地源热泵设计方案及运行费用分析实例

摘　要：本文对津晋高速公路津港收费站地源热泵系统的设计进行了分析与计算，并对系统的实际运行费用进行了分析。与以空气作为热源的一般空调器在相同的供热、供冷负荷下运行相比，地源热泵系统具有显著的节能效果。 ( N" r/ @) M- L' d8 m" Z3 Y$ w
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　　引言 8 i, |+ a0 c% J. l. y5 B

　　地源热泵作为热泵技术应用的一个新的分支，由于其节能和优越的环保性能，近年来正在得到广泛的应用。地源热泵是利用土壤的良好蓄热及蓄冷特性进行的热力学逆循环的一种工程应用;在冬季供热时，热泵系统通过预埋在地下的管道将储存在地下的热通过传热介质吸收，作为逆循环中的低温热源，由热泵完成逆循环并向热用户提供热量;在夏季供冷时，利用地下环境温度较低的特点使制冷系统中的冷凝温度降低，从而提高系统的制冷系数，与冷凝器直接与空气环境进行热交换的普通空调器制冷相比，有一定的节能效果。由于地源热泵系统在运行工作过程中除驱动热泵的动力外，无需其他热源或动力，而驱动热泵的动力主要是电能。因此，如不考虑电能的来源，地源热泵系统是城市供热及供冷的一种清洁能源，它不需要建立一般城市供热所需的锅炉房，同样也不存在由于燃料燃烧(燃煤、燃油)而带来的城市环境污染问题，可以实现冷热联供。此外，在实际使用中，对于一些受客观条件限制而无法采用其他供热、供冷方式的场所，如高速公路收费站、人员设备相对较少的科考站、边防哨所，地源热泵则更体现出其特有的优越性;基于以上特点，本文对津港高速公路收费站地源热泵系统的设计及实际运行效果进行了系统分析。
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　　一、地源热泵系统负荷计算 . _! i; X+ M6 O7 p; S* \6 ]

　　1.1　热泵系统负荷计算 * p. y7 t6 c6 x9 v

　　津晋高速公路天津段自天津起至大港，全长35公里，建有三个收费站。津港收费站包括综合楼、综合楼附属用房及7个收费亭。其中综合楼建筑面积为744m2;综合楼附属餐厅为80m2;7个收费亭合计建筑面积47m2;津港收费站合计总建筑面积为871m2。 * K/ G( Q; I9 y* W- |9 `6 h, d x

　　根据天津气候条件及收费站建筑物的土建围护结构，本设计采用了ASHRAE推荐提供的CLF冷负荷系数法计算收费站建筑负荷;地源热泵系统在制冷工况时，蒸发器温度为7～12℃，冷凝器温度为30～35℃，室内温度25℃。其中收费站综合楼和附属用房的供冷负荷为120W/m2，收费亭供冷负荷为220W/m2。据此，津港收费站供冷最大负荷合计为113 KW，津港收费站埋地换热器放热最大负荷合计为146 KW。
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　　热负荷计算，本设计采用了ASHRAE推荐提供的方法计算收费站建筑热负荷，地源热泵系统在制热工况时，冷凝器温度为45～50℃，蒸发器温度为2～6℃，室内温度为18℃。其中收费站综合楼和附属用房的供热负荷为100w/m2， 收费亭供负荷为120 W/m2。由此可以计算出津港收费站最大供热负荷为92KW。 & x# C" h! Q5 ]8 N2 E5 q/ y

　　1.2　室内末端系统设计
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　　津港收费站需要供热、制冷的房间位置相对比较集中，功能比较单一。根据津港收费站现场的实际情况，地源热泵系统为集中空调系统，附属用房单独设计热泵机房，室内末端系统设计采用风机盘管系统，以达到每个房间要求的空调温度。 3 u& E8 Y+ y+ \1 W5 `; l
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　　1.3　室外埋管系统设计

　　根据该建筑的实际情况设计地源热泵系统应以达到夏季制冷、冬季供热的要求，津港高速公路收费站地源热泵系统的室外埋管系统采用垂直U型埋管方式。根据埋地换热器放热最大负荷计算，采用垂直U型埋管方式需打井45口，井深100米。室外垂直埋管占地面积最小需要300平米，收费站的实际占地面积完全可以满足施工要求。此外，在埋管场地上还可建停车场、装饰或植树绿化等设施;对地面实际有效使用面积并无影响。地源热泵系统工作简图如图1所示，冬季供热和夏季供冷时，地源热泵系统通过控制四通阀可以实现冬、夏两季不同工况的转换。 ! @: O: |. D* q9 W3 z2 V
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　　二、津港收费站地源热泵空调系统运行费用

　　夏季空调运行100天，每天24小时运行。冬季空调运行120天，每天24小时运行。室内空调循环水泵功率为3 KW，室外空调循环水泵3KW，热泵机组两台，单台机组电功率13.3KW，运行系数0.49，根据有关实际运行情况及室内外参数情况，对系统在冬、夏两季的耗电量和运行费用进行了分析计算，结果如表1所示。 ) G, c3 C9 T+ c }- P' b

　　电价计算时按峰、谷、平计算，其中： ; D A& N# f7 X. C: N9 o
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　　峰电价： 0.8933(元/kw·h)， 时间：8：00～11：00　18：00～23：00 ; V& ~( Q9 F! s* g
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　　谷电价：0.2873(元/kw·h)，时间：23：00～7：00 # w2 d7 N- C0 Q

　　平电价：0.5793(元/kw·h)，时间：11：00～18：00　7：00～8：00
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　　根据现场实测数据，地源热泵系统在夏季制冷工况工作时，Cop=4.50;在冬季供热工况工作时，Cop=4.1。

　　在同样的供热和制冷负荷条件下，如采用普通的空调器进行冬季供热和夏季制冷，其中在供热工况时，普通空调器的性能系数为2.2，而在制冷工况时，制冷系数为2.9，在此条件下，运行费用为：冬季供热：71057元，夏季制冷55175元;全年共计126232元。与此相比，地源热泵可节约费用约63%。
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　　三、 结　论
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　　通过对津晋津高速公路津港收费站地源热泵系统的分析，本文得出以下结论： 9 u- P% Z+ G5 u$ W I g# G
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　　1.由于采用了地下埋管换热器，使地源热泵系统在冬季供热时的COP值增加，本文实测可达4.5，这是由于冬季工况工作时，地下温度比环境温度高，从而使地源热泵系统的蒸发温度提高，导致系统的COP值增加。 1 }* Z! a% o3 l/ {3 _0 X) a7 T
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　　2.地源热泵系统在夏季供冷时，由于地下温度低于环境温度，使热泵系统的冷凝温度降低，导致系统的制冷系数提高，高于普通空调器的制冷系数。
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　　3.与以空气作为热源的普通空调器相比，在满足相同的冷、热负荷条件下，地源热泵系统可节省运行费用65%左右。 % [; Y+ ~5 G' y! O2 A. s% z
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　　4.由于地源热泵系统无需消耗燃料，使用便捷;可以有效改进局部环境，对环境保护有积极的促进作用。 9 B! q& i$ G; w* ?8 G- B _

　　参考文献
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　　[1] 蒋能兆等，空调用热泵技术及应用，北京;机械工业出版社，1994

　　[2] 陆耀庆，实用供热空调设计手册，北京;中国建筑工业出版社，1993 # ^7 r4 t8 t$ r% ?) u8 E! y* Q

　　[3] 曾丹苓等，工程热力学(第三版)，北京;高等教育出版社，2002