秦小娜 王運平

摘 要：土壤源熱泵系統(tǒng)是對淺層地能進行利用的重要方式，可再生能源利用對于建筑的節(jié)能減排有重大意義。本文以天津市某辦公建筑為例，構造了土壤源熱泵供冷供熱系統(tǒng)和電冷機供冷燃氣鍋爐供熱系統(tǒng)兩個方案，分析計算顯示，土壤源熱泵系統(tǒng)在節(jié)能、經(jīng)濟、環(huán)保方面均優(yōu)于常規(guī)能源系統(tǒng)。

關鍵詞：土壤源熱泵系統(tǒng)；可再生能源；經(jīng)濟性

1 引言

可再生能源是指在自然界中可以不斷再生、永續(xù)利用的能源，具有取之不盡，用之不竭的特點，主要包括太陽能、風能、水能、生物質能、地熱能和海洋能等?？稍偕茉磳Νh(huán)境無害或危害極小，而且資源分布廣泛，適宜就地開發(fā)利用。

根據(jù)《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2010年和2020年，我國可再生能源開發(fā)利用量分別相當于3億噸標準煤和6億噸標準煤，可顯著減少煤炭消耗，彌補天然氣和石油資源的不足。初步估算，可再生能源達到2020年的利用量時，年發(fā)電量相當于替代煤炭約6億噸，沼氣年利用量相當于240億立方米天然氣，燃料乙醇和生物柴油年用量相當于替代石油約1000萬噸，太陽能和地熱能的熱利用相當于降低能源年需求量約7000萬噸的標準煤?？稍偕茉吹拈_發(fā)利用對改善能源結構和節(jié)約能源資源將起到重大作用。

土壤源熱泵技術是應用淺層地能的重要技術方式。地源熱泵是一種利用地球所儲藏的太陽能資源作為冷熱源，進行能量轉換的供暖制冷空調系統(tǒng)，地源熱泵是利用清潔可再生能源的一種技術。地表土壤和水體是一個巨大的太陽能集熱器，所收集的太陽輻射能量，比每年利用能量的500倍還多（地下的水體是通過土壤間接接受太陽輻射能量），它又是一個巨大的動態(tài)能量平衡系統(tǒng)，地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發(fā)散的相對平衡，地源熱泵技術的成功使用，使得利用儲存于其中的近乎無限的太陽能或地能成為現(xiàn)實。土壤源熱泵是利用地下常溫土壤溫度相對穩(wěn)定的特性，通過深埋于建筑物周圍的管路系統(tǒng)與建筑物內部完成熱交換的裝置。冬季從土壤中取熱，向建筑物供暖；夏季向土壤排熱，為建筑物制冷。它以土壤作為熱源、冷源，通過高效熱泵機組向建筑物供熱或供冷。

2 工程概況

該建筑位于天津市，建筑面積為4500m2，地上6層，主要為多層辦公，總建筑高度為25.7m。圍護結構傳熱系數(shù)：外墻0.39W/m·k，外窗2.0 W/m·k，屋面0.42 W/m·k，內隔墻0.56 W/m·k。

該建筑建于2008年，冬季空氣調節(jié)室外計算干球溫度-11℃，冬季通風室外計算溫度-4℃，夏季空氣調節(jié)室外計算干球溫度33.4℃，夏季空氣調節(jié)室外計算濕球溫度26.9℃。室外平均風速，冬季3.1m/s，夏季2.6m/s，最大凍土深度0.69m。

室內設計要求，辦公會議室內夏季26℃，相對濕度55%，冬季20℃，相對濕度40%，人員8m2/人；檔案門廳室內夏季26℃，相對濕度55%，冬季18℃。

根據(jù)諧波反應法計算冷負荷，穩(wěn)定傳熱法計算熱負荷。建筑總冷負荷410kw，冷負荷指標92W/m2，建筑總熱負荷377kw，熱負荷指標83W/m2。

