土壤源热泵经济性分析
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
图 1 土壤源热泵的原理 Fig. 1 Schematic diagram of ground2source heat pump
2 核心技术
与传统的空调系统设计相比 ,土壤源热泵空调 系统设计所特有的就是根据所选择的埋地换热器的 类型及布置形式设计计算埋地换热器的管长 。由土 壤源热泵的工作原理可知 ,系统运行的关键之一在 于解决土壤冬夏季吸收热量和放热的平衡性 。热量 的取用如果不平衡 ,必然造成土壤的蓄热性变差 ,因 为土壤与埋地换热器进行热交换后 ,土壤内部进行 的是不稳定传热 [ 3 ] 。因此系统的性能与土壤性能 是紧密相关的 ,对土壤性能的研究是土壤源热泵系 统成功使用的前提 ,也是进行土壤源热泵方案设计 的基础 。土壤的性能研究主要包括土壤的能量平 衡 、热工性能 、土壤中的传热 、传湿和环境对土壤热 工性能的影响等 。这里结合实例针对土壤的物性参 数进行分析研究 。
第
25卷 第 3期 2005年 3月
煤 气
GA S
与热力
& HEAT
Vol. 25 No. M ar. 2005
3
土壤源热泵的节能与技术经济性分析
朱 岩 1 , 杨 历 1 , 李中领 2
(1. 河北工业大学 能源与环境工程学院 , 天津 300132; 2. 上海理工大学 城建学院 , 上海 200093)
② 环境效益 土壤源热泵的污染物排放 ,与空气源热泵相比 , 相当于减少 40%以上 ,与电供暖相比 ,相当于减少 70%以 上 。制 冷 剂 充 灌 量 比 常 规 空 调 装 置 减 少 25% [ 7 ] ,而且制冷剂泄漏概率大为减少 。土壤源热 泵系统的运行不产生污染物 ,可以安装在居民区 、停 车场内 。土壤源热泵系统没有冷却塔和其他室外设 备 ,没有集中式空调系统集中占地问题 ,节省了占用 空间 ,为开发商带来额外利润 ,产生附加经济效益 , 并且不会破坏建筑物的外观 。 ③ 技术性 空气源热泵当室外空气温度低于 - 5 ℃时热泵 就难于正常工作 ,需要用电或其他辅助热源对空气 进行加热 ,热泵的性能系数大大降低 。此外 ,蒸发器 上结霜影响了空气侧换热器的传热 ,需要定期除霜 , 损失相当大的一部分能量 ,而较频繁的除霜也影响 了机组的制热 。机组的运行环境不仅与室外温度有 关 ,而且与室外大气的相对湿度有关 ,这大大限制了 它的使用范围 。 采用土壤源热泵 ,由于土壤的温度比室外空气 温度更接近室内的温度 ,若设计合理 ,土壤源热泵可 以比空气源热泵具有更高的效率和更好的可靠性 , 其热源温度全年较为稳定 ,一般为 10～25 ℃。而且 土壤源热泵可用于供暖 、供冷 ,还可提供生活热水 , 一套土壤源热泵系统可以替换原来的锅炉 、空调制 冷系统 ,适用于宾馆 、商场 、办公楼 、学校建筑等 ,更 适合于别墅住宅的供暖和供冷 。此外 ,土壤源热泵 机组使用寿命长 ,平均在 20 a左右 ;机组紧凑 、节省 空间 ;维护费用低 ;自动化控制程度高 ,可无人值守 。 土壤源热泵中的热源不是指地热田中的热气或热
( 1. College of Energy and Environm en ta l Eng ineering, Hebei U n iversity of Technology, T ian jin 300132, Ch ina; 2. College of U rban Construction, S hangha i U n iversity of S cience and Technology, S hangha i, 200093, Ch ina)
种土质的物性参数都不能完全查出 ,所以考虑用已
知的一种土质的物性参数代替其他土质来计算 ,同
时考虑含水层的影响 。如对 7种土质中已查出的土
质热导率进行加权处理 ,用于考虑对含水层影响的
修正 ,加权处理公式如下 :
n
n
λ
=
∑
i=1
(λiδi )
/i∑= 1δi
式中 λ———加权处理后的土壤热导率 ,W / (m·K)
·74·
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
第 3期 朱 岩 ,等 :土壤源热泵的节能与技术经济性分析 第 25卷
地面 5 m 以下土壤温度全年基本稳定且略低于年平 均气温 ,可在夏冬季提供相对较低的冷凝温度和较 高的蒸发温度 。所以从热力学原理上讲 ,土壤是一 种比大气环境更好的热泵系统的冷热源 。另外 ,土 壤温度较恒定的特性 ,使热泵机组运行更可靠 、稳 定 ,也保证了系统的高效性和经济性 。
