論文摘要：水環熱泵空調系統在我國應用中的幾個問題
    0 概述

    地熱作為一種清潔能源，既有"熱"的價值，又有"水"的價值，采暖和生活熱水的優勢十分明顯，在我國北方得到迅速的發展。{TodayHot}國內地熱供熱應用主要集中在天津、北京、河北、西安等地。天津地熱供熱應用較為普遍，目前天津的地熱供暖面積已達500萬m2，按替代燃煤鍋爐供暖計算，每個供暖季替代了11萬噸以上的煤，取得了良好的環境保護效益。
    地熱供暖中一個突出的問題是供暖后地熱排放水溫比較高，一般在45℃以上，有的甚至達60℃，造成了資源的浪費和環境熱污染。另外，有少數地熱田溫度低（低于55℃）。這類低溫熱源要用于供暖，需進一步加熱，如采用傳統鍋爐加熱方式，供暖后的排放水溫將在40℃以上。如采用熱泵技不僅可回收地熱的排放水熱量，加熱升溫采暖供水溫度，同時加大了地熱的供暖能力，可使一口井相當于一口半至兩口井使用，另外降低地熱排放水溫度，達到環保要求。{HotTag}

    1 地熱熱泵供熱方案

    以往計算分析說明[1、2]：地熱熱泵供暖系統，以地熱加熱泵調峰供暖方式的供暖成本和投資低于熱泵單獨作熱源的供暖方式。本文選取地熱熱泵調峰供暖作為基本系統進行三種地熱熱泵供熱方案的技術經濟性分析。

    方案 1：地熱熱泵調峰供暖系統

    設計地熱熱泵調峰供暖方案的系統原理圖示，如圖1。地熱為供暖基本熱源，滿足采暖系統的基本熱負荷要求，到了采暖嚴寒期，地熱熱量不能滿足采暖熱負荷要求，啟用熱泵調峰，以提高采暖循環供水溫度，達到調峰供暖的要求。此系統中，地熱供暖后的尾水作為熱泵蒸發器的熱源，因此地熱的排水溫度將會進一步降低。

    方案 2：地熱熱泵調峰供暖與生活熱水供應

    在滿足方案1供暖要求同時，還可兼顧生活熱水的供應，即利用地熱供暖后的尾水作為生活熱水供應。與單一地熱供暖相比較，地熱供暖與生活熱水供應不僅利用了地熱的“熱”，而且利用了地熱的“水”。

    由于地熱供暖后的尾水溫度低于45℃，需要有將尾水加熱升溫的系統。這里設計以一定量地熱供水55℃與一定量地熱尾水相混合，達到供應45℃的生活熱水，如圖1，這種方案涉及到要降低地熱供暖的供水流量，即降低地熱的供熱量，因此相應地要加大熱泵的調峰量。

    方案 3：地熱熱泵調峰供暖生活熱水供應并兼顧夏季空調在滿

    足上述方案2地熱熱泵供熱的基礎上，考慮熱泵兼顧夏季空調用。熱泵的工作原理與制冷機相同，二者也具有相同的主要部件，只是運行的溫度、壓力范圍不同。熱泵機組一機兩用，提高了設備的利用率，相應減少了采暖、空調系統的設備初投資，同時電力初裝費只一次性計入，投資的經濟性得以提高。熱泵空調機一機兩用，并且機組在夏季空調的運行時間要比冬季調峰供暖的運行時間長，因此可以把熱泵初投資的50%甚至60%以上計入空調系統。

    2 地熱熱泵供熱系統技術經濟分析

    按上面提出的三種地熱熱泵供熱方案和兩類地熱資源情況：地熱利用后的尾水或新鉆地熱井，作供暖基本熱源加熱泵調峰進行供熱。進行方案技術經濟參數計算和分析的依據是北京某工程的實際參數：地熱供水溫度55℃，流量80t/h；采暖回水溫度按35℃計算；采暖面積5萬m2，按建筑節能要求，采暖熱指標可采用50w/m2；當地能源價格為：電價0.36元/度，地熱水費0.3元/噸，自來水水費0.7元/噸，煤價220元/噸，天然氣價格1.8元/m3。由于采暖供回水溫度偏低，選用終端散熱器上將有所考慮。計算發現，對55℃以下的低溫采暖，如采用常規暖氣散熱器，所需要的散熱器面積至少要增加50%，相應投資也將增加50%。目前一種新興的PP-C管地板輻射散熱器正在興起和投入使用，由于它埋在房間地板下，散熱方式是由下向上輻射散熱，適合人的身體和生活需要。這一特點，即使是降低它的供回水溫度，如采用50℃/35℃，對它的散熱效果也沒有太大影響。這使得地板輻射散熱器在低溫采暖中有很強的競爭力。因此，可結合建筑實際情況，終端可采用暖氣散熱器，或采用地板輻射散熱器。

    根據上面所提到的條件和參數，對三種地熱熱泵供熱方案進行具體的計算，結果見下表1、表2。

    計算結果分析和比較：

    1、表 1 計算了不同采暖終端，新鉆地熱井系統的投資和單位運行成本。從三種地熱供熱方案看，方案1的投資低，供暖成本也低，但沒有生活熱水供應。綜合比較，方案3 既有供暖，又有生活熱水供應，同時還兼顧夏季空調，從投資和運行成本看，方案3 處在方案1 和方案2 之間，可作為優選方案。

