水环热泵空调系统在我国应用中的几个问题

     论文摘要：水环热泵空调系统在我国应用中的几个问题     0 概述

    地热作为一种清洁能源，既有"热"的价值，又有"水"的价值，采暖和生活热水的优势十分明显，在我国北方得到迅速的发展。{TodayHot}国内地热供热应用主要集中在天津、北京、河北、西安等地。天津地热供热应用较为普遍，目前天津的地热供暖面积已达500万m2，按替代燃煤锅炉供暖计算，每个供暖季替代了11万吨以上的煤，取得了良好的环境保护效益。    地热供暖中一个突出的问题是供暖后地热排放水温比较高，一般在45℃以上，有的甚至达60℃，造成了资源的浪费和环境热污染。另外，有少数地热田温度低（低于55℃）。这类低温热源要用于供暖，需进一步加热，如采用传统锅炉加热方式，供暖后的排放水温将在40℃以上。如采用热泵技不仅可回收地热的排放水热量，加热升温采暖供水温度，同时加大了地热的供暖能力，可使一口井相当于一口半至两口井使用，另外降低地热排放水温度，达到环保要求。{HotTag}

    1 地热热泵供热方案

    以往计算分析说明[1、2]：地热热泵供暖系统，以地热加热泵调峰供暖方式的供暖成本和投资低于热泵单独作热源的供暖方式。本文选取地热热泵调峰供暖作为基本系统进行三种地热热泵供热方案的技术经济性分析。

    方案 1：地热热泵调峰供暖系统

    设计地热热泵调峰供暖方案的系统原理图示，如图1。地热为供暖基本热源，满足采暖系统的基本热负荷要求，到了采暖严寒期，地热热量不能满足采暖热负荷要求，启用热泵调峰，以提高采暖循环供水温度，达到调峰供暖的要求。此系统中，地热供暖后的尾水作为热泵蒸发器的热源，因此地热的排水温度将会进一步降低。

    方案 2：地热热泵调峰供暖与生活热水供应

    在满足方案1供暖要求同时，还可兼顾生活热水的供应，即利用地热供暖后的尾水作为生活热水供应。与单一地热供暖相比较，地热供暖与生活热水供应不仅利用了地热的“热”，而且利用了地热的“水”。

    由于地热供暖后的尾水温度低于45℃，需要有将尾水加热升温的系统。这里设计以一定量地热供水55℃与一定量地热尾水相混合，达到供应45℃的生活热水，如图1，这种方案涉及到要降低地热供暖的供水流量，即降低地热的供热量，因此相应地要加大热泵的调峰量。

    方案 3：地热热泵调峰供暖生活热水供应并兼顾夏季空调在满

    足上述方案2地热热泵供热的基础上，考虑热泵兼顾夏季空调用。热泵的工作原理与制冷机相同，二者也具有相同的主要部件，只是运行的温度、压力范围不同。热泵机组一机两用，提高了设备的利用率，相应减少了采暖、空调系统的设备初投资，同时电力初装费只一次性计入，投资的经济性得以提高。热泵空调机一机两用，并且机组在夏季空调的运行时间要比冬季调峰供暖的运行时间长，因此可以把热泵初投资的50%甚至60%以上计入空调系统。

    2 地热热泵供热系统技术经济分析

    按上面提出的三种地热热泵供热方案和两类地热资源情况：地热利用后的尾水或新钻地热井，作供暖基本热源加热泵调峰进行供热。进行方案技术经济参数计算和分析的依据是北京某工程的实际参数：地热供水温度55℃，流量80t/h；采暖回水温度按35℃计算；采暖面积5万m2，按建筑节能要求，采暖热指标可采用50w/m2；当地能源价格为：电价0.36元/度，地热水费0.3元/吨，自来水水费0.7元/吨，煤价220元/吨，天然气价格1.8元/m3。由于采暖供回水温度偏低，选用终端散热器上将有所考虑。计算发现，对55℃以下的低温采暖，如采用常规暖气散热器，所需要的散热器面积至少要增加50%，相应投资也将增加50%。目前一种新兴的PP-C管地板辐射散热器正在兴起和投入使用，由于它埋在房间地板下，散热方式是由下向上辐射散热，适合人的身体和生活需要。这一特点，即使是降低它的供回水温度，如采用50℃/35℃，对它的散热效果也没有太大影响。这使得地板辐射散热器在低温采暖中有很强的竞争力。因此，可结合建筑实际情况，终端可采用暖气散热器，或采用地板辐射散热器。

