胡海華，譚超毅，王孟孟，潘鎮(zhèn)鎮(zhèn)

(1.湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2.湖南工業(yè)大學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 株洲 412007)

引言

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展方式的轉(zhuǎn)型升級，公共建筑能夠有一個舒適的室內(nèi)環(huán)境已成為人們較為普遍的要求，這在一定程度上導(dǎo)致了空調(diào)能耗占社會總能耗的比例不斷攀升。熱泵技術(shù)作為一種能夠有效節(jié)省能源、減少大氣污染及溫室氣體排放的暖通新技術(shù)，漸漸成為行業(yè)發(fā)展的主流。其中，一種以巖土、地下水或地表水為低溫?zé)嵩?，由地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、熱泵機組、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的地源熱泵系統(tǒng)作為熱泵的形式之一，近年來裝機容量年增長率達(dá)10%～30%，且應(yīng)用范圍日益擴大。

依據(jù)地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)可分為地埋管熱泵系統(tǒng)、地下水熱泵系統(tǒng)及地表水熱泵系統(tǒng)。其中,地埋管熱泵系統(tǒng)因具有可再生、節(jié)能、環(huán)保及壽命周期長的巨大優(yōu)勢而倍受廣大用戶和工程人員的青睞。與此同時，地埋管熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用也遇到不少難題，主要表現(xiàn)在占地面積大、初投資高及適用自然條件相對較為苛刻等幾個方面。所以此項技術(shù)是不能不分場合、不分條件地加以應(yīng)用的，而必須在充分了解當(dāng)?shù)貓龅丨h(huán)境、地質(zhì)及用戶情況等條件下，并對工程進行可行性分析的基礎(chǔ)上，決定是否應(yīng)用地埋管熱泵技術(shù)。在此，將論證湘東地區(qū)某圖書館地埋管熱泵工程的可行性，并以此為依據(jù),對其在湘東地區(qū)的應(yīng)用前景進行分析，為地區(qū)類似工程提供參考。

1 可行性分析

在工程中如何確定項目應(yīng)用地埋管熱泵是否具有可行性，下面以湖南工業(yè)大學(xué)河西校區(qū)圖書館地埋管熱泵工程為例，對其進行可行性分析。

1.1 工程概況

圖書館位于湖南省株洲市湖南工業(yè)大學(xué)河西校區(qū)內(nèi)，占地面積為7290 m2，總建筑面積為35545.6m2，其中地下面積為2098.6m2，建筑高度為32.40m。全年總冷負(fù)荷為6.34×105kWh，全年總熱負(fù)荷為5.91×105kWh。建筑層數(shù)為地上七層及地下一層。功能區(qū)主要包括報告廳、辦公室、演播室、休閑咖啡廳、電子閱覽室、開放式閱覽室，網(wǎng)絡(luò)中心等。

1.2 場地情況

從建筑規(guī)劃平面圖可以看出，圖書館處于校區(qū)中心，南側(cè)為中心廣場，廣場南側(cè)為人工湖，該部分場地面積較大。將廣場作為地埋管擬建區(qū)域，場地面積較為寬裕，完全具備地埋管地源熱泵系統(tǒng)施工建設(shè)的基礎(chǔ)條件。

1.3 方案選擇

方案選擇，首先應(yīng)考慮空調(diào)項目的使用性質(zhì)和具體使用要求，然后因地制宜，全面分析，按初投資、年運行費用、能源供應(yīng)、環(huán)境影響等因素，進行綜合評價，選擇能源結(jié)構(gòu)合理、能源利用率較高、對環(huán)境影響小、投資回報高的優(yōu)化方案，即地埋管熱泵系統(tǒng)。

此系統(tǒng)由地埋管換熱器、熱泵機組和室內(nèi)空調(diào)末端系統(tǒng)三部分組成。在夏季，地埋管內(nèi)傳熱介質(zhì)通過水泵送入冷凝器，將熱泵機組排放的熱量帶走并釋放給地層；蒸發(fā)器中產(chǎn)生的冷水，通過循環(huán)水泵送至空調(diào)末端設(shè)備對房間進行供冷。在冬季，熱泵機組通過地下埋管吸收地層的熱量，冷凝器產(chǎn)生的熱水，則通過循環(huán)水泵送至空調(diào)末端設(shè)備對房間進行供暖。

考慮到土壤熱平衡的要求，本空調(diào)系統(tǒng)冷熱源擬采用地源熱泵螺桿機組+單冷螺桿機組，夏季由地源熱泵螺桿機組和單冷螺桿機組共同提供冷量，冬季由地源熱泵螺桿機組提供熱量，地埋管采用垂直布管形式。

1.4 巖土體熱物性測試

地埋管熱泵工程建設(shè)前應(yīng)對建筑物選址處埋管區(qū)域的地質(zhì)情況進行勘探，并做巖土體熱物性測試，測試主要內(nèi)容為擬埋管場地的深層巖土體熱物性。得出巖土體的平均導(dǎo)熱系數(shù)、容積比熱值、初始平均溫度和主要地質(zhì)構(gòu)成等，初步判斷擬埋管區(qū)域巖土體的換熱能力、鉆孔的難易程度及造價情況等。

