摘要：当前，全球都在开发各种新型能源，比如风能、核能、太阳能等。人们越来越清楚地认识到，大气、土壤、地下水、地表水中还蕴含有大量的热能可供开发。这类热能可被统称为环境热能，其特点是储量大，但是品味（即温度）低。地源热泵作为一种向建筑物提供冷量和热量的可再生能源利用技术，以其高效和部分替代常规能源的特点，通过少量的热能和电能的消耗来达到节能减排的目的。
关键词：地源热泵；煤改电；应用
引言
随着我国经济的高速发展，能源利用政策发生了转变，石油、天然气及煤等不可再生资源日益枯竭，而风能、水能、地热能等可再生资源将是未来能源结构的主体。如何更好的利用这些能源，将是我们面临的重要课题。
1地源热泵概念
地源热泵施工技术其实就是利用少量的电能来将地下浅层的能源有效转化成可供人们日常生产生活使用的能源。目前的地源热泵主要包含了地下水热泵、土壤热泵以及地表水热泵几大类，其实也可以说是清洁能源当中的一种。该项技术主要可以应用到暖通空调系统当中，实现了对室内温度的有效调节，还实现了冷热交替功能。除此之外，地源热泵技术在暖通空调当中的应用大大提升了工作效率，还有效节约了能源，降低了温室气体的排放量，实现了节能环保的目标，也可以为企业创造更多的经济效益，符合国家的可持续发展战略。
2工程概况
某公司现有6栋建筑物，总建筑面积约为6万m2，包括贵宾楼、综合楼、洗浴会所、餐饮楼、宿舍楼及KTV中心楼；现有空调及生活热水冷热源情况：冷源为螺杆式制冷机组及溴化锂制冷机组提供，热源为2×4t燃煤蒸汽锅炉提供；其中洗浴会所的空调采用独立系统（VRV空调系统），只是游泳池由集中燃煤蒸汽锅炉提供热源。现根据甲方要求，餐饮楼、宿舍楼及KTV中心楼（此3栋被称为老三楼）拆除新建1栋8层，总面积约2万m2的餐饮楼；改造的空调冷热源需要兼顾现有及新建情况。
3地源热泵在煤改电项目中的应用
3.1地埋管系统
3.1.1地埋管设计注意事项
地埋管换热系统设计前，应明确待埋管区域各种地下管线的种类、准确位置及埋深，并预留以后地下管线所需的埋管空间及埋管区域内进出重型设备的车道位置。地埋管换热系统设计时，应保证地源热泵系统总释热量和总吸热量基本平衡。有条件时，地埋管换热系统设计应进行全年动态负荷计算。
地源热泵系统最大释热量与空调设计冷负荷相对应。供冷工况下释放到循环水中的总热量，包括：各空调分区内水源热泵机组或集中式水源热泵机组释放到循环传热介质中的热量（空调冷负荷和机组压缩机功耗），传热介质在输送过程中的得热以及水泵释放到传热介质中的热量。即最大释热量=Σ[空调冷负荷×（1+1/EER）]+Σ输送过程得热量+Σ水泵释放热量。
地源热泵系统最大吸热量与空调设计热负荷相对应。供热工况下循环水的总吸热量包括：各空调分区内水源热泵机组或集中式水源热泵机组从传热介质中吸收的热量（空调热负荷，并扣除机组压缩机功耗），传热介质在输送过程中的失热量以及扣除水泵释放到传热介质中的热量。即：最大吸热量=Σ[空调热负荷×（1-1/C0P）]+Σ输送过程失热量-Σ水泵释放热量。对于最大释热量和最大吸热量相差不大的工程，应分别按供冷与供热工况进行地埋管换热器的长度计算，并取其较大者确定地埋管换热器的长度；当两者相差较大时，宜进行技术经济比较，通过增加辅助热源或增加冷却塔辅助散热的措施来解决。
3.1.2地热平衡
地埋管系统中，地热平衡较为复杂，有条件时，地埋管换热系统设计应进行全年动态负荷计算。本工程按设计负荷进行计算，每年冬季供暖天数120d，夏季制冷天数120d，每天机组运行10h，生活热水及游泳池热水按全年供应，供应天数按300d计算，每天按15h计。
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地源热泵系统总释热量（地源热泵机组制冷时）：（4930+814）×120×10-980×120×10=571.68万kWh；
