埋管式土壤源熱泵技術在輻射空調系統中的應用

文_王繼勝 北京中創綠色系統科技有限公司

城市建設的發展，帶來城市用電需求的不斷增長，國內很多城市面臨夏季白天用電需求量大，電網用電負荷及壓力大，夜間電網用電負荷小的不合理現象。根據目前城市用電能耗分析，中央空調用電能耗占據約60%，其中空調系統冷熱源能耗，公共建筑占據空調能耗約40%，民用建筑占據比例更大。因此，如何降低空調冷熱源能耗，應用節能環保型冷熱源技術，屬于本文研究的方向。

1 輻射末端空調系統介紹

輻射末端空調系統是由控制器，溫濕度傳感器、閥門執行器、輻射末端系統、除濕系統等組成的新型空調系統末端形式，其利用冷熱輻射原理實現建筑物供冷和供熱目的。由于輻射空調系統方式與常規的對流、傳導供冷熱方式相比，輻射空調系統無吹風感，室內無空調設備運行噪聲，具有室內恒溫、恒濕、恒靜等顯著優點，并具有一定的蓄能效果。輻射空調系統應用能提高室內舒適度，在節能、環保等方面均存在明顯的優勢。目前正在國內高端住宅等項目被廣泛應用。

2 輻射空調末端介紹

2.1 國內輻射空調末端主要形式

分為毛細管、金屬頂板等幾種類型，其中以毛細管網末端應用廣泛，毛細管傳熱形式是效仿植物的葉脈或人的皮下組織散熱原理，利用毛細管換熱速度極快，換熱效率高原理開發出來的新型產品。毛細管網有Ф3.2mm、Ф4.3mm等幾種規格。往年產品主要為德國進口，隨著國內制作技術的不斷成熟，國產毛細管逐步進入建筑市場并占據了主導地位。

2.2 金屬頂板

金屬頂板輻射末端其原理與毛細管傳熱相似，管徑在10～15mm之間，多以銅制材料為主，利用銅的良好導熱性能實現輻射熱傳遞。此種產品目前主要以國外品牌為主，因造價高國內實際應用案例較少。

3 輻射空調系統主要設計參數

輻射空調系統常規設計參數：夏季供回水溫度為16～19℃，冬季供回水溫度為35～32℃。通過輻射系統夏季室內溫度可到達22～26℃，冬季達到20～25℃。

4 輻射空調系統冷熱源介紹

目前，國內輻射空調系統通常夏季采用冷水機組供冷，冬季采用電鍋爐或市政熱力管網供熱，冬夏均通過換熱器置換成輻射末端需要的供水溫度。此種冷熱源形式依靠電能轉換，主機裝機功率大，電能需求較大，經常在夏季白天受到城市拉閘限電影響。

5 埋管式土壤源熱泵技術

埋管式土壤源熱泵技術是利用地下0～100m深度范圍內，常年溫度比較恒定，地溫在15～20℃，并且地溫可自行恢復，具有可再生性。土壤源熱泵技術就是利用表層地溫的特點，在建筑物四周的底部進行埋管，熱泵主機利用地球淺層地溫資源為建筑物進行供冷暖。熱泵主機在冬季把地層中的熱量“取”出來，供給室內采暖，同時把建筑內的冷量輸送到地層下進行儲存；夏季熱泵系統地下的“冷量”提取出來輸送到建筑物內供冷，同時把建筑物內熱量輸送到地下進行儲存，如此進行地熱能量循環利用，詳見圖1。埋管式土壤源熱泵系統運行時，地下埋管與巖土層之間利用熱傳導原理進行冷熱量傳遞，對地下水源、土壤和環境不造成污染和破壞，是一種綠色、環保、高效節能的空調冷熱源形式。

圖1 埋管式土壤源熱泵系統圖

6 埋管式土壤源熱泵技術在輻射系統中的應用分析

根據埋管式土壤源熱泵系統特點，結合輻射末端系統設計參數需求，能否將埋管式土壤源熱泵技術應用在輻射系統當中，利用熱泵節能技術達到降低輻射系統冷熱源運行能耗目的，以下進行可行性分析。

6.1 土壤源熱泵主機能耗分析

國內常規土壤源熱泵主機夏季供回水溫度7/12℃工況下，主機COP=5～7。冬季熱泵主機供回水溫度50/45℃，主機COP=4～5。如采用源熱泵系統作為冷熱源，為輻射系統提供冷熱源，以約克螺桿式熱泵主機為例，熱泵主機能耗分析如下：

①夏季主機能耗分析計算：輻射系統夏季供回水溫度16～19℃。熱泵主機蒸發器出水溫度以7℃為計算參照，出水溫度每提高1℃，主機平均COP可提高4.4%，主機出水溫度16℃工況下，主機COP可提高39.6%。

②主機輸入電功率分析：根據主機COP=主機制冷量/主機輸入功率計算，夏季在主機制冷量不變的情況下，主機輸入電功率降低約40%。

③冬季熱泵主機能耗分析計算：冬季熱泵主機按冷凝器出水溫度50℃為參照，出水溫度每降低1℃，主機平均COP可提高3.76%。主機供水溫度為35℃時，主機COP比供水溫度50℃工況下提高56%。

