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地源热泵与地面供暖联合运行的可行性分析

    摘要: 介绍了地源热泵及低温地板辐射采暖系统的特点,并通过比较地源热泵及低温地板辐射供暖系统与传统冷水机组和散热器系统的初投资及运行费用,说明了地源热泵与低温地板辐射采暖系统联合运行在节能环保及运行费用方面具有较大优势,指出了为推广这种空调供暖形式需解决的问题。
   
关键词: 地源热泵 低温地板辐射采暖 节能 环保 经济性
  
  1 引言
    对于一个完整的供暖空调系统,其基本的组成都必须有三个部分,即热(冷)源、管路系统和末端(向室内供热供冷的设备装置),如何合理地选择系统的热(冷)源及末端装置一直都是建筑设备与环境工程师及科学工作者不懈努力追求的。在以往的许多资料和研究文献中大多是单独对冷(热)源或末端进行的技术、经济等各方面的分析。但是在诸多冷(热)源及末端系统的形式中选出互相匹配的源与端,对于供热、空调系统同样非常重要。
    1.1
地源热泵简介
   
地源热泵最早于1912年瑞士的一份专利文献中提出,它是一种利用地下浅层低温地热资源(常温土壤或地下水)来实现制冷制热的高效节能热泵系统,利用地能分别可以在冬季作为热泵供暖,同时大地储存冷量,以备夏季供冷使用;相反在夏季作为冷源,同时储存热量以备冬季使用,地源热泵具有以下特点:
  
1)地源热泵属于可再生能源,由于其可在冬夏两季交互地蓄存冷热量,同时地球表面吸收并蓄存了47%的太阳能,此能量是人类每年利用能量的总和的500倍之多,这种蓄存于地表浅层的近乎无限的能源是取之不尽用之不竭的可再生能源,符合能源可持续性发展的趋势。
  
2)地源热泵的污染物排放,仅相当于空气源热泵的60%,是普通锅炉供暖系统的30%。虽然其也采用制冷剂,但是比常规空调装置减少了25%的充满量,是真正的环保型系统。
  
3)地源热泵属经济高效的冷(热)源,其利用的地能或地表浅层地能的温度一年四季相对稳定,冬季比环境空气温度高,夏季比环境空气温度低,是很好的热泵热源和空调冷源,这种稳定温度使得地源热泵的COP值比较高,夏季约为4.1(传统冷源2.9),冬季3.1(传统热泵2.8),节能以及节约运行费用达40%,另外地能由于温度稳定,这就使热泵机组运行更可靠、稳定,保证了系统的稳定性、高效性、经济性。
  
4)地源热泵可以一机多用。它可以用于供暖、空调、生活热水,其适合于宾馆、商场、办公楼、学校、住宅,更适合于别墅,是一种极具发展潜力的中央空调冷()源。
    1.2
低温地板辐射供暖简介
   
低温地板辐射供暖是一种利用建筑物内部地面进行采暖的系统,该系统以整个或部分地面作为散热面,其地板散热面主要以辐射热的形式(约占总热量的61.25%)向室内散热。低温地板辐射采暖作为冬季的一种采暖形式,在国外早在20世纪30年代就得到了应用,在国内20世纪50年代在人民大会堂、华侨饭店等工程中也有所应用,但是在当时由于受到材料工业和技术条件的限制,地板供暖技术受到了制约。
   
随着我国塑料化工工业的发展,出现了耐高温、高压、抗老化、易弯曲的PEXPERTPPRPBXPAP等塑料管道,为低温地板辐射供暖技术提供了可靠的材料保证,与金属材料相比塑料管具有耐腐蚀、抗老化、成本低,地面下无接口、不易结垢、阻力小等优点,一般塑料管道使用寿命可达50年以上。
   
低温地板辐射供暖系统具有高效节能(与普通散热器采暖系统相比节能可达50%以上),运行费用低,舒适卫生、使用寿命长、便于热力计量和收费、可利用热源多、节约建筑有效使用面积等优点。
  
