地埋管热泵在湘东地区某图书馆应用的可行性分析

胡海华，谭超毅，王孟孟，潘镇镇

(1.湖南工业大学土木工程学院，湖南 株洲 412007；2.湖南工业大学协同创新中心，湖南 株洲 412007)

引言

随着我国经济发展方式的转型升级，公共建筑能够有一个舒适的室内环境已成为人们较为普遍的要求，这在一定程度上导致了空调能耗占社会总能耗的比例不断攀升。热泵技术作为一种能够有效节省能源、减少大气污染及温室气体排放的暖通新技术，渐渐成为行业发展的主流。其中，一种以岩土、地下水或地表水为低温热源，由地热能交换系统、热泵机组、建筑物内系统组成的地源热泵系统作为热泵的形式之一，近年来装机容量年增长率达10%～30%，且应用范围日益扩大。

依据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统可分为地埋管热泵系统、地下水热泵系统及地表水热泵系统。其中,地埋管热泵系统因具有可再生、节能、环保及寿命周期长的巨大优势而倍受广大用户和工程人员的青睐。与此同时，地埋管热泵系统的应用也遇到不少难题，主要表现在占地面积大、初投资高及适用自然条件相对较为苛刻等几个方面。所以此项技术是不能不分场合、不分条件地加以应用的，而必须在充分了解当地场地环境、地质及用户情况等条件下，并对工程进行可行性分析的基础上，决定是否应用地埋管热泵技术。在此，将论证湘东地区某图书馆地埋管热泵工程的可行性，并以此为依据,对其在湘东地区的应用前景进行分析，为地区类似工程提供参考。

1 可行性分析

在工程中如何确定项目应用地埋管热泵是否具有可行性，下面以湖南工业大学河西校区图书馆地埋管热泵工程为例，对其进行可行性分析。

1.1 工程概况

图书馆位于湖南省株洲市湖南工业大学河西校区内，占地面积为7290 m2，总建筑面积为35545.6m2，其中地下面积为2098.6m2，建筑高度为32.40m。全年总冷负荷为6.34×105kWh，全年总热负荷为5.91×105kWh。建筑层数为地上七层及地下一层。功能区主要包括报告厅、办公室、演播室、休闲咖啡厅、电子阅览室、开放式阅览室，网络中心等。

1.2 场地情况

从建筑规划平面图可以看出，图书馆处于校区中心，南侧为中心广场，广场南侧为人工湖，该部分场地面积较大。将广场作为地埋管拟建区域，场地面积较为宽裕，完全具备地埋管地源热泵系统施工建设的基础条件。

1.3 方案选择

方案选择，首先应考虑空调项目的使用性质和具体使用要求，然后因地制宜，全面分析，按初投资、年运行费用、能源供应、环境影响等因素，进行综合评价，选择能源结构合理、能源利用率较高、对环境影响小、投资回报高的优化方案，即地埋管热泵系统。

此系统由地埋管换热器、热泵机组和室内空调末端系统三部分组成。在夏季，地埋管内传热介质通过水泵送入冷凝器，将热泵机组排放的热量带走并释放给地层；蒸发器中产生的冷水，通过循环水泵送至空调末端设备对房间进行供冷。在冬季，热泵机组通过地下埋管吸收地层的热量，冷凝器产生的热水，则通过循环水泵送至空调末端设备对房间进行供暖。

考虑到土壤热平衡的要求，本空调系统冷热源拟采用地源热泵螺杆机组+单冷螺杆机组，夏季由地源热泵螺杆机组和单冷螺杆机组共同提供冷量，冬季由地源热泵螺杆机组提供热量，地埋管采用垂直布管形式。

1.4 岩土体热物性测试

地埋管热泵工程建设前应对建筑物选址处埋管区域的地质情况进行勘探，并做岩土体热物性测试，测试主要内容为拟埋管场地的深层岩土体热物性。得出岩土体的平均导热系数、容积比热值、初始平均温度和主要地质构成等，初步判断拟埋管区域岩土体的换热能力、钻孔的难易程度及造价情况等。

