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地埋管地源熱泵系統(tǒng)和燃?xì)忮仩t（燃?xì)鉄崴畽C(jī)組） 在北方地區(qū)的冬季使用對(duì)比分析

北方地區(qū)大型建筑設(shè)計(jì)在冬季供熱方式上的選型取決于：1、初投資2、建筑的綠色LEED認(rèn)證機(jī)構(gòu)認(rèn)可；3、可靠性；4、穩(wěn)定性；5、運(yùn)行費(fèi)用；6、維護(hù)容易。

盡管有很多方式可用來(lái)提供冬季供熱，但是北方地區(qū)超大建筑一般選擇水源熱泵空調(diào)和燃?xì)忮仩t這兩種供熱模式。

下面就這兩種供熱形式在這幾個(gè)方面做出分析。

 一、   選型

1、水源熱泵空調(diào)

1.1概述

水源熱泵空調(diào)基于節(jié)能的理念被設(shè)計(jì)和使用，其實(shí)是夏季能供冷、冬季能供熱的特殊制冷機(jī)，主要適用于有自然江河湖泊的溫?zé)釒У貐^(qū)，取水口在江河湖泊的深處，受環(huán)境溫度影響小，制冷制冷效果好，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。地埋管熱泵是水源熱泵的拓展使用，分為地埋管地源熱泵，土壤源熱泵、大地耦合式熱泵

①豎直埋管式地源熱泵，

②水平埋管式地源熱泵；

③豎直埋管＋水平埋管式地源熱泵。

1.2工作原理

地下水源熱泵因地下水位不穩(wěn)定、沉降問(wèn)題以及回灌井問(wèn)題，越來(lái)越被限制使用。而地埋管熱泵越來(lái)越得到推廣和使用，其工作原理為：

地埋管熱泵是地下水熱泵在中國(guó)地區(qū)使用的一個(gè)創(chuàng)新，在許多間距為5～8m，深度約為100m～300m左右的井孔中埋入∮32mm的PE管（豎直埋管式）；PE管與機(jī)房中的設(shè)備相連接，循環(huán)水經(jīng)PE管系統(tǒng)與地層巖土的熱交換實(shí)行夏供冷、冬供熱。理想狀態(tài)下，夏季供冷時(shí)，地源水做為熱泵機(jī)組的冷卻水進(jìn)出冷凝器，把冷凝熱帶回地下的PE管換熱器中的循環(huán)水，使之與PE管周?chē)耐寥肋M(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)冷卻塔的散熱功能。因?yàn)椴皇苁彝鉁貪穸扔绊?，夏季制冷效果良好。冬季供熱時(shí)，地源水則做為熱泵機(jī)組的熱源水進(jìn)出蒸發(fā)器，由于放出熱量而降低了溫度的地源水又回到地下PE管換熱器中，并使之與PE管周?chē)耐寥肋M(jìn)行熱交換，因受地面環(huán)境溫度影響少，熱泵機(jī)組的冷凝器會(huì)產(chǎn)出45℃～60℃的熱水進(jìn)行供熱。

1.3容易出現(xiàn)問(wèn)題

因地埋管熱泵的環(huán)保性和節(jié)能性，在很多項(xiàng)目上得到推廣和使用。然而，由于地埋管系統(tǒng)采用地耦井鋪設(shè)循環(huán)水管路，存在以下工程隱患：

1）施工人員的技術(shù)水平與新國(guó)標(biāo)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定相差甚遠(yuǎn)，基本只是簡(jiǎn)單地打壓檢漏。在使用過(guò)程中地耦井內(nèi)的PE管一旦破裂，地層泥沙滲進(jìn)來(lái)，影響系統(tǒng)使用。維修地耦井中的PE管，成本非常高昂。

2）設(shè)計(jì)方和建設(shè)方對(duì)于地耦井鋪設(shè)區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)和熱平衡問(wèn)題缺乏專(zhuān)業(yè)的技術(shù)支持，簡(jiǎn)單劃片施工，在施工過(guò)程中因地質(zhì)問(wèn)題地耦井經(jīng)常無(wú)法按設(shè)計(jì)間距施工，地耦井內(nèi)PE管散熱效果會(huì)受到影響。

3）缺乏有效的施工管理措施也決定了地埋管施工是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4）在地埋管系統(tǒng)使用過(guò)程中，PE管內(nèi)循環(huán)水厭氧菌和厭光菌的存在會(huì)產(chǎn)生管內(nèi)生物污垢膜，影響換熱效果（肉眼觀察，白色的PE管逐漸變黑）。熱泵使用效果逐年衰減已經(jīng)是不爭(zhēng)的事實(shí)。

