了各系统方案经济性的优劣，以期为我国北方地区土壤源热泵空调系统的应用和推广提供依据。2、天津市土壤源热泵系统应用概况天津市推广土壤源热泵基本上可以分为两个阶段，即20002004和2004至今。2004年以前，天津市土壤源热泵推广面积约为16万m2，主要集中在小型土壤源热泵应用项目上（如天津梅江综合办公楼、津晋高速公路收费站、天津港项目等），2004年以后，随着一系列示范工程的成功开展，尤其是5000m2以上单体建筑土壤源热泵工程中，土壤源热泵系统与普通中央空调模式相比，节能效果十分明显1 。3、天津市冷热源系统的研究根据前期对天津市土壤源热泵应用情况的调研，以天津市一栋六层的办公楼为例，采用DeST模拟软件对该建筑全年的冷热负荷进行计算，从而得出建筑物全年的动态能耗。为后期各种冷热源方案与土壤源热泵系统的比较提供数据基础。3.1 动态负荷的计算3.1.1 建立模型基于对办公楼的实际调研数据，测算模型的基本设定参数如下：该楼共六层，层高3.8m，南北朝向，建筑面积10000m2，具体模图1 测算模型Figure 1 calculation model3.1.2 负荷计算夏季：室内设计温度为t=25，=50%；冬季：室内设计温度为t=20，=50%。员工的工作时间为8:3017:00，人员密度为0.1人/m2；新风量标准是每人30m3/h；电脑、复印机、打印机的发热量为15W/m2，同时使用系数为0.6；照明负荷为20W/m2，同时使用系数为0.5；该办公楼测算模型的基本围护结构的设定参数如下表表1 测算模型设定参数Table 1 The setting parameters of calculation model370mm实心粘土砖1.6w/m2.k加气混凝土保温屋面0.8w/m2.k单层实体木制门2.9 w/m2.k双层钢窗4.0 w/m2.k由于天津属于寒冷地区，办公建筑晚间需要考虑值班采暖，设定晚间值班采暖温度为5，再根据天津地区典型气象年室外气象参数（如图2）计算出建筑物全年的最大冷热负荷和全年累计冷负荷、热负荷（如表2）图2天津地区典型气象年室外气象参数Figure 2 outdoor meteorological parameter of typical meteorological year in Tianjin表2 建筑负荷统计表Table 2 The statistical table of building load项目统计单位统计值总建筑空调面积m210152.00全年最大热负荷kW851.72全年最大冷负荷kW687.85全年累计热负荷kWh652837.49全年累计冷负荷kWh854346.94采暖季热负荷指标W/m221.01空调季冷负荷指标W/m224.733.2 对比方案的确定根据天津的气候条件，和前期对天津供暖系统的调研结果，选用以下几种适合天津的常用冷热源方案进行比较。方案1：空气源热泵系统；方案2：电动冷水机组+燃气锅炉；方案3：土壤源热泵；根据建筑物的冷热负荷，选择各系统方案的主要设备，由于本文只比较冷热源其主要包括冷热源系统的差异，因此所选的设备主要包括冷热源机组、冷却水泵、补水水泵等，各方案的设备选型如表3表5。表3 方案1的主要设备表Table 3 Main equipments list of project 1主要设备名称型号设备性能参数数量厂家空气水热泵LSBLGRF660D制冷/热量 632.6/725.8kW制冷/热功率 166.2Kw2风机功率1.312=15.6kW2青岛海尔空调设备表4 方案2的主要设备表Table 4 Main equipments list of project 2主要设备名称型号设备性能参数数量厂家冷水机组TWSD-BC2制冷量：640kw制冷功率：131kw2大连兴和制冷燃气锅炉WNS-0.05/85/60-Y(Q)热功率：0.7MW设备电力：1.1W1北京天融环保设备中心冷却水泵TPE2000流量150m3/h，扬程28m2格兰富水泵热水泵ALPHA32-125流量145m3/h，扬程10m1格兰富水泵补水水泵CH8-30流量7m3/h，扬程26m2格兰富水泵表5 方案3的主要设备表Table 5 Main equipments list of project 3主要设备名称型号设备性能参数数量厂家地源热泵GSHP660制冷/制热：660/785制冷/热功率：127/1852贝莱特空调有限公司冷却水泵TPE2000流量150m3/h，扬程28m2格兰富水泵补水水泵CH8-30流量7m3/h，扬程26m1格兰富水泵3.3 各方案能耗和一次能源利用率的比较方案1和方案3中系统消耗的是电能，而方案2中系统消耗的是天然气和电能，由于以上各方案中系统利用的能源不同，为方便进行能耗比较可以将各系统能耗转化成一次能耗。一次能耗是指化石燃料(如煤、油和天然气等)的消耗量。一次能源利用率的定义是指消耗单位一次能源所能得到的能量，用PER(Primary Energy Ratio)表示。2热泵系统： （1）燃气锅炉： （2）各种冷热源系统： （3）式中 耗电量(kWh)； 火电发电热源效率取 32%；水电 80%； 输电效率，取 90%；耗气量(m3)；天然气的低位发热值，热值为 35588kJ/m3； 制冷(供暖)季节总的制冷(热)量(kJ)。