本项目通过岩土体热物性测试发现：岩土体初始平均温度为18.6℃、平均导热系数为2.73 W/(m·℃)、体积比热容为3.32×106kJ/(m3·℃)，地质主要由1m的回填土层、0.5m的耕种土层、2.5m的粘土层及2.5m以下的红砂岩层构成。以上数据表明，拟埋管区域岩土体的换热能力强、钻孔难易程度属中等水平，满足地埋管热泵系统的适用自然条件。

1.5 节能效果

判断系统节能效果是否良好，必须找到一个比较对象。因此，为了更好地体现此地埋管热泵系统的节能效果，将常规空调系统作为比较对象。在分别计算出此地埋管热泵系统及常规空调系统两种冷热源形式的年耗能量的基础上，通过数据比较得出此地源热泵系统的节能效果。

1.5.1 地源热泵系统

(1)能效比计算

系统能效可按式(1)、式(2)计算。

式中：COPSL为地埋管热泵系统的制冷能效比；COPSH为地埋管热泵系统的制热能效比；QSL为总制冷量，kW；QSH为总制热量，kW；Ni为热泵机组所消耗的电量，kW；Nj为水泵所消耗的电量，kW。

将表2中的相关数据代入式(1)、式(2)，则可得制冷能效比COPSL=4.2，制热能效比COPSH=4.0。

(2)节能量计算

地埋管热泵系统在供冷季、供暖季的耗电量可按式(3)、式(4)计算。

式中：EL为地埋管热泵系统制冷年耗电量，kWh；EH为地埋管热泵系统制热年耗电量，kWh；∑QL为建筑全年累计冷负荷，kWh；∑QH为建筑全年累计热负荷，kWh。

代入相关负荷数据可得制冷年耗电量EL=1.51×105kWh,制热年耗电量EH=1.48×105kWh。由此可得总耗电量为2.99×105kWh。每1 kWh折合成一次能源10.265MJ,标准煤的发热值29.3MJ/kg，折合成标准煤:105t。

1.5.2 常规空调系统

常规空调系统年耗电量可根据《可再生能源建筑应用工程项目测评导则(试行)》的节能量的计算方法。制热：选取燃气锅炉房作为比较对象，锅炉效率取70%，天然气热值取35.6MJ/Nm3；制冷：选取常规水冷冷水机组作为比较对象，其系统能效比可按表1选取。

由此可计算出常规空调系统夏季供冷耗电量为2.83×105kWh，折合成标准煤为99t；冬季供热耗气量为85377m3，折合成标准煤为104t。由此可得常规空调系统全年总能耗为203t标准煤。

1.5.3 节能量

由1.5.1节及1.5.2节计算结果可知，地埋管热泵系统相对常规空调系统的全年节能量为203-105=98t标准煤。由此可以看出，地埋管热泵系统具有良好的节能效果。

1.6 经济效益

1.6.1 初投资

地埋管热泵系统及常规空调系统初投资见表2、表3。

表3 常规空调系统(不含末端)

1.6.2 运行费用

电价按0.8元/kWh计算，燃气费按3.0元/Nm3计算。地埋管热泵系统的全年运行费用：2.99×105×0.8=2.39×105元。常规空调系统的全年运行费用：2.83×105×0.8+85377×3=4.82×105元。

1.6.3 年经营费用比较及分析

年经营费用由固定费与运行费组成，将初投资P折算成等额年金,即为固定费A，可按式(5)计算。

式中：i为年利率，一般按5.1875%计；n为折旧年限，一般按50年计。

代入相关数据可得到地埋管热泵系统及常规空调系统的固定费分别为：21.36万元、10.65万元。因此，可得到二者的年经营费用分别为：45.26万元、58.85万元，且地埋管热泵系统相对常规空调系统的回收年限为7.8年。

由上述计算结果可知，本项目采用地埋管热泵系统时初投资高于常规空调系统，年运行费用则相反，地源热泵系统年经营费用也高于常规空调系统。但是当地埋管热泵系统运行7.8年后，高出的初投资费用可以回收，完全符合工程经济性要求。