5）地埋管熱泵系統(tǒng)要求夏季向土壤中散熱與冬季從土壤中吸熱達(dá)到平衡，才能不影響土壤的熱平衡。這就要求在熱泵使用過(guò)程中，控制冬季和夏季的使用時(shí)間基本持平。

6）地埋管熱泵系統(tǒng)對(duì)于用戶側(cè)循環(huán)水流量要求非常嚴(yán)格，任何微量增大或減少都需經(jīng)過(guò)生產(chǎn)廠家和設(shè)計(jì)單位詳細(xì)計(jì)算才能實(shí)行，在天津地區(qū)出現(xiàn)過(guò)很多因?yàn)橛脩裟┒丝照{(diào)設(shè)備改造需要水量調(diào)整而水（地）源熱泵廠家不同意的糾紛，越來(lái)越多的建設(shè)方發(fā)現(xiàn)了地源熱泵的使用限制。

但是因?yàn)闊岜蒙a(chǎn)廠家因?yàn)樯虡I(yè)利益驅(qū)動(dòng)采用多種營(yíng)銷(xiāo)方式進(jìn)行推廣，所以水地源熱泵在北方地區(qū)還是出現(xiàn)了很多初次使用的用戶。 

2、燃?xì)忮仩t（或燃?xì)鉄崴畽C(jī)組）

鍋爐供熱是北方地區(qū)傳統(tǒng)的供熱方式，中小型燃?xì)忮仩t類(lèi)型及結(jié)構(gòu)如下：

燃?xì)鉄崴仩t是指以天然氣，液化氣等可燃性氣體為燃料，全自動(dòng)供應(yīng)熱水以滿足人們的采暖、洗浴等生活需要的鍋爐。隨著環(huán)境保護(hù)與節(jié)能減排意識(shí)在全社會(huì)的不斷深入，鍋爐及采暖系統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化。燃?xì)鉄崴仩t因其具有的節(jié)能，環(huán)保．安全與自動(dòng)運(yùn)行等特點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注，目前已逐步取代傳統(tǒng)的燃煤鍋爐，成為了城市的主要供暖方式。

有效利用節(jié)能技術(shù)降低鍋爐的運(yùn)行成本，在安全運(yùn)行的前提下，盡可能延長(zhǎng)其使用壽命，是鍋爐選型的重要內(nèi)容。 

一般說(shuō)來(lái)，燃?xì)鉄崴仩t的種類(lèi)很多，如按用途可分為采暖型與洗浴型；按構(gòu)造可分為常壓式和承壓式；按結(jié)構(gòu)可以為分為立式和臥式等，各種類(lèi)的燃?xì)鉄崴仩t雖然在其構(gòu)造與外形上有一定區(qū)別，但其工作原理和運(yùn)行模式大體一致，因此其節(jié)能技術(shù)也相對(duì)具有普遍性。

2.1實(shí)現(xiàn)燃?xì)鉄崴仩t的節(jié)能運(yùn)行，

首先必須提高鍋爐組(群)的運(yùn)行效率，組(群) 的運(yùn)行效率首先是由每臺(tái)鍋爐的平均運(yùn)行 效率決定的，因此應(yīng)選配比例調(diào)節(jié)燃燒機(jī)， 并保證其安裝規(guī)范、到位，確保在30％ ～ 100％負(fù)荷工況下，鍋爐平均運(yùn)行效率接近 額定效率。

其次，由于每次鍋爐啟、停都要經(jīng)過(guò)吹掃，消耗燃?xì)?；而待機(jī)時(shí)間內(nèi)，鍋爐要面臨較大的熱量損失，因此應(yīng)盡可能減少供暖期內(nèi)各鍋爐的啟、停次數(shù)和待機(jī)時(shí)間，以提高群(組)的季節(jié)效率。

此外，還應(yīng)考慮以下幾方面的問(wèn)題：燃?xì)忮仩t的非機(jī)械故障搶修相對(duì)簡(jiǎn)單，因此可不設(shè)備用鍋爐； 由于燃?xì)忮仩t在滿負(fù)荷狀態(tài)下具有較高的排煙溫度，因此應(yīng)避免其在此狀態(tài)下工作， 以減少不必要的熱損失；多臺(tái)鍋爐運(yùn)行時(shí)， 應(yīng)采用集控系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)和管理。 在提高管網(wǎng)輸送效率方面，由于外管網(wǎng)的水平失調(diào)和室內(nèi)供暖系統(tǒng)的垂直失調(diào)損失的熱量所占比例很大，因此應(yīng)采用水力平衡系統(tǒng)和室溫調(diào)控系統(tǒng)。