地源热泵系统总吸热量（地源热泵机组制热和供热水时）：（2646-544）×120×10+（1024-196）×（300-120）×150+980×120×5=534.6万kWh；
地源热泵系统最大释热量：4930+814-980=4764kW；
地源热泵系统最大吸热量：3670-740=2930kW。
通过计算发现，地源热泵机组制冷时的最大释热量大于制热时的最大吸热量，设计采用闭式冷却塔作为辅助散热，选用200t的闭式冷却塔2台，最大散热量约为2000kW。当闭式冷却塔运行（571.67-534.6）万/2000=185.4h时，即在夏季制冷时期，每天高峰期约运行1.0h~2.0h（185.4/120=1.545h），即可实现地源热泵系统总释热量和总吸热量基本平衡。因此，本项目按地源热泵系统最大吸热量2930kW作为地埋管换热量进行计算，同时配置400t闭式冷却塔作为夏季辅助散热装置。
3.2节能性分析
3.2.1计算说明
（1）按每年冬季供暖天数120d，夏季制冷天数120d，每天机组运行10h，电费0.55kW•h；
（2）生活热水及游泳池热水按全年供应，供应天数按300d计算，每天机组运行15h；
（3）煤价格按950元/t，燃煤热值为22000kJ/kg，锅炉综合热效率按0.7考虑；
（4）地源热泵和单冷机组在夏季空调供冷情况下，电功率按相同消耗考虑，本此只对热源本身运行费用进行计算，且部分负荷下难以准确计算，不考虑部分负荷情况。
（5）计算年运行费用：
①制热机组：系统功率×运行天数×每天运行时间×电费；
②锅炉供热：
（热负荷×运行天数×每天运行时间×3.6/热值/效率）×价格。
3.2.2年运行费用计算
（1）地源热泵系统年运行费用计算：
冬季空调制热费用：（272+272）×120×10×0.55=35.9万元；
全年生活热水供应：由于夏季在空调制冷的同时，回收热量制取生活热水，所以夏季生活热水费用不用计算，其它时间制取生活热水按照机组制热模式运行。冬季生活热水费用：（98+98）×120×5×0.55+（98+98）×（300-120）×15×0.55=35.57万元。
空调热源及生活热水热源费用总计为71.47万元。
（2）燃煤锅炉系统年运行费用计算：
冬季空调制热费用：（1323+1323）×120×10×3.6/22000/0.7×950=70.5万元；
冬季生活热水费用：980×300×15×3.6/22000/0.7×950=97.94万元。
空调热源及生活热水热源费用总计为168.44万元。
（3）针对地源热泵系统和燃煤锅炉系统供热运行费用比较发现，采用地源热泵系统后，整个工程改造后，年运行费用节省为（168.44-71.47）=96.97万元。地源热泵系统总投资约为860万元，投资回报期为9年，地源热泵系统寿命为20年。不仅节省费用，且绿色环保。
结语
地源热泵系统一直以其昂贵的初投资而得不到广泛的推广，本文结合某煤改电项目，介绍了地源热泵系统的设计特点，比较分析了地源热泵系统与燃煤锅炉的运行费用，发现地源热泵系统具有良好的节能性，值得在煤改电项目中广泛推广。
参考文献：
[1]刁乃仁，方肇洪.地埋管地源热泵技术[M].北京：高等教育出版社，2006.
[2]马宏权，龙惟定.地埋管地源热泵系统的热平衡[J].暖通空调，2009，39（1）.
[3]马最良，吕悦.地源热泵系统设计与应用[M].机械工业出版社，2007.
论文作者:杨瑞萍
论文发表刊物:《电力设备》2019年第3期
论文发表时间:2019/6/20
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