3 节能与技术经济性分析
① 节能
土壤源热泵是一种利用可再生能源 、经济有效
的节能技术 。它通过换热介质和大地地表浅层 (通 常深度小于 400 m )换热 。地表浅层是一个巨大的 太阳能集热器 ,收集了 47%的太阳能 ,相当于人类 每年利用能量的 500 多倍 ,且不受地域 、资源等限 制 ,是清洁的可再生能源 [ 5 ] 。与地面上环境相比 ,
据美国环保署 ( EPA )估计 ,设计安装良好的土 壤源热泵机组 ,平均可以节约用户 30% ～40%的供 热 、制冷空 调的 运行 费用 [ 6 ] 。高 效的 地源 热 泵 机 组 ,平均产生 3. 517 kW 的冷量仅需耗电功率 0. 88 kW ,其耗电量为普通冷水机组加锅炉集中式空调系 统的 30% ～60%。
·73·
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
第 3期 煤 气 与 热 力 第 25卷
盘管构成 ,盘管作为换热器 。冬季时 ,从土壤中吸收 热 ,经过热泵提升后 ,将热量供给热用户 ,相当于常 规空调系统的锅炉 ,同时在土壤中储存冷量 ,以备夏 季空调用 。夏季时 ,将室内的余热经过热泵转移后 通过埋地盘管释放到土壤中 ,相当于常规空调系统 中的冷却塔 ,同时储存热量 ,以备冬季采暖用 。土壤 源热泵原理见图 1[ 2 ] :
1 原理
热泵就是通过消耗一定的高位能 ,把不能直接
使用的低位热能 (来自空气 、水 、土壤的热能以及废 热等 )经过提升后转换成有用热能 ,从而可节约一 部分高位能 (煤 、石油 、天然气的能量及电能等 )的 装置 。通常输入 1 份的高位能 ,通过热泵提升后可 得到 3～4 份的有用热能 。
土壤源热泵是热泵的一种 ,它是利用地下土壤 作为热泵低位热源的热泵系统 ,主要包括 3 套管路 系统 :室外管路系统 、工质循环系统及室内空调管路 系统 。室外管路系统是由埋于土壤中的聚乙烯塑料
Abstract: The working p rincip le and key technology of ground2source heat pump are introduced, the parameters of ground physics are discussed, and integrating w ith p ractical engineering examp les, the ground2source heat pump system and conventional system combining air conditioning and boiler are com2 pared and analyzed in term s of energy saving, technicality and economy. The ground2source heat pump system is a high2perform ance, feasible, econom ic and non2pollution heat pump technology, and its app li2 cation is p racticable in w inter and summ er. Key words: ground2source heat pump; heat pump; energy saving; technicality; economy; fea sib ility
粘土 38. 25 0. 879
2 250
14. 654
粉砂
5. 35 1. 200
—
—
中砂
2. 95 1. 340
—
—
细砂 15. 40 1. 633
—
0. 950
沙砾
8. 25 2. 303
—
—
粗砂
1. 00 3. 135
—
—
等 效 岩 土 的 物 性 参 数 : 热 导 率 为 1. 743 W / ( m ·K) ,密度为 2 250 kg /m3 ,比热容为 14. 654 kJ / ( kg·K) 。
土壤源热泵的历史可以追溯到 1912年瑞士的 一个专利 [ 1 ] ,而其真正意义上的商业应用也只有 10 余年的历史 。目前 ,以欧美为主要代表的土壤源热 泵的研究工作 ,已经转向了土壤源热泵与空调系统 的联合运行及商业化 、市场化中一些亟待解决的问 题 。本文对土壤源热泵的原理 、核心技术及技术经 济性进行研究 。
摘 要 : 介绍了土壤源热泵的工作原理及其核心技术 ,对土壤物性参数进行了探讨 ,结合工 程实例从节能 、技术性及经济性三方面对土壤源热泵系统和传统空调加锅炉系统进行了比较和分 析 。土壤源热泵系统是一种性能良好 、可行的 、经济的且无污染的热泵技术 ,在冬夏季的应用是可 行的 。 关键词 : 土壤源热泵 ; 热泵 ; 节能 ; 技术性 ; 经济性 ; 可行性