本項目通過巖土體熱物性測試發(fā)現(xiàn)：巖土體初始平均溫度為18.6℃、平均導(dǎo)熱系數(shù)為2.73 W/(m·℃)、體積比熱容為3.32×106kJ/(m3·℃)，地質(zhì)主要由1m的回填土層、0.5m的耕種土層、2.5m的粘土層及2.5m以下的紅砂巖層構(gòu)成。以上數(shù)據(jù)表明，擬埋管區(qū)域巖土體的換熱能力強、鉆孔難易程度屬中等水平，滿足地埋管熱泵系統(tǒng)的適用自然條件。

1.5 節(jié)能效果

判斷系統(tǒng)節(jié)能效果是否良好，必須找到一個比較對象。因此，為了更好地體現(xiàn)此地埋管熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效果，將常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)作為比較對象。在分別計算出此地埋管熱泵系統(tǒng)及常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)兩種冷熱源形式的年耗能量的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)比較得出此地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效果。

1.5.1 地源熱泵系統(tǒng)

(1)能效比計算

系統(tǒng)能效可按式(1)、式(2)計算。

式中：COPSL為地埋管熱泵系統(tǒng)的制冷能效比；COPSH為地埋管熱泵系統(tǒng)的制熱能效比；QSL為總制冷量，kW；QSH為總制熱量，kW；Ni為熱泵機組所消耗的電量，kW；Nj為水泵所消耗的電量，kW。

將表2中的相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)、式(2)，則可得制冷能效比COPSL=4.2，制熱能效比COPSH=4.0。

(2)節(jié)能量計算

地埋管熱泵系統(tǒng)在供冷季、供暖季的耗電量可按式(3)、式(4)計算。

式中：EL為地埋管熱泵系統(tǒng)制冷年耗電量，kWh；EH為地埋管熱泵系統(tǒng)制熱年耗電量，kWh；∑QL為建筑全年累計冷負(fù)荷，kWh；∑QH為建筑全年累計熱負(fù)荷，kWh。

代入相關(guān)負(fù)荷數(shù)據(jù)可得制冷年耗電量EL=1.51×105kWh,制熱年耗電量EH=1.48×105kWh。由此可得總耗電量為2.99×105kWh。每1 kWh折合成一次能源10.265MJ,標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱值29.3MJ/kg，折合成標(biāo)準(zhǔn)煤:105t。

1.5.2 常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)

常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)年耗電量可根據(jù)《可再生能源建筑應(yīng)用工程項目測評導(dǎo)則(試行)》的節(jié)能量的計算方法。制熱：選取燃?xì)忮仩t房作為比較對象，鍋爐效率取70%，天然氣熱值取35.6MJ/Nm3；制冷：選取常規(guī)水冷冷水機組作為比較對象，其系統(tǒng)能效比可按表1選取。

由此可計算出常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)夏季供冷耗電量為2.83×105kWh，折合成標(biāo)準(zhǔn)煤為99t；冬季供熱耗氣量為85377m3，折合成標(biāo)準(zhǔn)煤為104t。由此可得常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)全年總能耗為203t標(biāo)準(zhǔn)煤。

1.5.3 節(jié)能量

由1.5.1節(jié)及1.5.2節(jié)計算結(jié)果可知，地埋管熱泵系統(tǒng)相對常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的全年節(jié)能量為203-105=98t標(biāo)準(zhǔn)煤。由此可以看出，地埋管熱泵系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果。

1.6 經(jīng)濟效益

1.6.1 初投資

地埋管熱泵系統(tǒng)及常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)初投資見表2、表3。

表3 常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)(不含末端)

1.6.2 運行費用

電價按0.8元/kWh計算，燃?xì)赓M按3.0元/Nm3計算。地埋管熱泵系統(tǒng)的全年運行費用：2.99×105×0.8=2.39×105元。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的全年運行費用：2.83×105×0.8+85377×3=4.82×105元。

1.6.3 年經(jīng)營費用比較及分析

年經(jīng)營費用由固定費與運行費組成，將初投資P折算成等額年金,即為固定費A，可按式(5)計算。

式中：i為年利率，一般按5.1875%計；n為折舊年限，一般按50年計。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得到地埋管熱泵系統(tǒng)及常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的固定費分別為：21.36萬元、10.65萬元。因此，可得到二者的年經(jīng)營費用分別為：45.26萬元、58.85萬元，且地埋管熱泵系統(tǒng)相對常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的回收年限為7.8年。

由上述計算結(jié)果可知，本項目采用地埋管熱泵系統(tǒng)時初投資高于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，年運行費用則相反，地源熱泵系統(tǒng)年經(jīng)營費用也高于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)。但是當(dāng)?shù)芈窆軣岜孟到y(tǒng)運行7.8年后，高出的初投資費用可以回收，完全符合工程經(jīng)濟性要求。

