地源熱泵與低溫地板輻射供暖聯合運行的可行性分析

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對于一個完整的供暖空調系統(tǒng)，其基本的組成都必須有三個部分組成，即熱（冷）源、管路系統(tǒng)和末端（向室內供熱供冷的設備裝置），如何合理地選擇系統(tǒng)的熱（冷）源及末端裝置一直都是建筑設備與環(huán)境工程師及科學工作者不懈努力追求的。在以往的許多資料和研究文獻中大多是單獨對冷（熱）源^[1]-[10]或末端^[11]-[16]進行的技術、經濟等各方面的分析。但是在諸多冷（熱）源及末端系統(tǒng)的形式中選出互相匹配的源與端，對于供熱、空調系統(tǒng)同樣非常重要。

1.1 地源熱泵簡介

地源熱泵最早于1912年瑞士的一份專利文獻中提出^[4][5]，它是一種利用地下淺層低溫地熱資源（常溫土壤或地下水）來實現制冷制熱的高效節(jié)能熱泵系統(tǒng)，利用地能分別可以在冬季作為熱泵供暖，同時大地儲存冷量，以備夏季供冷使用；相反在夏季作為冷源，同時儲存熱量以備冬季使用，地源熱泵具有以下特點：

（1）地源熱泵屬于可再生能源，由于其可在冬夏兩季交互地蓄存冷熱量，同時地球表面吸收并蓄存了47％的太陽能，此能量是人類每年利用能量的總和的500倍之多^[4]，這種蓄存于地表淺層的近乎無限的能源是取之不盡用之不竭的可再生能源，符合能源可持續(xù)性發(fā)展的趨勢。

（2）地源熱泵的污染物排放，僅相當于空氣源熱泵的60％，是普通鍋爐供暖系統(tǒng)的30％。^[4]，雖然其也采用制冷劑，但是比常規(guī)空調裝置減少了25％的充滿量，是真正的環(huán)保型系統(tǒng)。

（3）地源熱泵屬經濟高效的冷（熱）源，其利用的地能或地表淺層地能的溫度一年四季相對穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調冷源，這種穩(wěn)定溫度使得地源熱泵的COP值比較高，夏季約為4.1（傳統(tǒng)冷源2.9），冬季3.1（傳統(tǒng)熱泵2.8）^[10]，節(jié)能以及節(jié)約運行費用達40％^[4]，另外地能由于溫度穩(wěn)定，這就使熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、高效性、經濟性。

（4）地源熱泵可以一機多用。它可以用于供暖、空調、生活熱水，其適合于賓館、商場、辦公樓、學校、住宅，更適合于別墅，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ闹醒肟照{冷(熱)源。

1.2 低溫地板輻射供暖簡介

低溫地板輻射供暖是一種利用建筑物內部地面進行采暖的系統(tǒng)，該系統(tǒng)以整個或部分地面作為散熱面，其地板散熱面主要以輻射熱的形式（約占總熱量的61.25％）^[16]向室內散熱。低溫地板輻射采暖作為冬季的一種采暖形式，在國外早在20世紀30年代就得到了應用，在國內20世紀50年代在人民大會堂、華僑飯店等工程中也有所應用，但是在當時由于受到材料工業(yè)和技術條件的限制，地板供暖技術受到了制約。

隨著我國塑料化工工業(yè)的發(fā)展，出現了耐高溫、高壓、抗老化、易彎曲的PEX、PPR、PB、XPAP等塑料管道，為低溫地板輻射供暖技術提供了可靠的材料保證，與金屬材料相比塑料管具有耐腐蝕、抗老化、成本低，地面下無接口、不易結垢、阻力小等優(yōu)點，一般塑料管道使用壽命可達50年以上。

低溫地板輻射供暖系統(tǒng)具有高效節(jié)能（與普通散熱器采暖系統(tǒng)相比節(jié)能可達50％以上）^[17]，運行費用低，舒適衛(wèi)生、使用壽命長，便于熱力計量和收費，可利用熱源多、節(jié)約建筑有效使用面積等優(yōu)點。

2 地源熱泵與地板輻射供暖的耦合分析

由于地源熱泵系統(tǒng)利用淺層地能制造低溫熱水其出水溫度一般在50℃左右屬于低溫熱水，而地板輻射供暖所需水溫一般也較適宜采用50℃左右的水，并且地源熱泵出水溫度越低其工作性能越好，機組COP值越高，從這一方面來講，地源熱泵技術與低溫熱水地板輻射供暖協調工作是合適的。