的厚度比较大 ,分布比较均匀 ; ②粘土的密度比砂质
粘土大 ,更具有代表性 ; ③考虑到其他岩层的热导率
都比较大 ,但其厚度又比较小 ,所以取值比粘土要
大 ; ④由于地下 10 m 以下为多层含水层 ,影响土壤
的热导率 ,加权以后的值大 ,可以考虑为对热导率的
修正 。
表 1 各种土质的物性参数 [4 ]
n———土质的种类 , n = 7
λ ———第 i
i种土质的热导率 ,W / (m ·K)
Fra Baidu bibliotek
δi ———第 i种土质的厚度 , m
加 权 处 理 后 的 土 壤 热 导 率 λ = 1. 743
W / (m ·K) ,代替等效岩层的热导率 ,用粘土的密度
和比热容代替等效岩层的密度和比热容 (各种土质
的物性参数见表 1) 。等效原因是 : ①考虑到粘土层
Tab. 1 Physical parameters of all soil p roperties
土 质
岩层 热导率 / 密度 / 比热容 / 厚度 /m (W·m- 1 ·K- 1 ) (kg·m- 3 ) (kJ·kg- 1 ·K- 1 )
砂质粘土 41. 40 1. 040
1 800
14. 654
中图分类号 : TU995 文献标识码 : B 文章编号 : 1000 - 4416 (2005) 03 - 0073 - 04
Energy Sav ing and Techno2econom ic Ana lysis of Ground2source Hea t Pum p
ZHU Yan1 , YAN G L i1 , L I Zhong2ling2
土壤的物性参数是土壤源热泵系统设计和研究 过程诸多环节中最基本和最重要的参数 ,它直接影 响土壤源热泵系统的埋地换热器的面积和运行参 数 。土壤的物性参数与所含的矿物成分 、粒度组成 , 土壤结构和含水量等有重要关系 。
某地地下岩层分布比较复杂 ,土壤试样中有砂 质粘土 、粘土 、粉砂 、中砂 、细砂 、沙砾 、粗砂 7种土质 结构层 ,每层厚度不均且各层交错分布 ,无规律性 。 含水层在地面 10 m 以下 ,并有多层分布 。只有砂质 粘土和粘土的 3种物性参数能从资料查出 ,并且这 2种土质在所有的岩层分布中总厚度最大 ,而其他 5
2 核心技术
与传统的空调系统设计相比 ,土壤源热泵空调 系统设计所特有的就是根据所选择的埋地换热器的 类型及布置形式设计计算埋地换热器的管长 。由土 壤源热泵的工作原理可知 ,系统运行的关键之一在 于解决土壤冬夏季吸收热量和放热的平衡性 。热量 的取用如果不平衡 ,必然造成土壤的蓄热性变差 ,因 为土壤与埋地换热器进行热交换后 ,土壤内部进行 的是不稳定传热 [ 3 ] 。因此系统的性能与土壤性能 是紧密相关的 ,对土壤性能的研究是土壤源热泵系 统成功使用的前提 ,也是进行土壤源热泵方案设计 的基础 。土壤的性能研究主要包括土壤的能量平 衡 、热工性能 、土壤中的传热 、传湿和环境对土壤热 工性能的影响等 。这里结合实例针对土壤的物性参 数进行分析研究 。
第
25卷 第 3期 2005年 3月
煤 气
GA S
与热力
& HEAT
Vol. 25 No. M ar. 2005
3
土壤源热泵的节能与技术经济性分析
朱 岩 1 , 杨 历 1 , 李中领 2
(1. 河北工业大学 能源与环境工程学院 , 天津 300132; 2. 上海理工大学 城建学院 , 上海 200093)
② 环境效益 土壤源热泵的污染物排放 ,与空气源热泵相比 , 相当于减少 40%以上 ,与电供暖相比 ,相当于减少 70%以 上 。制 冷 剂 充 灌 量 比 常 规 空 调 装 置 减 少 25% [ 7 ] ,而且制冷剂泄漏概率大为减少 。土壤源热 泵系统的运行不产生污染物 ,可以安装在居民区 、停 车场内 。土壤源热泵系统没有冷却塔和其他室外设 备 ,没有集中式空调系统集中占地问题 ,节省了占用 空间 ,为开发商带来额外利润 ,产生附加经济效益 , 并且不会破坏建筑物的外观 。 ③ 技术性 空气源热泵当室外空气温度低于 - 5 ℃时热泵 就难于正常工作 ,需要用电或其他辅助热源对空气 进行加热 ,热泵的性能系数大大降低 。此外 ,蒸发器 上结霜影响了空气侧换热器的传热 ,需要定期除霜 , 损失相当大的一部分能量 ,而较频繁的除霜也影响 了机组的制热 。机组的运行环境不仅与室外温度有 关 ,而且与室外大气的相对湿度有关 ,这大大限制了 它的使用范围 。 采用土壤源热泵 ,由于土壤的温度比室外空气 温度更接近室内的温度 ,若设计合理 ,土壤源热泵可 以比空气源热泵具有更高的效率和更好的可靠性 , 其热源温度全年较为稳定 ,一般为 10～25 ℃。而且 土壤源热泵可用于供暖 、供冷 ,还可提供生活热水 , 一套土壤源热泵系统可以替换原来的锅炉 、空调制 冷系统 ,适用于宾馆 、商场 、办公楼 、学校建筑等 ,更 适合于别墅住宅的供暖和供冷 。此外 ,土壤源热泵 机组使用寿命长 ,平均在 20 a左右 ;机组紧凑 、节省 空间 ;维护费用低 ;自动化控制程度高 ,可无人值守 。 土壤源热泵中的热源不是指地热田中的热气或热