 2.2選型中的節(jié)能問(wèn)題

在鍋爐的選型中，應(yīng)首先對(duì)用戶進(jìn)行實(shí)際熱需求量進(jìn)行調(diào)查，并掌握相關(guān)地區(qū)的鍋爐排放要求。在熱需求量確定后，按不同型號(hào)鍋爐的標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)量進(jìn)行選擇，并考慮不同氣源條件下鍋爐的熱值與壓力等參數(shù)。選型環(huán)節(jié)中的節(jié)能關(guān)鍵在于：應(yīng)使鍋爐在組合后具有良好的可變負(fù)荷調(diào)節(jié)能力并使其負(fù)荷與出力相匹配。

    2.3運(yùn)行中的節(jié)能技術(shù)

目前較常見(jiàn)的燃?xì)忮仩t供熱節(jié)能技術(shù)常由氣候補(bǔ)償系統(tǒng)、煙氣冷凝熱回收系統(tǒng)、 水力平衡系統(tǒng)、 氣候補(bǔ)償系統(tǒng)是由兩級(jí)泵系統(tǒng)和電動(dòng)三通閥、直供系統(tǒng)混水器、間供系統(tǒng)換熱器以及氣候補(bǔ)償器所組成的。該系統(tǒng)可根據(jù)室外溫度的變化控制和調(diào)節(jié)供水溫度，避免用戶室溫過(guò)高，能耗增加，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行曲線的自動(dòng)分段調(diào)整；根據(jù)每個(gè)鍋爐房的設(shè)備和圍護(hù)結(jié)構(gòu)狀況，隨時(shí)調(diào)整二次用戶的供水溫度，并使鍋爐在較高的回水溫度下運(yùn)行，避免冷凝水的出現(xiàn)，防止鍋爐腐蝕。煙氣冷凝熱回收系統(tǒng)則通過(guò)煙氣系統(tǒng)、水系統(tǒng)與煙氣冷凝熱能回收裝置將鍋爐的排煙溫度降至70℃ 以下，數(shù)據(jù)顯示，通過(guò)降低煙溫并將水蒸氣冷凝成水，可綜合提高鍋爐效率的3％ ～ 8％，使其熱效率高達(dá)95％以上。燃?xì)忮仩t房供熱集控系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)每臺(tái)鍋爐的各種參數(shù)和整個(gè)供熱系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算，得出理論鍋爐負(fù)荷值，并以此為依據(jù)調(diào)整鍋爐的實(shí)際負(fù)荷數(shù)以及開(kāi)啟鍋爐。通過(guò)微機(jī)對(duì)鍋爐實(shí)施集中控制，使鍋爐房?jī)?nèi)的每臺(tái)鍋爐循環(huán)運(yùn)行，根據(jù)系統(tǒng)的負(fù)荷率自動(dòng)、定時(shí)切換運(yùn)行鍋爐，從而在節(jié)能運(yùn)行的基礎(chǔ)上，延長(zhǎng)鍋爐使用壽命。

綜上所述，有效利用燃?xì)赓Y源，應(yīng)首先從認(rèn)識(shí)燃?xì)忮仩t的工作規(guī)律入手，對(duì)其選型、設(shè)置、運(yùn)行等諸多環(huán)節(jié)進(jìn)行科學(xué)合理的規(guī)劃，并采取有針對(duì)性的節(jié)能處理方法，增加煙氣流動(dòng)性，降低設(shè)備的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，以減少資源的消耗與大氣的污染。

    鍋爐熱水系統(tǒng)因其腐蝕和溶氧問(wèn)題的存在，造成鍋爐系統(tǒng)壽命降低，國(guó)內(nèi)采用了軟水設(shè)備和脫氧設(shè)備以及其他水處理設(shè)備來(lái)延緩腐蝕。

二、初投資

1、地埋管地源熱泵

工程打孔數(shù)量多，孔深度約100-300m，打孔費(fèi)用每延米約50～80元，地埋管部分前期投入成本較高。 對(duì)于大型建筑，如會(huì)展中心，規(guī)劃設(shè)計(jì)2600眼地耦井，按照每眼地耦井100米深，施工成本50米的造價(jià)，地埋管部分的工程成本為：2600X100X50=1300萬(wàn)。

