地源热泵与风冷热泵的技术经济性能比较

  0 前言

 

  地源热泵( Ground Source Heat Pump) 技术是通过利用高位能, 在冬天, 把蓄存于土壤、地表水、地下水中相对稳定的低位能量转移到需要供热的空间, 达到供暖的目的; 在夏天, 像常规制冷机组一样, 将室内的余热转移到低位热源, 达到制冷的目的[1], [2]。冬季地源热泵能代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热, 向建筑物供暖; 夏季它向土壤、地下水或者地表水放热, 给建筑物降温; 还能供应生活用水。它是一种有效利用可再生能源的方式。

 

  土壤作为地源热泵中的一种热源, 具有温度稳定、温度范围适宜、随处可得和热容较大等优点, 但作为地源热泵一种重要形式的土壤源热泵也有其设备的初投资较高, 对设备的安装调试有较高要求等问题[3]。本文对地源热泵进行详细的技术经济性能分析与运行效果验证。

 

  1 热泵系统的技术性能比较

 

  现以上海某空调公司的办公楼空调系统为例, 此办公楼空调面积为520 m2, 按冷负荷指标125 W/m2 和热负荷指标80 W/m2 估算, 其建筑总冷负荷为65 kW, 建筑总热负荷为41.6 kW。以空气源热泵为比较参照, 拟分别采用地源热泵机组和风冷热泵机组, 从运行条件和技术性能方面进行对比分析[4]。

 

  1.1 运行条件比较

 

  风冷热泵系统可用于采暖和空调制冷, 但机组常年暴露在室外, 其正常运行受环境的影响很大。当室外空气温度降低, 其供热量减小, 特别是当空气温度低于- 5 ℃时, 热泵就难以正常工作,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, 使用寿命缩短。此外, 空气源热泵的蒸发器上容易结霜, 需要定期除霜。这也损失相当多的能量, 一般除霜损失约占热泵总能耗损失的10.2%。

 

  由于地源热泵是通过地热换热器与土壤进行换热, 且土壤的温度稳定、温度范围适宜, 所以环境对其的运行工况影响极小。通过合理设计且机组间歇运行, 土壤温度将恢复较快, 系统就能保持较高的制冷或供热系数。地热换热器没有运动元件, 埋在地下的管子经久耐用, 从而地源热泵使用寿命长, 均在20 年左右。另外, 地源热泵机组紧凑, 节省空间, 维护费用低, 自动化控制程度高, 可无人值守。

 

  1.2 性能系数COP 值的比较

 

  风冷热泵在运行时, 其运行参数受环境温度的影响很大, 制冷量/制热量、耗功率随环境温度变化的关系如下[5]。

 

  Qx=- 0.76tx +88 ( 1)

 

  Qd=2.15td +52.2 ( 2)

 

  Nx=0.21tx +13.15 ( 3)

 

  Nd=0.25td +17.28 ( 4)

 

  式中: Qx———制冷量, kW;

 

  Qd———制热量, kW;

 

  Nx———制冷时消耗的功率, kW;

 

  Nd———制热时消耗的功率, kW;

 

  tx———夏季室外温度,℃;

 

  td———冬季室外温度,℃。

 

  根据公式( 1) ～( 4) , 利用Matlab 软件拟合出风冷热泵制冷、制热工况下的COP 曲线, 如图1与图2。对于地源热泵制冷、制热工况下的COP曲线是根据上海某地源热泵空调参数拟合而成,如图3 与图4。

 

  在制冷工况下, 风冷热泵在30～35 ℃运行,

 

  其COP 值在2.995～3.350; 地源热泵在10～20 ℃之间运行, 其COP 值达到4.200～4.800。要求热泵出水温度为7 ℃, 对于上海地区夏季室外设计温度为35 ℃, 风冷热泵的COP 值只有2.995; 上海地区土壤设计温度为15.6 ℃, 地源热泵对应的COP 值为4.420。

 

  在制热工况下, 风冷热泵在- 4～10 ℃运行, 其COP 值在2.650～3.800; 而地源热泵还是在10～20℃运行, 其COP 值在3.900～4.550。当要求热泵的设计出水温度为50 ℃时, 冬季室外设计温度为-4 ℃( 上海地区) , 其风冷热泵的COP 值只在2.650 左右; 地源热泵的运行环境温度虽没变, 但由于土壤温度与热泵出水的温差比制冷时有很大的提高。从而地源热泵的性能系数有一定的下降, 因此对应15.6 ℃的土壤温度, 地源热泵的COP 值为4.3。

 

  由此看出, 由于运行环境温度不同, 分别采用

 

  风冷热泵和地源热泵, 性能差异很大。建筑物室内外温差越小, 热泵的效率越高。采用地源热泵系统, 土壤温度比室外空气温度更接近于室内温度,若设计合理, 地源热泵比风冷热泵具有更高的效率和更好的可靠性。

 

  2 热泵系统的经济性能比较

 