根据式（1）（2）（3）可以计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Table 6 Primary energy consumption and primary energy utilization ratio季节方案123夏季主机耗电量（kWh）282114178634143550辅机耗电量（kWh）04285626530一次能耗小计(GJ)342626892170一次能源利用率0.881.121.40冬季主机耗电量（kWh）2563316524161032主机耗气量(m3/a)0776320辅机耗电量（kWh）01102145583一次能耗小计(GJ)332129902510一次能源利用率0.780.850.99全年一次能耗总计(GJ)674756794680一次能源利用率0.841.011.20一次能源利用率的值越大，其节能效果越好，体现了系统的节能情况，各季节的一次耗能量和一次能源利用率如表6所示，可见对天津地区而言，土壤源热泵系统节能效果最好、然后是电动冷水机组+燃气锅炉，而空气源热泵系统最不节能。3.4各方案对环境的影响随着人类社会的发展进步，环境问题变得日益严峻。世界性的能源消耗会释放出大量的C02、SO2、NOx和粉尘等物质，我国的空气污染以煤烟型为主，主要污染是SO2和烟尘，燃料燃烧所造成的污染与燃料的性质、燃料使用方式、燃烧量、能源利用率以及使用过程中消除污染的措施等因素有关。对使用电作为驱动能源的系统而言，表面上电是清洁能源，对环境没有造成污染，但是发电厂火力发电煤燃烧对环境的污染不可忽视。由资料查得1m3天然气燃烧可以释放2240g的CO2、0.0096g的SO2和1.28g的NOx。对于火力发电，产生1kwh的电量可释放1173g的CO2、9.14 g的SO2、3.32g的NOx和63.01g的灰渣。根据各方案所消耗的能源，可以求出各方案每年向大气排放的各种污染物数量，如表7所示。表7各方案产生的污染物数量Table 7 Quantity of pollutant of every project方案CO2SO2NOX灰渣1600.244.691.7533.212456.82.761.0919.023502.84.011.4327.01由上表可以知，各方案所产生的污染数量方案1方案3方案2，这是由于方案2中冬季供暖采用的是燃气锅炉，天然气属于清洁能源，其燃烧热值大，燃烧效率高，燃烧排放物的含量低。所以从对环境的影响程度来说，方案2略优于方案3，但两者差别不大。.3.5 经济性评价3.5.1初投资的计算根据建筑物的负荷，选定各方案的主要设备，通过调查，空气源热泵按制冷量1.3元/W的价格计算；水冷机组按制冷量0.6元/W的价格计算；地源热泵设备按制冷量0.8元/W的价格计；其他设备价格均由厂家提供，在方案的初投资中，除了设备的费用，还有安装费，配电费，土建费。钻孔费等其它费用，具体情况如下表所示从表中可以看出，由于土壤源热泵系统的钻孔费用支出较大，导致其初投资的费用最大，所以要降低土壤源热泵系统的初投资就一定要降低其钻孔费用。3.5.2 年经营成本的计算从天津物价局查得天津目前的水、电、天然气的商业价格，由于本文主要分析的是商业办公建筑，属于非工经营，空调系统的运行时间为8：3017：00，取峰时段的电价0.945元/kWh，平时段的电价0.600元/kWh，商业性用水价格为5.6元/m3，非民用天然气的价格为2.4元/m3。根据公式即可计算出各方案全年的经营费用，见表9 表9各方案年经营成本 （万元） Table9 Annual manage costs of every project 方案123年经营成本37.5042.5934.043.5.3 费用年值法比较动态费用年值法全面地考虑了初投资和运行费用两种因素，用动态法进行年计算费用分析，其实质就是将项目初投资的资金现值按其时间价值等额分摊到各使用年限中，与年经营成本相加，其值最小者为最优方案。动态费用年值的计算公式为 4式中 费用年值（万元） 初投资（万元） 利率，一般取8使用寿命（年）年经营成本（万元）各方案中设备的使用寿命不一样，因此对于不同的方案应该按照不同的寿命周期对各设备初投资进行折算，各方案中主要的设备使用寿命如表10所示。表10设备的寿命 Table 10 Life span of the equipments (年)设备名称寿命设备名称设备名称冷水机组20水泵10空气/.水热泵15地下埋管50燃气锅炉810建筑寿命50由各个方案的初投资和年经营费用，利用动态费用年值的计算公式得出各方案的费用年值表11各方案的费用年值 Table 11 Annual cost of every project （万元）方案初投资年经营成本费用年值137.5059.28242.5957.36334.0453.394 结论与展望近年来，我国北方地区土壤源热泵技术的一个重要发展方向是“在土壤源热泵项目优化节能设计的基础上进行大面积推广工作”。本文虽然对天津市土壤源热泵与其它冷热源系统的节能性和经济性进行了比较，但作为涉及热科学和水文地质科学等众多学科相交叉的一项前沿课题，仍有许多问题有待深入研究和完善。随着对地源热泵系统的研究应用、了解的逐渐深入，这种新型的供暖空调方式，以其投资少、效率高、环保等优势，必将成为21世纪最具竞争力的空调。参考文献1 朱强可再生能源地源热泵空调系在天津市建筑应用项目研究D，天津大学，天津，2008.52 毛会敏土壤源热泵空调系统的设计与经济性分析D，哈尔滨工业大学，哈尔滨，2006.63 董菲应用熵权层次分析法评价双耦热泵系统D，哈尔滨工业大学，哈尔滨，2005.64 盛晓文供热技术经济学M哈尔滨工业大学出版社20015 宋春玲，张国强，张泉，陈在康土壤源热泵种节能的中央空调系统冷热源J节能1998，(12)：7-106 章俞昌，潘金文地源热泵技术的特点及其在空调工程中的应用J工程建设与设计2003(8)：20-227 何耀东,何青. 两种快速发展的地源热泵技术经济性对比分析及节能技术C.全国暖通空调制冷2006年学术年会(合肥)论文集, 224225作者简介：