設(shè)備采購(gòu)成本根據(jù)品牌不同而有高低差異，這里不做論述。

2、燃?xì)忮仩t

 燃?xì)忮仩t房的設(shè)計(jì)和建造構(gòu)成了工程成本，但無(wú)論在設(shè)計(jì)、施工及管理方面都很成熟，成本容易控制。

 燃?xì)忮仩t生產(chǎn)廠家很多，選型及采購(gòu)都比較簡(jiǎn)單。進(jìn)口品牌和國(guó)產(chǎn)品牌以及結(jié)構(gòu)、效率不同，價(jià)格差距在3～5倍不等。

三、   運(yùn)行費(fèi)用

地埋管地源熱泵系統(tǒng)在大型公建項(xiàng)目冬季供熱時(shí)與燃?xì)忮仩t的運(yùn)行費(fèi)用，在初期使用時(shí)基本持平。五年以后，地源熱泵系統(tǒng)因地埋管側(cè)水質(zhì)形態(tài)發(fā)生變化（水垢、微生物污泥附著在PE管內(nèi)壁，PE管內(nèi)循環(huán)水與土壤巖石換熱效率降低，制冷量和制熱量會(huì)出現(xiàn)大幅度衰減，運(yùn)行費(fèi)用反而出現(xiàn)增高。

所謂的地源熱泵節(jié)能是和其他電制冷取暖形式比較，從原理上應(yīng)該比較節(jié)能，但因?yàn)榈卦礋岜檬軝C(jī)組以外因素影響太多，所以是否能夠?qū)崿F(xiàn)理論上的節(jié)能還有待于更多工程用戶的反饋信息。

燃?xì)忮仩t只要有效解決腐蝕和溶氧問(wèn)題，運(yùn)行費(fèi)用不會(huì)出現(xiàn)高低起伏。

四、   穩(wěn)定性

地源熱泵系統(tǒng)在多系統(tǒng)運(yùn)行中，因循環(huán)水流量及地耦井施工質(zhì)量及壽命等原因容易導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定；同時(shí)，如果不能實(shí)現(xiàn)夏季與冬季對(duì)土壤巖石的熱平衡相對(duì)穩(wěn)定，地埋管熱泵就會(huì)出現(xiàn)周?chē)寥缼r石板結(jié)，出現(xiàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)向土壤巖石換熱的尷尬局面。另外，地耦井施工是很多地面建筑的基礎(chǔ)，出現(xiàn)無(wú)法檢修和維護(hù)的困境。

燃?xì)忮仩t或燃?xì)鉄崴畽C(jī)組在技術(shù)上早就實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守也能正常運(yùn)行的瓶頸，不會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)及故障，可以穩(wěn)定運(yùn)行。

五、   可靠性

地埋管熱泵如果能有效保持地耦井純水（很少有用戶愿意采用高成本使用純水）及真空度，同時(shí)很好控制冬季和夏季從土壤吸熱和散熱的平衡，是具有非常高可靠性的系統(tǒng)。

燃?xì)忮仩t或燃?xì)鉄崴畽C(jī)組相對(duì)來(lái)說(shuō)非常可靠，運(yùn)行基本不受外界因素的影響，用戶可以放心使用。

六、   適用范圍

6.1地源熱泵的適用范圍

地源熱泵系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)全年冷熱負(fù)荷的平衡有一定的要求。在地埋管地源熱泵系統(tǒng)中地下巖土在全年起到蓄熱器的作用，對(duì)熱量夏蓄冬供。但在北方嚴(yán)寒地區(qū)，冬季供熱的負(fù)荷和時(shí)間遠(yuǎn)大于夏季空調(diào)的負(fù)荷和時(shí)間，系統(tǒng)多年運(yùn)行以后地下的平均溫度將逐年降低，影響系統(tǒng)的性能甚至使系統(tǒng)失效。在南方則相反，夏季空調(diào)負(fù)荷占主導(dǎo)地位，地下的平均溫度將逐年升高，同樣影響系統(tǒng)的性能。在冬冷夏熱的華北地區(qū)對(duì)供熱和空調(diào)都有較高的需求，地埋管換熱器中全年的冷熱負(fù)荷比較平衡，具有推廣應(yīng)用地源熱泵技術(shù)的理想氣候條件。對(duì)于地下全年冷熱負(fù)荷不平衡的情況可采用地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)。

由于沒(méi)有大氣污染物排放，各級(jí)政府對(duì)應(yīng)用地源熱泵實(shí)行了多種優(yōu)惠政策，進(jìn)一步提高了地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