④主機輸入電功率分析：根據主機COP=主機制熱量/主機輸入功率計算，冬季在主機制熱量不變的情況下，主機輸入電功率降低約50%。

⑤土壤源熱泵冷熱源在輻射系統系統中的特殊應用：由于地下巖土常年溫度在15～20℃，夏季運行時，可利用此地溫特點，對輻射系統直接供冷，此種直供模式熱泵主機不啟動或啟動頻率很低，能耗低。

6.2 冷熱源初投資分析

土壤源熱泵冷熱源需設置地下換熱器，地下換熱器設計有效深度100～120m。以北京海淀區某項目為例，采用不同的冷熱源初投資分析。

某項目建筑面積3217m2，夏季制冷負荷為205kW，冬季采暖負荷為230kW，末端采用輻射系統，工程所在地的條件為，無市政集中供暖、無天然氣源，空調冷熱源可選用土壤熱泵系統供冷暖和電制冷+電鍋爐供暖2種不同方案，以下為此2種方案初投資分析。

6.2.1 土壤源熱泵冷熱源（表1）

表1

6.2.2 電制冷+電鍋爐冷熱源（表2）通過以上計算，土壤源熱泵系統初投資比電制冷+電鍋爐制熱方案高188440元，初投資高約40%。

表2

6.3 年運行費用分析

此建筑功能為辦公樓，夏季按照每天運行10h，運行120d；冬季按照每天運行10h,運行120d，考慮設備使用系數0.85，空調負荷系數0.85，當地電價政策8：00～11：00時電價0.953元/kWh，11：00～18：00時電價為0.603元/kWh，兩種不同冷熱源年運行費用分析計算如下：

6.3.1 土壤源熱泵系統

（1）夏季運行費用

由于夏季恒溫恒溫末端供水溫度16℃，土壤地下溫度為15～20℃，可采取直供模式，考慮輻射系統需要新風除濕，按照啟動一臺熱泵主機進行供冷計算運行費用。

①熱泵機組運行費用：（20×3×120×0.953+20×120×0.603×7）×0.85=14443.2元。

②水泵運行費用：（2×4+2×5）×3×0.953×120×0.85×0.85+（2×4+2×5）×7×0.603×120×0.85×0.85=11049.05元。

夏季運行費用總計25492元。

（2）冬季運行費用：

①熱 泵 主 機 運 行 費 用：（30×2×3×120×0.953+30×2×120×0.603×7+3×3×120×0.953+3×120×0.603×7）×0.85×0.85=38671.67元。

②水泵運行費用：（2×4+2×5）×3×0.953×120×0.85×0.85+（2×4+2×5）×7×0.603×120×0.85×0.85=11049.05元。

冬季運行費用總計49720.72元。

土壤源熱泵冷熱源年運行費用總計為75212元。

6.3.2 電制冷+電鍋爐冷熱源年運行費用計算

（1）夏季運行費用為：

①主機運行費用：（45×3×120×0.953+45×120×0.603×7）×0.85×0.85=27622.62元。

②水泵運行費用：(7.5×4×3×0.953×120×0.85×0.85+7.5×4×7×0.603×120×0.85×0.85+2×3×120×0.85×0.85×0.953+2×7×120×0.603×0.85×0.85)=19642.75元。

夏季運行費用合計：47265.37元。

（2）冬季運行費用：

①電 鍋 爐 運 行 費 用：（240×3×120×0.953+240×7×120×0.603）×0.85×0.85=147320.6元。

②水泵運行費用：（7.5×2×3×120×0.953+7.5×2×7×12 0×0.603）×0.85×0.85=9702.54元。

冬季運行費用合計：156528.2元。

電制冷+電鍋爐冷熱源年運行費用總計為194586元。

此兩種冷熱源運行費用及初投資匯總如表3。

表3 兩種冷熱源運行費用及初投資

6.4 土壤熱泵冷熱源和電制冷+電鍋爐冷熱源經濟分析

6.4.1 靜態投資回收期計算

此項目忽略項目初期投入資金的時間價值計算靜態投資回收期為：Pj=( 685440-451000)/( 194586-75212)≈2a。

6.4.2 壽命周期費用：

壽命周期費用是指在設備壽命周期內投入的初投資和運行費用的總和，是分析設備投資方案的重要依據。現對以上兩種空調冷熱源方案進行壽命周期費用計算，得出最佳的空調方案。空調系統壽命按15a、利率按10%計算，采用“費用現值比較法（PC法）”計算出二種空調方案投資費用現值如下：

土壤熱泵系統：

電制冷+電鍋爐采暖系統：

從計算結果可得出，土壤源熱泵冷熱源方案的壽命周期費用現值最低，從經濟角度分析得出土壤熱泵方案為最優方案。土壤源熱泵系統靜態投資回收期約2a，投資回收期較短。

土壤熱泵系統作為輻射系統冷熱源，能很好地與輻射系統相結合，能達到降低輻射系統冷熱源運行能耗，滿足節能環保的相關要求，方案可行性高。

7 結語

隨著國內輻射空調系統的大力推廣應用，今后應加大埋管式土壤源熱泵系統在輻射空調系統中的應用，為降低建筑空調系統運行能耗、緩解城市電網供電壓力、節能減排做出應有貢獻。