( 1. College of Energy and Environm en ta l Eng ineering, Hebei U n iversity of Technology, T ian jin 300132, Ch ina; 2. College of U rban Construction, S hangha i U n iversity of S cience and Technology, S hangha i, 200093, Ch ina)
种土质的物性参数都不能完全查出 ,所以考虑用已
知的一种土质的物性参数代替其他土质来计算 ,同
时考虑含水层的影响 。如对 7种土质中已查出的土
质热导率进行加权处理 ,用于考虑对含水层影响的
修正 ,加权处理公式如下 :
n
n
λ
=
∑
i=1
(λiδi )
/i∑= 1δi
式中 λ———加权处理后的土壤热导率 ,W / (m·K)
·74·
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
第 3期 朱 岩 ,等 :土壤源热泵的节能与技术经济性分析 第 25卷
地面 5 m 以下土壤温度全年基本稳定且略低于年平 均气温 ,可在夏冬季提供相对较低的冷凝温度和较 高的蒸发温度 。所以从热力学原理上讲 ,土壤是一 种比大气环境更好的热泵系统的冷热源 。另外 ,土 壤温度较恒定的特性 ,使热泵机组运行更可靠 、稳 定 ,也保证了系统的高效性和经济性 。
3 节能与技术经济性分析
① 节能
土壤源热泵是一种利用可再生能源 、经济有效
的节能技术 。它通过换热介质和大地地表浅层 (通 常深度小于 400 m )换热 。地表浅层是一个巨大的 太阳能集热器 ,收集了 47%的太阳能 ,相当于人类 每年利用能量的 500 多倍 ,且不受地域 、资源等限 制 ,是清洁的可再生能源 [ 5 ] 。与地面上环境相比 ,
据美国环保署 ( EPA )估计 ,设计安装良好的土 壤源热泵机组 ,平均可以节约用户 30% ～40%的供 热 、制冷空 调的 运行 费用 [ 6 ] 。高 效的 地源 热 泵 机 组 ,平均产生 3. 517 kW 的冷量仅需耗电功率 0. 88 kW ,其耗电量为普通冷水机组加锅炉集中式空调系 统的 30% ～60%。
·73·
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
第 3期 煤 气 与 热 力 第 25卷
盘管构成 ,盘管作为换热器 。冬季时 ,从土壤中吸收 热 ,经过热泵提升后 ,将热量供给热用户 ,相当于常 规空调系统的锅炉 ,同时在土壤中储存冷量 ,以备夏 季空调用 。夏季时 ,将室内的余热经过热泵转移后 通过埋地盘管释放到土壤中 ,相当于常规空调系统 中的冷却塔 ,同时储存热量 ,以备冬季采暖用 。土壤 源热泵原理见图 1[ 2 ] :
1 原理
热泵就是通过消耗一定的高位能 ,把不能直接
使用的低位热能 (来自空气 、水 、土壤的热能以及废 热等 )经过提升后转换成有用热能 ,从而可节约一 部分高位能 (煤 、石油 、天然气的能量及电能等 )的 装置 。通常输入 1 份的高位能 ,通过热泵提升后可 得到 3～4 份的有用热能 。
土壤源热泵是热泵的一种 ,它是利用地下土壤 作为热泵低位热源的热泵系统 ,主要包括 3 套管路 系统 :室外管路系统 、工质循环系统及室内空调管路 系统 。室外管路系统是由埋于土壤中的聚乙烯塑料