應(yīng)用地源熱泵技術(shù)的注意事項(xiàng)

由于地埋管地源熱泵技術(shù)應(yīng)用于建筑供熱和空調(diào)時(shí)具有節(jié)能高效的特點(diǎn)，且對(duì)環(huán)境友好，特別是不影響地下水資源，因此近年來(lái)得到政府的大力提倡，應(yīng)用規(guī)模日益擴(kuò)大。由于這種供熱空調(diào)系統(tǒng)在中國(guó)還屬于新技術(shù)，整個(gè)產(chǎn)業(yè)還處于初創(chuàng)期但是又急速膨脹，因此整個(gè)地源熱泵產(chǎn)業(yè)的技術(shù)力量參差不齊，對(duì)技術(shù)的把握也有較大的差別。這就造成在地埋管地源熱泵的應(yīng)用中也出現(xiàn)了一些不成功的案例。例如，有一些項(xiàng)目冬季運(yùn)行就出現(xiàn)停機(jī)保護(hù)而失效；也有一些項(xiàng)目的效率逐年下降，3-5年后不能滿足供熱空調(diào)的需求而失效。出現(xiàn)這樣的問(wèn)題不是因?yàn)榈卦礋岜眉夹g(shù)本身不成熟，而是這些項(xiàng)目的設(shè)計(jì)施工和運(yùn)行管理不到位。一個(gè)原因是承包商為了低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)，鉆孔埋管的數(shù)量達(dá)不到要求；或者埋管施工中偷工減料，致使系統(tǒng)不能正常工作。另一個(gè)原因是對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)沒(méi)有充分的了解。

地埋管地源熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)的工作原理實(shí)際上是利用地下巖土作為一個(gè)蓄熱器，把夏天空調(diào)排出的熱量蓄在地下土壤中，冬季取出熱量給建筑供熱；冬季運(yùn)行時(shí)又把冷量蓄在土壤中，提高了夏季制冷時(shí)的效率。這種冬夏兩用的特點(diǎn)本來(lái)是地源熱泵系統(tǒng)的一大優(yōu)點(diǎn)，但也成為它的一個(gè)限制條件，就是要考慮地下埋管換熱器在全年中冷熱負(fù)荷的基本平衡。如果全年中從地下取熱大于向地下的排熱，地下埋管周?chē)钠骄鶞囟染涂赡苤鹉晗陆?，造成系統(tǒng)在冬季工況的效率逐年下降，甚至不能正常工作。反之，在南方氣候溫暖的地區(qū)，如果一年中向地下的排熱大于從地下的取熱，也可能造成地下溫度的逐年升高，影響系統(tǒng)夏季工況的運(yùn)行。山東省夏天熱、冬天冷，供熱和空調(diào)都需要，本來(lái)是應(yīng)用地源熱泵技術(shù)的最適合的地區(qū)。但是山東的住宅建筑，特別是在像青島、煙臺(tái)等夏季較涼快的地方，建筑冬季供熱所需的熱量還是比夏季空調(diào)排出的熱量多很多，有一定的冷熱不平衡的問(wèn)題。還有一些開(kāi)發(fā)商希望開(kāi)發(fā)的房子只解決供熱問(wèn)題，把供冷的問(wèn)題留給住戶自己用分體式空調(diào)解決。在這樣的建筑中采用地源熱泵系統(tǒng)就會(huì)引起的地下全年冷熱負(fù)荷嚴(yán)重的不平衡。在山東已經(jīng)有一些這樣的系統(tǒng)在運(yùn)行幾年之后發(fā)現(xiàn)性能下降，甚至失效。因此在單供熱的建筑中采用地源熱泵技術(shù)是不經(jīng)濟(jì)、不合適的。對(duì)地下冷熱負(fù)荷不平衡度較大的地源熱泵項(xiàng)目，現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一些技術(shù)措施，可以采用例如太陽(yáng)能或燃?xì)忮仩t輔助的地源熱泵的復(fù)合系統(tǒng)。

總之，采用地源熱泵技術(shù)時(shí)應(yīng)對(duì)建筑負(fù)荷和地埋管換熱器進(jìn)行正規(guī)的計(jì)算和設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)委托有資質(zhì)和有技術(shù)實(shí)力的承包商實(shí)施地埋管地源熱泵供熱空調(diào)工程。 

6.2燃?xì)忮仩t或燃?xì)鉄崴畽C(jī)組

   擔(dān)心的問(wèn)題是燃?xì)夤?yīng)停止，除此以外，適合所有地區(qū)的冬季供熱。