  2.1 初投资比较

 

  地源热泵系统与风冷热泵系统的区别主要在于冷热源部分, 室内系统基本一致。对于风冷热泵系统, 冷热源只有室外的热泵机组;对于地源热泵系统, 冷热源除了热泵机组, 还有地热换热器。基于这一情况, 比较系统的初投资主要也就是比较冷热源部分的费用。目前, 地下埋管系统的投资为86.7 元/m。2 个方案的初投资列于表1。

 

  2.2 运行费用比较

 

  对于上述520 m2 建筑的2 种空调系统, 运行期间按每天10 h( 上午8: 00～下午6: 00) 计算, 冬夏季各按120 d 计, 机组运行系数为0.7。就上海地区, 电价峰值为0.88 元每度。运行费用列于表2。

 

  热泵的寿命期取为20 a, 风冷热泵与地源热泵系统综合费用列于表3。

 

  在20 a 使用期内, 与风冷热泵系统相比, 地源热泵系统在经济方面能节省32.4%。可见地源热泵空调系统是一种经济性非常好的技术。

 

  3 运行效果测试分析

 

  以上海某空调公司办公楼地源热泵系统为例, 通过测试的方式分析地源热泵运行效果。测试时间: 从9 月10～24 日。

 

  测试内容: ① 室外的干湿球温度; ②室内干湿球温度与湿度; ③地热换热器的进出口水的温度, 流速, 流量; ④水泵与地源热泵机组的电流与功率; ⑤送风与回风的风速、干湿球温度。

 

  测试结果分析: 本次测试时间跨度2 周, 室外天气比较炎热, 期间只有3 天多云, 一天小雨。平均室外逐时温度曲线如图5 所示。这2 个星期的平均室外逐时温度最高值为32 ℃, 出现在下午的14∶00; 本办公楼空调18∶00 停机, 此时室外温度最低为27 ℃。

 

  图6 是地热换热器的进出水的温度分布曲线。两周的逐时平均出水温度在26.5～28.5 ℃, 早晨刚开机时的出水温度较低, 在开机后几个小时内温度一直上升, 大约在11∶30 出水温度趋于平缓, 在28 ℃左右。进水温度一直在30 ℃以上, 下午达到了最高点36.5 ℃。可以明显看出, 进出水的平均温差在4 ℃左右。从整体上看, 进出水的温度高于设计温度。这是因为地热换热器经过一个夏季的运行, 地下埋管周围的土壤聚集了大量的热量没有及时地扩散, 致使土壤温度高于原始温度, 这属正常现象。本系统能保持4 ℃左右的温差仍符合设计要求。

 

  从图7 知, 室内的湿球温度几乎一直都保持在23 ℃左右, 只是在刚开机阶段, 室内的湿球温度偏高。室内干球温度保持在25～30 ℃之间, 室内干球温度从刚开机时的29 ℃降到10∶00 的26℃, 一直保持到12∶00。最高干球温度30 ℃在室外温度最高时的14∶00 出现。14∶30 以后室内温度开始下降, 直至停机时的最低温度25 ℃。同时, 室内湿度的变化也非常有规律, 从开机时的65%降到53%, 平均室内湿度55%。基本符合人体热舒适的要求。

 

  测试期间, 9 月12 日和13 日是阴天, 14 日小雨, 15 日又是阴天, 其它的天都比较炎热。所以图8 中2 种COP 曲线都从12 日开始上升, 14 日地源热泵COP 值达到最大值3.38, 风冷热泵COP值达到3.2。15 日的气温有所上升, 所以COP 值直线下降。由于前4 天的气温相对较低, 室内需要的冷量相对较少, 土壤的温度得到了一定程度的恢复, 所以在接下来的几天内地源热泵COP 值大约在3.22 左右。再经过四五天高温, 地热换热器周围又积聚了一定的热量没有扩散出去。从而图8 中的出水温度也有所增加, 致使地源热泵的COP 值都降到3.10 左右。图8 所给出地源热泵系统COP 值在3.10～3.38, 由图3 知, 上海地区使用地源热泵系统, 夏季制冷的COP 值能达到4.3。实际COP 值与理论COP 值有一定的差值。

 

  4 结论

 

  从环保角度看, 地源热泵系统运行不受环境条件制约, 不会对大气和地下水造成污染, 并且还能充分地利用地下热源, 另外, 还会产生附加经济效益。从技术角度看, 地源热泵COP 值比风冷热泵有很大的提高, 具有很好的节能效果。从综合经济性角度看, 在相同的制冷量/制热量下, 地源热泵比风冷热泵初投资要大, 但运行费用很低。在整个的运行寿命期内, 地源热泵比风冷热泵的综合费用要少得多。运行测试结果表明, 一个已经使用了4 a 的地源热泵, 运行良好, 能满足室内舒适度的要求。虽然实测的COP 值比理论值小, 但还是高于风冷热泵的COP 值。