  2 地源热泵与地板辐射供暖的耦合分析
   
由于地源热泵系统利用浅层地能制造低温热水,其出水温度一般在50℃左右,属于低温热水,而地板辐射供暖所需水温一般也较适宜采用50℃左右的水,并且地源热泵出水温度越低其工作性能越好,机组COP值越高,从这一方面来讲,地源热泵技术与低温热水地板辐射供暖协调工作是合适的。

1 地源热泵制热量与地板辐射供暖热负荷变化曲线

 

   对于地源热泵的制热量在连续正常运行时,其制热量是稳定的,如图1中的(1)线所示。而对于建筑物地板辐射供暖所需热负荷则是每天24小时,每年365天都是在变化的如图1中(2)线所示。如何使地源热泵的供热量来适应地板供热的变化是地源热泵应用于低温低板辐射供暖的重要环节,在文献(变频控制技术在地源热泵空调系统中的应用研究)中对地源热泵的变频运行作了试验性研究,并取得了较好的耦合效果。
   
3 地源热泵与地板辐射供暖的经济性分析
  
地源热泵与地板辐射供暖的优点在本文前面已做了介绍,但是其初投资和运行费用以及节能的实际效果如何是推广这项技术的重要环节。
    3.1
地源热泵的经济分析
   
对于地源热泵的初投资及运行费用笔者根据有关文献和实际工程的分析计算得出如表1所示的对比。
    3.2
低温地板辐射供暖的经济分析
   
低温低板辐射供暖系统,其在传热过程中热面朝上,散热均匀而高效,无“脚冷头热”的感觉,也无口干舌燥的不良反映,采取地板辐射供暖与传统散热器供暖相比,其运行费用和初投资经过计算分析,其结果见表2所示。
               
1


   
注:表1运行费用每天按10h,夏季运行按90天计算,电费价格按0.53/度计算。
   
从表1可以看出,地源热泵运行费用较普通空调运行费用节能约30%,而初投资增加约28%。若以3000平方米的建筑为例,则约在5年收回其成本(一般空调的使用寿命为15年左右)。
               
2

 

    注:表2中建筑造价4000/平方米,每平方米普通散热器约占0.02平方米,运行费用按每天10h计算,冬季按100天计算,电价按0.53/度。
   
可以看出,其运行费用较普通供暖可节约能源约25%,初投资虽然直接费用较普通采暖略高,但是综合装饰及占房间面积折价等因素,地板辐射供暖反而略低。
   
综合表1和表2可以得出,对于普通水冷机组加中央换热机组选用风机盘管其初投资为288.7/平方米,地源热泵与地板采暖初投资约为323.3/平方米,初投资增加仅为10.7%,而能源节约和运行费用的减少可达为42.33%,很显然,增加的小量投资是很值得的。另外地源热泵与低温热水地板辐射采暖系统建筑新风比较容易解决,室内空气质量好,维护工作简便,安静无噪音。
低温地板辐射供冷由于地面在温度较低时容易结露或即使不结露也会使室内空气湿度升高,使室内环境变差,降低室内湿度是夏季采用地板供冷的关键,也是地源热泵与地板辐射供暖(供冷)联合运行的关键所在。关于降低室内空气湿度及防结露问题已得到解决。
   
4 尚需解决的问题
    4.1 对于地源热泵的经济性显示,其运行时间越长,效率高的特点发挥的就越好,如果全年运行,即冬季供暖、夏季用于空调、春秋季节产生卫生热水等联合运行,其节能效果会更加突出,而对于多端的联合运行,所需热泵容量的匹配以及与各端容量的耦合还有待研究。
    4.2
由于地源热泵所用浅层大地的地能,而埋管换热器的传热受到土壤的直接影响,故各地区土质对地源热泵的工作性能影响较大,具体埋地换热器的换热特性,在设计中如何选择埋地换热器也是制约地源热泵推广的重要因素之一,有待在这一方面进一步研究。

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