    根据上面所提到的条件和参数，对三种地热热泵供热方案进行具体的计算，结果见下表1、表2。

    计算结果分析和比较：

    1、表 1 计算了不同采暖终端，新钻地热井系统的投资和单位运行成本。从三种地热供热方案看，方案1的投资低，供暖成本也低，但没有生活热水供应。综合比较，方案3 既有供暖，又有生活热水供应，同时还兼顾夏季空调，从投资和运行成本看，方案3 处在方案1 和方案2 之间，可作为优选方案。

    2、表2计算了计入和不计地热井时的经济参数计算结果。不计入地热井时，系统只有热泵、管网和采暖终端，没有地热井的投资和运行费用，其供暖成本只有计入地热井系统的55%左右。

    表 1 不同方案下地热热泵供热经济参数的计算

    终端 地热供热方案 地热井管网终端投资(万元) 热泵 初投资 (万元) 热泵单位电费 (元/m2) 供暖单位成本 (元/m2) 生活热水投资 (万元) 供水单位成本 (元/m2) 初投资 总计 (万元)

    暖气散热器 方案 1 600 124 0.70 18.02 / / 724.0

    方案 2 600 169 1.22 19.55 46 1.35 815.0

    方案 3 600 67 17.60 46 1.35 713.0

    地板散热器 方案 1 890 124 0.70 19.24 / / 1014.0

    方案 2 890 169 1.22 20.78 46 1.35 1105.0

    方案 3 890 67 18.82 46 1.35 1003.0

    暖气增加投资 方案 1 460 124 0.70 15.83 / / 584.0

    方案 2 460 169 1.22 17.37 46 1.35 675.0

    方案 3 460 67 15.41 46 1.35 573.0

    表 2 地热热泵供热与锅炉供热的比较 (按暖气增加投资计算)

    供热方案 供暖系统投资 (万元) 供暖单位成本 (元/m2) 生活热水系统投资 (万元) 供水单位成本 (元/m2) 初投资 总计 (万元)

    计入 地热井费用 地热热泵供热方案1 584 15.83 / / 584

    地热热泵供热方案2 629 17.37 46 1.35 675

地热热泵供热方案3 527 15.41 46 1.35 573

    不计 地热井费用 地热热泵供热方案1 334 8.28 / / 334

    地热热泵供热方案2 379 9.66 46 1.35 425

    地热热泵供热方案3 277 7.70 46 1.35 323

    锅炉 燃煤锅炉供热 215 13.65 70 4.50 285

    燃气锅炉供热 240 26.76 105 11.32 345

    3 地热热泵供热与锅炉供热的比较

    通常用户比较关心的是，地热热泵供热能否与传统锅炉供热相竞争，为此计算燃煤、燃气锅炉供暖及生活热水供应的初投资和单位成本，见表2，并将地热热泵供热方案（有无地热井费用两种情况）与锅炉供热二者进行投资和成本比较。

    由表2看，燃煤锅炉的供暖单位成本为13.65元/m2，地热热泵调峰供暖方案3 的供暖单位成本为15.41元/m2，比锅炉高13%，不计地热井时供暖成本为7.70元/m2，约只有锅炉的56%。但燃气锅炉的供暖成本已超过了供暖收费标准20元/m2。比较生活热水供应成本，地热供应生活热水的成本只有1.35元/吨，低于燃煤锅炉成本4.50元/吨，大大低于燃气锅炉成本11.32元/吨。

    根据上面计算得到的地热供热系统的投资和成本，以及锅炉供热的投资和成本，可分别计算地热供热和锅炉供热的年毛利（供暖收入和生活热水收益）以及投资回收年限，见表3。地热热泵供热方案3 的年供暖和生活热水收益最高，可以考虑尽量扩大地热供生活热水的市场，充分用好地热的“热”和“水”。投资回收年限中，燃煤锅炉约7 年左右，地热热泵系统，计入地热井时系统的投资回收年限约 9 年左右，不计地热井时约 4 年，低于锅炉系统。应当说明当地热与锅炉供热方案对比时，占地面积引起的经济效益差别不能忽视。锅炉房要包括煤、灰埸和运输通道，通常地热井方案占地可能只及锅炉房方案的 1/5 左右。如在市中心区占地，其土地价值是相当高的。