1.7 環(huán)保效益

根據(jù)《可再生能源建筑應(yīng)用工程項目測評導(dǎo)則》，參照消耗一次能源所產(chǎn)生的溫室氣體和污染氣體量，對工程項目應(yīng)用地埋管熱泵空調(diào)系統(tǒng)所帶來的環(huán)保效益進行評價。根據(jù)消耗一次能源所產(chǎn)生的溫室氣體和污染氣體量的類型，確定對以下三種污染物的減排量進行評估。

(1)二氧化碳減排量

QCO2=2.47Qbm

(6)

式中：QCO2為二氧化碳減排量，t/年；Qbm為標(biāo)準(zhǔn)煤節(jié)約量，t/年。代入相關(guān)數(shù)據(jù)計算可得QCO2=242.1t/年。

(2)二氧化硫減排量

QSO2=0.02Qbm

(7)

式中：QSO2為二氧化硫減排量，t/年。代入相關(guān)數(shù)據(jù)計算可得QSO2=1.96t/年。

(3)粉塵減排量

QFC=0.01Qbm

(8)

式中：QFC粉塵減排量，t/年。代入數(shù)據(jù)計算可得QFC=0.98t/年。

由式(6)、式(7)、式(8)計算結(jié)果可知，地埋管熱泵系統(tǒng)消耗一次能源所產(chǎn)生的溫室氣體和污染氣體量較少，具有良好的環(huán)保效益。

2 推廣前景分析

地埋管熱泵技術(shù)經(jīng)過幾十年的研究、推廣應(yīng)用，已基本形成了一套比較成熟的地埋管熱泵工程設(shè)計、施工及管理等應(yīng)用技術(shù)，并取得了顯著的經(jīng)濟效益、社會效益及環(huán)保效益。隨著這一技術(shù)的快速普及，它的應(yīng)用范圍正在不斷擴大，主要體現(xiàn)在以下三個方面。

(1)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展要求。隨著我國城鎮(zhèn)化的加速推進，空調(diào)能耗比例不斷攀升。通過上述分析可知，地埋管熱泵不僅技術(shù)上可靠、通用性強，而且經(jīng)濟效益、社會效益及環(huán)保效益顯著。所以地埋管熱泵不失為該地區(qū)節(jié)能事業(yè)發(fā)展的一個主要方向之一。

(2)政府鼓勵發(fā)展和積極引導(dǎo)。地埋管熱泵作為一種可有效利用可再生能源的暖通新技術(shù)，已經(jīng)得到政府部門的高度重視。為了切實推行此類節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，國家和地方均在積極采取措施。通過頒布《可再生能源法》、設(shè)立可再生能源和新能源高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專項資金等措施積極引導(dǎo)，同時相繼頒布《水源熱泵機組》、《地源熱泵系統(tǒng)工程規(guī)范》等技術(shù)規(guī)范保障此項技術(shù)的發(fā)展，為地埋管熱泵技術(shù)的發(fā)展提供了政策支持和強有力的技術(shù)支撐。

(3)區(qū)域發(fā)展優(yōu)勢。湘東地區(qū)屬于長江流域，按我國建筑氣候劃分，屬于夏熱冬冷地區(qū)。根據(jù)該氣候區(qū)的氣候特點[6],該地區(qū)供冷和供暖大致相當(dāng)，冷熱負(fù)荷基本相同，故適合在該地區(qū)推廣地埋管熱泵技術(shù)，從而充分發(fā)揮土壤源蓄能的作用。

可以預(yù)見，地埋管熱泵將成為應(yīng)用于湘東地區(qū)的主要暖通技術(shù)之一。

3 結(jié)論

地埋管熱泵作為一種利用可再生能源的暖通新技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。但是，它的應(yīng)用也更加需要因地制宜，工程建設(shè)前做好可行性分析，將其幾個難點控制在合理的范圍內(nèi)，綜合考慮各項因素后再做決策，使這項暖通新技術(shù)能真正發(fā)揮其應(yīng)有的效益。

經(jīng)分析，湖南工業(yè)大學(xué)河西校區(qū)圖書館空調(diào)工程項目采用地埋管熱泵系統(tǒng)是可行的。從發(fā)展背景、政策引導(dǎo)及區(qū)域特征來看，本項目具有良好的工程示范性，為湘東地區(qū)的類似工程提供了一個很好的借鑒。

[1] 曹曉慶，鄭浩，李菊.江水源熱泵在上海地區(qū)應(yīng)用的可行性分析[J].制冷與空調(diào),2009,9(1)：32-35

[2] 仇君，李梨葉，朱曉慧，等.地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)可行性分析及設(shè)計軟件開發(fā)[J].節(jié)能，2008，313(8)：18-20

[3] 常靜，徐曉紅，倪本會．某高校圖書館地源熱泵可行性分析及工程管理中的幾點建議[J]．制冷空調(diào)與電力機械，2010，31(136)：27-30

[4] 聶會元，吳艷菊，王勇．中國氣候區(qū)淡水源熱泵適應(yīng)性分析[J]．重慶大學(xué)學(xué)報，2008,30(3)：112-115

[5] GB 50366一2005.地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S]

[6] 劉盛酉.夏熱冬冷地區(qū)閱覽室輻射空調(diào)系統(tǒng)研究[D]．湖南：湖南工業(yè)大學(xué)，2013