地源热泵规划在节能减排中的作用

通过从地下提取热量，每年比传统的集中供热节约50.18万吨标准煤，减少污
染物的排放量为： 烟尘 SO2 NOX CO2 灰渣 2488吨 8985吨 20735吨 138万吨 17万吨
相当于17万辆汽车改装成不排放废气的车。
传热介质不同，其摩 擦阻力也不同，水力 计算应按选用的传热 介质的水力特性进行 计算。根据水力计算 的结果，合理确定循 环水泵的流量和扬程， 并确保水泵的工作点 在高效区。
地热换热器的负荷计算
设计负荷
设计负荷是用来确 定系统设备的大小 和型号，以及根据 设计负荷设计空气 分布系统，同时它 也是能量负荷和地 热换热器负荷计算 的基础。
地源热泵的分类
（1）水源型热泵：是利用地下水或江河湖泊深层地表水作为换热源的热泵， 通过地质勘探，寻找水温较低、储水量大的含水层，抽取地下水作为冷媒。 （2）土壤型热泵：是在土壤里钻孔后将换热管插入底层利用地热，初期多使 用浅表土壤埋管方法。埋管式土壤型热泵由于占地面积大使用受到限制，钻 孔式热泵钻孔费用虽然较高，但只要采暖面积很大，便会使钻孔每米单价下 降较多。并且土壤型热泵几乎对环境不构成有害影响，运行稳定，成为目前 被世界所推崇的先进技术。 （3）土壤与水源混合型：是在大型公共设施或小区空调系统中，根据当地地 质和水源状况，使水源与土壤换热井并用，充分利用邻近的工业废水或污水、 天然水体作为辅助热源，实现空调与热水的集中供应，有条件的地方还可将 太阳能集热系统并入空调设施，统筹安排，实现能源节约和使用效益的最大 化。
地源热泵规划 在节能减排中的作用
Contents
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地源热泵技术 地源热泵经济性分析 地源热泵在工程规划中的利用
地源热泵的工作原理
地源热泵是逆卡诺原理的应用，从外部供给热泵较小的耗功W，从低温环境 中吸收大量的低温热能，从而使热泵可以输出温度更高的热能，并送到高温 环境中。地源热泵是利用水源热泵的一种形式，它是利用水与地能（地下水、 土壤或地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热 量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来， 释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。 根据热力学第二定律，热可以自发地由高温物体传向低温物体，而由低温物 体传向高温物体则必须做功。热泵系统实现了把能量由低温物体向高温物体 的传递，它是以花费一部分高质能(电能)为代价，从自然环境中获取能量， 并连同所花费的高质能一起向用户供热。热泵的供热量大于所消耗的功量， 是综合利用能源的一种很有价值的措施。
地源热泵的优缺点
与其它形式相比，地源热泵具有以下优点：高效节能；运行稳定可靠；对环 境无负面影响；属于可再生能源利用；一机三用，应用范围广泛；不占用地 面面积。相比之下，空气源热泵夏季对环境放热，冬季从环境中吸收热量， 加剧了建筑周围环境的恶化。地源热泵利用太阳能－地热能混合资源，是可 再生能源的技术。而且地源热泵不但可以供暖，制冷，供应生活用水，更主 要的是可以节省能源，减少污染物的排放。
但通过实际的应用，地源热泵也存在一定的缺点：其受大地温度和土壤热物 性影响较大，土壤的导热系数较小，换热量就小；连续运行时，热泵的冷凝 温度和蒸发温度易受影响发生波动，这也是最需解决的问题。
土壤的热物性能研究
土壤的热物性能研究主要包括土壤的能量平衡，热工性能，土壤中的传热与 传湿和环境对土壤热工性能的影响。土壤的导热性能用导热系数表示，单位 厚度的土层，温差1℃时，每秒经单位断面通过的热量称为土壤的导热系数 λ[W/m℃]..其与土壤的成分，温度t，密度ρ，含水量ω，空隙比e，饱和度 Sr等有关。Kersten在1949年首次提出分析方程来描述土壤导热系数与土壤 干密度和含水率的关系式： 淤泥与粘土（非冻土）：λ＝0.1441×[0.9logω—0.2]×100.16p 沙土（非冻土）：λ＝0.1441×[0.7logω＋0.4]×100.16p 淤泥与粘土（冻土）：λ＝0.1441×[0.01×100.22p+0.085×100.0088ω] 沙土（冻土）：λ＝0.1441×[0.076×10208p+0.085×100.0146ω] 此外，冬季埋管地下换热器不断从土壤中吸收热量，导致埋管周围土壤发生 冻结现象，一些学者认为埋管周围形成冻土有利于提高埋管传热性能，主要 是因为冻土的热容量大，导热性能好。