    4 地热热泵供热的节能环保效益

    与传统锅炉供热相比，采用地热热泵供热可以取得节水和节煤效益。如按生活热水供应量40t/h计算，年供水量为87600吨，采用地热供应生活热水取代锅炉加热自来水方式，则年节水量为87600吨，这不仅节约了水费约6万元，更主要的是节省了清洁水，这对缺水地区是非常有意义的。

    按 5 万m2 的建筑采暖，年单位耗煤量21.53kg/m2 计算，采用地热热泵供暖替代锅炉供暖，每个采暖季可节省耗煤量1077 吨。另外生活热水供应量为87600 吨/年，如采用锅炉加热，计算出年耗煤量为980吨/年。这样可以计算出采用地热供热替代锅炉供热，每年可节煤 2057 吨，按煤价 220元/吨计算，相当于节省45.3万元。

    表 3 地热供热与锅炉供热的投资回收 (按暖气增加投资计算)

    单位 方案1 方案2 方案3 锅炉 燃气锅炉

    供暖面积 万 m2 5

    供暖收费标准 元/m2 20

单位供暖成本 元/m2 8.28 9.66 7.70 13.65 26.76

    供暖毛利 万元/年 58.60 51.70 61.50 31.75 -33.80

    生活热水供应量 吨/年 87600

    热水收费标准 元/吨 6

    热水供应成本 元/吨 / 1.35 1.35 4.50 11.32

    热水供应毛利 万元/年 0.00 40.73 40.73 13.14 -46.60

    毛利总计 万元/年 58.60 92.43 102.23 44.89 -80.40

    计地热井费用 毛利总计 万元/年 20.85 53.88 63.68 44.89 -80.40

    系统投资 万元 584 675 573 285 345

    投资回收年限 年 28.0 12.5 9.0 6.3 无

    单位面积投资费 元/m2 116.8 135.0 114.6 57.0 69.0

    不计地热井 费用 毛利总计 万元/年 58.60 92.43 102.23 44.89 -80.40

    系统投资 万元 334 425 323 285 345

    投资回收年限 年 5.7 4.6 3.2 6.3 无

    单位面积投资费 元/m2 66.8 85.0 64.6 57.0 69.0

    替代燃煤锅炉供热，节煤2057 吨所减少的对空气污染量，可计算出相应治理污染量所需的费用约12.4万元。按上述所计算出的替代燃煤锅炉供热所达到的节水、节煤和环保效益，可以得出一个总的效益值为：

    6万元（节水）+ 45.3 万元（节煤）+ 12.4万元（环保）=63.7万元

    此为地热热泵供热替代燃煤锅炉供热所取得的间接效益，由此可计算地热热泵供热方案3 的直接效益和间接效益之和为 63.68万元 + 63.7万元 = 127.38万元，如按此收益重新计算地热热泵供热方案3 的投资回收年限为 4.5年。

    5 结论

    1、根据技术经济评价结果，认为地热热泵供热方案 3 （供暖、生活热水、空调）为优选方案。

    2、地热热泵供热系统，当计入地热井时供暖单位成本为15.41元/m2，与燃煤锅炉相当，不计地热井时仅为7.70元/m2，约只有锅炉的60%，表明回收地热尾水的地热热泵调峰供暖成本是很低的。

    3、地热热泵供热系统，计入地热井时系统的投资回收年限约 9 年左右，不计地热井时约只有 4 年，低于锅炉系统的7年。

    4、地热热泵调峰供暖提高了地热利用率，同时降低地热排水温度达到环保排放标准。

    5、地热热泵供热替代燃煤锅炉供热取得节水、节煤和环保效益总计为63.7万元，由此可计算出地热热泵供热方案3 的直接效益和间接效益之和为127.38万元。

    参考文献：

    1. 李新国，低温地热运用热泵供暖的技术经济分析，《天津大学学报》，No3, 1996.

    2. 李新国，地热热泵调峰供暖系统的热力及经济分析，《太阳能学报》，No2, 1997。

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