3 資源概況

天津市處于華北平原東北部，平原區(qū)1 萬多平方公里，范圍均覆蓋著200米以上的松散沉積層，屬于暖溫帶半濕潤大陸與海洋過渡型季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季濕熱多雨，四季冷暖比較分明，恒溫層土壤溫度在13.5℃-15℃之間，這些條件對于開發(fā)利用淺層地熱能資源是非常有利的。同時，項目所在地具備燃氣供熱的條件。

4 冷熱源方案分析

4.1 構造兩種冷熱源方案

方案一，土壤源熱泵供冷供熱系統(tǒng)。配置模塊式熱泵機組兩臺，單臺冷量205kw，單臺制熱量226kw。模塊地源熱泵機組夏季能效比COP 5.0，冬季能效比cop 4.5。室外設置土壤埋管換熱器32口，采用雙U型垂直式埋管換熱器；.土壤源熱泵系統(tǒng)的室外部分主要包括垂直埋管換熱器、水平集管、分集水器井室及供回水干管。分集水器井室采用混凝土結構于室外地坪以下埋設，由分集水器接至能源站的供、回水干管均在室外直埋敷設。

方案二，電制冷機組供冷，燃氣鍋爐機組供熱。配置電制冷機組兩臺，單臺制冷量205kw，燃氣鍋爐2臺，單臺制熱量226kw，設置冷卻塔兩臺，單臺流量45m3/h。

4.2 兩方案特點

土壤源熱泵供冷供熱系統(tǒng)優(yōu)缺點如下：優(yōu)點為可再生能源利用，國家鼓勵，機房占地面積較小，系統(tǒng)經(jīng)濟性好，供熱不受季節(jié)限制，現(xiàn)場熱排放強度低；缺點為提高電網(wǎng)峰值負荷、降低電網(wǎng)效率，需要的埋管面積較大，使用受限，系統(tǒng)初投資較高。

電制冷機組供冷，燃氣鍋爐機組供熱的常規(guī)形式的系統(tǒng)優(yōu)缺點如下：優(yōu)點，充分利用市政資源，可靠性高；缺點，提高電網(wǎng)峰值負荷、降低電網(wǎng)效率，不利燃氣供應季節(jié)均衡性差，存在泄爆設施及煙囪，機房設置受限，冷卻塔對景觀有一定的影響。

4.3 經(jīng)濟性計算的基礎數(shù)據(jù)

能源價格：天津采用峰谷電價政策，一般工商業(yè)電價峰值1.3297元/kwh，平段0.8575元/kwh，谷段電價0.4437元/kwh。峰谷時段劃分：平段7：00-8：00，11：00-18：00，高峰時段：8：00-11：00，18：00-23：00，低谷時段：23：00-7：00。燃氣價格，一般工商業(yè)及其他用氣3.47元/m3。

設備價格：熱泵機組0.5元/m2，燃氣鍋爐0.3元/m2，土壤換熱器投資及安裝費及室外管網(wǎng)10000元/口井，電力增容費1280元/kva。

20年壽命周期年均成本LCC=（初投資+運行費*20）/20

供熱時間：11月15日至3月15日，供冷時間：6月1日至9月30日。

（4）計算結果

方案一：初投資276元/m2，運行費31.8元/m2，LCC為45.6元/m2·年。

方案二：初投資203元/m2，運行費42.5元/m2，LCC為52.6元/m2·年。

土壤源熱泵方案與常規(guī)電制冷燃氣鍋爐供冷供熱方案相比，初投資略高，運行費明顯降低，20年壽命周期年均成本占明顯優(yōu)勢。

5 結語

通過上述分析計算，土壤源熱泵方案經(jīng)濟性優(yōu)于常規(guī)電制冷燃氣鍋爐供冷供熱方案。同時，土壤源熱泵方案屬于可再生能源利用，碳排放顯著降低，對環(huán)境危害極小，在該地區(qū)適宜推廣運用。

參考文獻：

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[2] 于化倫，戴昕，地源熱泵技術經(jīng)濟分析，新能源與綠色建筑，2001

[3] 李軼，孫震，王文禮，地源熱泵經(jīng)濟性研究，《山東建筑大學學報》，2003（1）：23～26.