1.7 环保效益

根据《可再生能源建筑应用工程项目测评导则》，参照消耗一次能源所产生的温室气体和污染气体量，对工程项目应用地埋管热泵空调系统所带来的环保效益进行评价。根据消耗一次能源所产生的温室气体和污染气体量的类型，确定对以下三种污染物的减排量进行评估。

(1)二氧化碳减排量

QCO2=2.47Qbm

(6)

式中：QCO2为二氧化碳减排量，t/年；Qbm为标准煤节约量，t/年。代入相关数据计算可得QCO2=242.1t/年。

(2)二氧化硫减排量

QSO2=0.02Qbm

(7)

式中：QSO2为二氧化硫减排量，t/年。代入相关数据计算可得QSO2=1.96t/年。

(3)粉尘减排量

QFC=0.01Qbm

(8)

式中：QFC粉尘减排量，t/年。代入数据计算可得QFC=0.98t/年。

由式(6)、式(7)、式(8)计算结果可知，地埋管热泵系统消耗一次能源所产生的温室气体和污染气体量较少，具有良好的环保效益。

2 推广前景分析

地埋管热泵技术经过几十年的研究、推广应用，已基本形成了一套比较成熟的地埋管热泵工程设计、施工及管理等应用技术，并取得了显著的经济效益、社会效益及环保效益。随着这一技术的快速普及，它的应用范围正在不断扩大，主要体现在以下三个方面。

(1)节能技术的发展要求。随着我国城镇化的加速推进，空调能耗比例不断攀升。通过上述分析可知，地埋管热泵不仅技术上可靠、通用性强，而且经济效益、社会效益及环保效益显著。所以地埋管热泵不失为该地区节能事业发展的一个主要方向之一。

(2)政府鼓励发展和积极引导。地埋管热泵作为一种可有效利用可再生能源的暖通新技术，已经得到政府部门的高度重视。为了切实推行此类节能技术的发展，国家和地方均在积极采取措施。通过颁布《可再生能源法》、设立可再生能源和新能源高新技术产业化专项资金等措施积极引导，同时相继颁布《水源热泵机组》、《地源热泵系统工程规范》等技术规范保障此项技术的发展，为地埋管热泵技术的发展提供了政策支持和强有力的技术支撑。

(3)区域发展优势。湘东地区属于长江流域，按我国建筑气候划分，属于夏热冬冷地区。根据该气候区的气候特点[6],该地区供冷和供暖大致相当，冷热负荷基本相同，故适合在该地区推广地埋管热泵技术，从而充分发挥土壤源蓄能的作用。

可以预见，地埋管热泵将成为应用于湘东地区的主要暖通技术之一。

3 结论

地埋管热泵作为一种利用可再生能源的暖通新技术，具有广泛的应用前景。但是，它的应用也更加需要因地制宜，工程建设前做好可行性分析，将其几个难点控制在合理的范围内，综合考虑各项因素后再做决策，使这项暖通新技术能真正发挥其应有的效益。

经分析，湖南工业大学河西校区图书馆空调工程项目采用地埋管热泵系统是可行的。从发展背景、政策引导及区域特征来看，本项目具有良好的工程示范性，为湘东地区的类似工程提供了一个很好的借鉴。

[1] 曹晓庆，郑浩，李菊.江水源热泵在上海地区应用的可行性分析[J].制冷与空调,2009,9(1)：32-35

[2] 仇君，李梨叶，朱晓慧，等.地源热泵空调系统可行性分析及设计软件开发[J].节能，2008，313(8)：18-20

[3] 常静，徐晓红，倪本会．某高校图书馆地源热泵可行性分析及工程管理中的几点建议[J]．制冷空调与电力机械，2010，31(136)：27-30

[4] 聂会元，吴艳菊，王勇．中国气候区淡水源热泵适应性分析[J]．重庆大学学报，2008,30(3)：112-115

[5] GB 50366一2005.地源热泵系统工程技术规范[S]

[6] 刘盛酉.夏热冬冷地区阅览室辐射空调系统研究[D]．湖南：湖南工业大学，2013