地源熱泵與傳統供暖方式的經濟性比較
2007-12-31 00:00:00李新茹
成才之路 2007年24期
摘要：地源熱泵是利用地表淺層土壤能量(地下水、土壤或地表水)作為冬季熱泵熱源供暖和夏季冷源進行空調的系統. 熱泵采暖的優點是無污染、清潔、環保、可持續利用而且造價較低，缺點是對地質條件或自然條件要求較為嚴格。本文重點側重于地源熱泵供暖與傳統供暖方式，如燃煤、燃油和天然氣鍋爐進行供暖經濟性的比較。利用常規供暖對工程樓進行常規供暖設計，對于工程樓進行熱負荷計算，之后再根據熱負荷進行水利計算，以及總投資成本和運行成本計算。最后，將常規供暖與地源熱泵進行經濟性比較。
關鍵詞：地源熱泵；常規供暖；經濟性；熱負荷；水利計算
我國具有豐富的水資源與土壤資源，這使采用熱泵供暖成為可能。熱泵采暖即地源熱泵空調系統。這種系統是一種利用含有大量能源的土壤或地下水作為吸熱或排熱的熱交換器，實現空氣調節的系統；當多數熱泵在制熱模式時，就從土壤或地下水中吸收熱量，當多數熱泵在制冷模式時，就將熱量排放在土壤或地下水中。土壤或地下水提供了一個絕好的免費的能量存儲源泉。熱泵采暖具體分為地下水水源熱泵、地表水水源熱泵、土壤源熱泵采暖三種方式。熱泵采暖的優點是無污染、清潔、環保、可持續利用而且造價較低，缺點是對地質條件或自然條件要求較為嚴格。這種采暖方式可在符合條件的地區進行廣泛推廣。
一、 地源熱泵
(一) 地源熱泵技術的概念和工作原理
地源熱泵是利用地表淺層土壤能量(地下水、土壤或地表水)作為冬季熱泵熱源供暖和夏季冷源進行空調的系統。
通常地源熱泵消耗1kW的能量，用戶可以得到5kW以上的熱量或4kW以上冷量，所以我們將其稱為節能型空調系統。
與鍋爐(電、燃料)供熱系統相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70%～90%的燃料內能為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節省二分之一以上的能量;由于地源熱泵的熱源溫度全年較為穩定，一般為10～25℃，其制冷、制熱系數可達3.5～4.4，與傳統的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調的50～60%。因此，近十幾年來，尤其是近五年來，地源熱泵空調系統在北美如美國、加拿大及法國、瑞士、瑞典等國家取得了較快的發展，中國的地源熱泵市場也日趨活躍，可以預計，該項技術將會成為21世紀最有效的供熱和供冷空調技術。
(二) 地源熱泵特點
1. 屬可再生能源利用技術。地源熱泵是利用了地球表面淺層地熱資源(通常小于400米深)作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統。地表淺層地熱資源可以稱之為地能(Earth Energy)，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地熱能而蘊藏的低溫位熱能。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽能量，比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。這種儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源，使得地能也成為清潔的可再生能源一種形式。
2. 屬經濟有效的節能技術。地能或地表淺層地熱資源的溫度一年四季相對穩定，冬季比環境空氣溫度高，夏季比環境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調冷源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統空調系統運行效率要高40%，因此要節能和節省運行費用40%左右。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，也保證了系統的高效性和經濟性。
據美國環保署EPA估計，設計安裝良好的地源熱泵，平均來說可以節約用戶30%～40%的供熱制冷空調的運行費用。
3. 環境效益顯著。地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當于減少40%以上，與電供暖相比，相當于減少70%以上，如果結合其他節能措施節能減排會更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規空調裝置減少25%的充灌量；屬自含式系統，即該裝置能在工廠車間內事先整裝密封好，因此，制冷劑泄漏幾率大為減少。該裝置的運行沒有任何污染，可以建造在居民區內，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。
4. 一機多用，應用范圍廣。地源熱泵系統可供暖、空調，還可供生活熱水，一機多用，一套系統可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統；可應用于賓館、辦公樓、商場、學校等建筑，更適合于別墅住宅的采暖、空調。
此外，機組使用壽命長，均在15年以上；機組緊湊、節省空間；維護費用低；自動控制程度高，可無人值守。
當然，像任何事物一樣，地源熱泵也不是十全十美的，如其應用會受到不同地區、不同用戶及國家能源政策、燃料價格的影響；一次性投資及運行費用會隨著用戶的不同而有所不同；采用地下水的利用方式，會受到當地地下水資源的制約。
下面將對工程樓進行常規供暖設計計算。
二、 工程樓常規供暖設計
1. 熱負荷計算略。
2. 工程樓常規供暖水利計算略。
3. 工程樓常規供暖成本計算略。
三、 工程樓常規供暖和地源熱泵成本比較
工程樓總建筑面積為：20403m3
1. 地源熱泵的初投資為400萬元，8小時的運行費用為5分/m3
2. 如果使用燃氣鍋爐初投資為3304439.34元
運行費用：天然氣為1.6元/m3 發熱量為8400kcal/m3
系統效率為0.8
每小時所需天然氣量為：2*597484/（8400*0.8）=177.8m3
每小時運行費用為：177.8*1.6=284.5元
8小時運行費用為：284.5*8=2276元
8小時每平方米費用為：2276/20403=10.6分/m2
3. 如果使用燃煤鍋爐初投資為3304439.34元
運行費用：煤為220元/噸 發熱量為5000kcal/kg
系統效率為0.6
每小時所需燃煤量為：2*597484/（5000*0.6）=398.32kg
每小時運行費用為：398.32*220/1000=87.6元
8小時運行費用為：87.6*8=700.8元
8小時每平方米費用為：700.8/20403=3.43分/m2
四、由以上計算和分析過程得到以下結論
1. 從初投資來看，地源熱泵為400萬元，而常規供暖只需330多萬元，常規供暖從初投資方面來說有著其初投資小的優勢，當然，具體采用何種供暖方式則應視預算初資額而定。
2. 從運行費用看，天然氣運行費用為10.6分/m2，高于地源熱泵的5分/m2，由此可見，從運行費用來說，地源熱泵有著其優勢。
3. 另外，從運行費用看，天然氣運行費用高于地源熱泵，但是如果使用燃煤鍋爐運行費用則為3.43分/m2低于地源熱泵。我們必須看到環保問題，由于燃煤對環境造成污染，對小型燃煤鍋爐使用受到限制。
4. 綜合初投資和運行費用，將地源熱泵，燃氣供暖，燃煤供暖進行綜合比較，我們會得到以下結論：我們所設計的常規供暖適合于采用集中供暖，如果位于市區，可以采用燃氣供暖，這樣可以再利用燃氣公司而節省鍋爐方面的初投資。如果位于郊區，或環境自身凈化能力強的地區，可以采用燃煤供暖，因為這樣采用大型集中供暖，運行成本將會更低，另外，也便于對產生的廢氣、廢渣進行處理。
參考文獻：
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