能量负荷
能量负荷用来预测 在某一规定时间内 系统运行所需要的 能量，其计算方法 与设计负荷相同， 唯一不同的是实际 运行工况和相关气 象参数取代设计负 荷中的设计工况参 数。
地热换热器负荷
地热换热器负荷 与地热系统和地 热换热器连接设 备的设计有关， 通常这些负荷计 算与能量负荷计 算相似，只是地 热负荷是释放到 地下的热量或从 地下吸收的热量。
年运行费用
地源热泵系统冬季采暖运行费用可以用电费与耗电量来计算：每年冬季采暖运 行费用＝每年总耗电量x电费。 每年总耗电量＝（单位建筑面积年平均能耗X每年采暖天数X每天采暖时间/地 源热泵系统能耗比）X建筑面积。 式中：长春地区民用电费为0.5元/Kw·h; 单位建筑面积年平均能耗为18～28w/m2； 长春地区每年采暖天数为171天； 每天采暖时间为24h； 太阳能－地热能联合系统的能耗比（cop）取1：4； 建筑面积为500m2。 通过计算得出每年冬季采暖运行费用最高值是7182元，最低值是4617元。换 算成单位面积冬季采暖费用为：9.2～14元/平方米。而若采用集中供暖，长春 市每年集中供暖费按现在的标准26元/平方米计算，则每年冬季采暖运行费用为 26x500＝13000元。比较两种采暖方案可以得出采用地源热泵运行成本仅占 集中供暖的35.5%～55.2%。这只是对供暖系统进行的计算，若再考虑地源热 泵夏季制冷的话，该系统的成本更将降低。
系统初投资
初投资的计算主要包括整个地源热泵系统的方案设计计算过程。先要确定 建筑物的供热，制冷和热水供应的负荷。然后确定地热换热器的布置形式。选 择塑料埋管的种类。其主要项目如下表：
序号 1 2 项目名称 热泵机组 循环水泵 型号 WP120 EM070 数量 1 2 2 金额（万元） 6.0 7.0 0.9
地热换热器的设计
与传统的空调系统相比较，地源热泵空调系统与传统的 空调系统主要区别在于增加了地热换热器，即地下埋管环路。
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地热换热器的负荷计算
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地热换热器的连接方式
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地热换热器系统的水力 计算
要考虑设计负荷，能 量负荷与地热换热器 负荷。
地热换热器各钻孔之 间可采用串联方式， 也可以采用并联方式。 串联系统中只有一个 流体通道，而在并联 系统中流体在管路中 有两个或更多的流道。 目前工程上以应用并 联系统为主。
地源析，首先要了解其系统的基本组成，运行原理和经
济性分析的组成部分，采用必要的方法进行综合评价。可以和传统的燃煤，
燃油和天然气锅炉进行比较。其评价主要指标有：
初投资：指供暖空调系统各部分投资之和。 年运行费用：指系统各部分的运行费。 年经营成本：指年总成本中扣除设备折旧费。 单位面积经营成本：用年经营成本除以供暖或空调面积。
回填材料的研究
回填材料以及热交换管材导热系数决定着系统热交换的效率，早期的传热模
型都忽略了回填土的影响.1987年V.C.Mei研究了不同回填材料对系统性能
的影响，并用有限差分数值计算方法模拟水平埋管正方形截面回填土的地源 热泵系统，1990年Couvillion采用有限元法模拟了水平埋管矩形截面回填土 的实验系统，模拟结果与实验数据吻合很好。通过实验表明回填材料导热系 数随着含砂量的增加而增加，增长速度逐渐趋于平缓。
综合费用比较（104m2）
（万元）
900
800 700 600 500 地源热泵 400 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 集中供热
（年）
地源热泵在工程规划中的利用
行政办公、商业金融、医疗卫生等公共建筑适宜使用源热泵系统，假设长春 市一半以上的公共建筑使用地源热泵系统，需要的供热面积约两千万平方米，
3
4
风机盘管
室内安装工程
9
1.0
3.0
5
6
换热器管材
室外挖沟工程
2.1
1.0
7
8
钻孔费
合计
4.0
25
如果全部采用双U型换热器，系统投资可以降到22.4万元。按照建筑面 积500m2来计算，系统的建筑平方面积造价为448元/m2。若建筑面积增大， 则单位建筑面积初投资反而减少。如果按照1万平方米进行计算，建筑平方 面积造价为400元/m2。在长春地区集中供热的造价约在300元/m2.