對于地源熱泵的制熱量在連續(xù)正常運行時，其制熱量是穩(wěn)定的，如圖1中的（1）線所示。而對于建筑物地板輻射供暖所需熱負荷則是每天24小時，每年365天都是在變化的如圖1中（2）線所示。如何使地源熱泵的供熱量來適應地板供熱的變化是地源熱泵應用于低溫低版輻射供暖的重要環(huán)節(jié)，在文獻^[18]中對地源熱泵的變頻運行作了試驗性研究，并取得了較好的耦合效果。

3 地源熱泵與地板輻射供暖的經濟性分析

地源熱泵與地板輻射供暖的優(yōu)點在本文前面已做了介紹，但是其初投資和運行費用以及節(jié)能的實際效果如何是推廣這項技術的重要環(huán)節(jié)。

3.1 地源熱泵的經濟分析

對于地源熱泵的初投資及運行費用筆者根據有關文獻^[6][9][10]和實際工程的分析計算得出如表1所示的對比。

3.2 低溫地板輻射供暖的經濟分析

低溫低版輻射供暖系統(tǒng)，其在傳熱過程中熱面朝上，散熱均勻而高效，無“腳冷頭熱”的感覺，也無口干舌燥的不良反映，采取地板輻射供暖與傳統(tǒng)散熱器供暖相比，其運行費用和初投資經過計算分析，其結果見表2所示。

系統(tǒng)名稱

運行費用

可比初投資

（元/m²）

備注

COP

元/m²年

夏季

冬季

水冷機組+

中央熱水機組

2.9

2.8

27

166.7

按國產機組計算

地源熱泵系統(tǒng)

4.1

3.1

18.9

233.3

按1.8m/m²地換熱器計算

從表1可以看出，地源熱泵運行費用較普通空調節(jié)能及運行費用約30％，而初投資增加約28％。若以3000m²的建筑為例，則約在5年收回其成本（一般空調的使用壽命為15年左右）。

供暖方式

一次性投資

運行費用

（元/年）

使用年限

（年）

每m²造價

（元/m²）

裝修費

（元）

占建筑面積折價（元）

合價

（元）

普通散熱器供暖

40

20-50

80

140-170

19.5

10-15

地板輻射供暖

50

40

（地板增厚）

90

16.67

30

風機盤管

110

12

122

20

10-15

可以看出，其運行費用較普通供暖可節(jié)約能源約25％，初投資雖然直接費用較普通采暖略高，但是綜合裝飾及占房間面積折價等因素，地板輻射供暖反而略低。

綜合表1和表2可以得出，對于普通水冷機組加中央換熱機組選用風機盤管其初投資為288.7元/m²，地源熱泵與地板采暖初投資約為323.3元/m²，初投資增加僅為10.7％，而能源節(jié)約和運行費用的減少可達為42.33％，很顯然，增加的小量投資是很值得的。另外地源熱泵與低溫熱水地板輻射采暖系統(tǒng)建筑新風比較容易解決，室內空氣質量好，維護工作簡便，安靜無噪音。

4 尚需解決的問題

4.1 對于地源熱泵的經濟性顯示，其運行時間越長，效率高的特點發(fā)揮的就越好，如果全年運行，即冬季供暖、夏季用于空調、春秋季節(jié)產生衛(wèi)生熱水等聯合運行，其節(jié)能效果會更加突出，而對于多端的聯合運行，所需熱泵容量的匹配以及與各端容量的耦合還有待研究。

4.2 低溫地板輻射供冷由于地面在溫度較低時容易結露或即使不結露也會使室內空氣濕度升高，使室內環(huán)境變差，降低室內濕度是夏季采用地板供冷的關鍵，也是地源熱泵與地板輻射供暖（供冷）聯合運行的關鍵所在。如何降低室內的空氣濕度還有待從理論到措施的研究。

4.3 由于地源熱泵所用淺層大地的地能，而埋管換熱器的傳熱受到土壤的直接影響，故各地區(qū)土質對地源熱泵的工作性能影響較大，具體埋地換熱器的換熱特性，在設計中如何選擇埋地換熱器也是制約地源熱泵推廣的重要因素之一，有待在這一方面進一步研究