Abstract: The working p rincip le and key technology of ground2source heat pump are introduced, the parameters of ground physics are discussed, and integrating w ith p ractical engineering examp les, the ground2source heat pump system and conventional system combining air conditioning and boiler are com2 pared and analyzed in term s of energy saving, technicality and economy. The ground2source heat pump system is a high2perform ance, feasible, econom ic and non2pollution heat pump technology, and its app li2 cation is p racticable in w inter and summ er. Key words: ground2source heat pump; heat pump; energy saving; technicality; economy; fea sib ility
粘土 38. 25 0. 879
2 250
14. 654
粉砂
5. 35 1. 200
—
—
中砂
2. 95 1. 340
—
—
细砂 15. 40 1. 633
—
0. 950
沙砾
8. 25 2. 303
—
—
粗砂
1. 00 3. 135
—
—
等 效 岩 土 的 物 性 参 数 : 热 导 率 为 1. 743 W / ( m ·K) ,密度为 2 250 kg /m3 ,比热容为 14. 654 kJ / ( kg·K) 。
土壤源热泵的历史可以追溯到 1912年瑞士的 一个专利 [ 1 ] ,而其真正意义上的商业应用也只有 10 余年的历史 。目前 ,以欧美为主要代表的土壤源热 泵的研究工作 ,已经转向了土壤源热泵与空调系统 的联合运行及商业化 、市场化中一些亟待解决的问 题 。本文对土壤源热泵的原理 、核心技术及技术经 济性进行研究 。
摘 要 : 介绍了土壤源热泵的工作原理及其核心技术 ,对土壤物性参数进行了探讨 ,结合工 程实例从节能 、技术性及经济性三方面对土壤源热泵系统和传统空调加锅炉系统进行了比较和分 析 。土壤源热泵系统是一种性能良好 、可行的 、经济的且无污染的热泵技术 ,在冬夏季的应用是可 行的 。 关键词 : 土壤源热泵 ; 热泵 ; 节能 ; 技术性 ; 经济性 ; 可行性
的厚度比较大 ,分布比较均匀 ; ②粘土的密度比砂质
粘土大 ,更具有代表性 ; ③考虑到其他岩层的热导率
都比较大 ,但其厚度又比较小 ,所以取值比粘土要
大 ; ④由于地下 10 m 以下为多层含水层 ,影响土壤
的热导率 ,加权以后的值大 ,可以考虑为对热导率的
修正 。
表 1 各种土质的物性参数 [4 ]
n———土质的种类 , n = 7
λ ———第 i
i种土质的热导率 ,W / (m ·K)
Fra Baidu bibliotek
δi ———第 i种土质的厚度 , m
加 权 处 理 后 的 土 壤 热 导 率 λ = 1. 743
W / (m ·K) ,代替等效岩层的热导率 ,用粘土的密度
和比热容代替等效岩层的密度和比热容 (各种土质
的物性参数见表 1) 。等效原因是 : ①考虑到粘土层
Tab. 1 Physical parameters of all soil p roperties
土 质
岩层 热导率 / 密度 / 比热容 / 厚度 /m (W·m- 1 ·K- 1 ) (kg·m- 3 ) (kJ·kg- 1 ·K- 1 )
砂质粘土 41. 40 1. 040
1 800
14. 654
中图分类号 : TU995 文献标识码 : B 文章编号 : 1000 - 4416 (2005) 03 - 0073 - 04
Energy Sav ing and Techno2econom ic Ana lysis of Ground2source Hea t Pum p
ZHU Yan1 , YAN G L i1 , L I Zhong2ling2
土壤的物性参数是土壤源热泵系统设计和研究 过程诸多环节中最基本和最重要的参数 ,它直接影 响土壤源热泵系统的埋地换热器的面积和运行参 数 。土壤的物性参数与所含的矿物成分 、粒度组成 , 土壤结构和含水量等有重要关系 。
某地地下岩层分布比较复杂 ,土壤试样中有砂 质粘土 、粘土 、粉砂 、中砂 、细砂 、沙砾 、粗砂 7种土质 结构层 ,每层厚度不均且各层交错分布 ,无规律性 。 含水层在地面 10 m 以下 ,并有多层分布 。只有砂质 粘土和粘土的 3种物性参数能从资料查出 ,并且这 2种土质在所有的岩层分布中总厚度最大 ,而其他 5