    2、表2計算了計入和不計地熱井時的經濟參數計算結果。不計入地熱井時，系統只有熱泵、管網和采暖終端，沒有地熱井的投資和運行費用，其供暖成本只有計入地熱井系統的55%左右。

    表 1 不同方案下地熱熱泵供熱經濟參數的計算

    終端 地熱供熱方案 地熱井管網終端投資(萬元) 熱泵 初投資 (萬元) 熱泵單位電費 (元/m2) 供暖單位成本 (元/m2) 生活熱水投資 (萬元) 供水單位成本 (元/m2) 初投資 總計 (萬元)

    暖氣散熱器 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

    地板散熱器 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

    暖氣增加投資 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 地熱熱泵供熱與鍋爐供熱的比較 (按暖氣增加投資計算)

    供熱方案 供暖系統投資 (萬元) 供暖單位成本 (元/m2) 生活熱水系統投資 (萬元) 供水單位成本 (元/m2) 初投資 總計 (萬元)

    計入 地熱井費用 地熱熱泵供熱方案1 584 15.83 / / 584

    地熱熱泵供熱方案2 629 17.37 46 1.35 675

地熱熱泵供熱方案3 527 15.41 46 1.35 573

    不計 地熱井費用 地熱熱泵供熱方案1 334 8.28 / / 334

    地熱熱泵供熱方案2 379 9.66 46 1.35 425

    地熱熱泵供熱方案3 277 7.70 46 1.35 323

    鍋爐 燃煤鍋爐供熱 215 13.65 70 4.50 285

    燃氣鍋爐供熱 240 26.76 105 11.32 345

    3 地熱熱泵供熱與鍋爐供熱的比較

    通常用戶比較關心的是，地熱熱泵供熱能否與傳統鍋爐供熱相競爭，為此計算燃煤、燃氣鍋爐供暖及生活熱水供應的初投資和單位成本，見表2，并將地熱熱泵供熱方案（有無地熱井費用兩種情況）與鍋爐供熱二者進行投資和成本比較。

    由表2看，燃煤鍋爐的供暖單位成本為13.65元/m2，地熱熱泵調峰供暖方案3 的供暖單位成本為15.41元/m2，比鍋爐高13%，不計地熱井時供暖成本為7.70元/m2，約只有鍋爐的56%。但燃氣鍋爐的供暖成本已超過了供暖收費標準20元/m2。比較生活熱水供應成本，地熱供應生活熱水的成本只有1.35元/噸，低于燃煤鍋爐成本4.50元/噸，大大低于燃氣鍋爐成本11.32元/噸。

    根據上面計算得到的地熱供熱系統的投資和成本，以及鍋爐供熱的投資和成本，可分別計算地熱供熱和鍋爐供熱的年毛利（供暖收入和生活熱水收益）以及投資回收年限，見表3。地熱熱泵供熱方案3 的年供暖和生活熱水收益最高，可以考慮盡量擴大地熱供生活熱水的市場，充分用好地熱的“熱”和“水”。投資回收年限中，燃煤鍋爐約7 年左右，地熱熱泵系統，計入地熱井時系統的投資回收年限約 9 年左右，不計地熱井時約 4 年，低于鍋爐系統。應當說明當地熱與鍋爐供熱方案對比時，占地面積引起的經濟效益差別不能忽視。鍋爐房要包括煤、灰埸和運輸通道，通常地熱井方案占地可能只及鍋爐房方案的 1/5 左右。如在市中心區占地，其土地價值是相當高的。

    4 地熱熱泵供熱的節能環保效益

    與傳統鍋爐供熱相比，采用地熱熱泵供熱可以取得節水和節煤效益。如按生活熱水供應量40t/h計算，年供水量為87600噸，采用地熱供應生活熱水取代鍋爐加熱自來水方式，則年節水量為87600噸，這不僅節約了水費約6萬元，更主要的是節省了清潔水，這對缺水地區是非常有意義的。

    按 5 萬m2 的建筑采暖，年單位耗煤量21.53kg/m2 計算，采用地熱熱泵供暖替代鍋爐供暖，每個采暖季可節省耗煤量1077 噸。另外生活熱水供應量為87600 噸/年，如采用鍋爐加熱，計算出年耗煤量為980噸/年。這樣可以計算出采用地熱供熱替代鍋爐供熱，每年可節煤 2057 噸，按煤價 220元/噸計算，相當于節省45.3萬元。

    表 3 地熱供熱與鍋爐供熱的投資回收 (按暖氣增加投資計算)

    單位 方案1 方案2 方案3 鍋爐 燃氣鍋爐

    供暖面積 萬 m2 5

    供暖收費標準 元/m2 20

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

    供暖毛利 萬元/年 58.60 51.70 61.50 31.75 -33.80

    生活熱水供應量 噸/年 87600

    熱水收費標準 元/噸 6

    熱水供應成本 元/噸 / 1.35 1.35 4.50 11.32

    熱水供應毛利 萬元/年 0.00 40.73 40.73 13.14 -46.60

    毛利總計 萬元/年 58.60 92.43 102.23 44.89 -80.40

    計地熱井費用 毛利總計 萬元/年 20.85 53.88 63.68 44.89 -80.40

    系統投資 萬元 584 675 573 285 345

    投資回收年限 年 28.0 12.5 9.0 6.3 無

    單位面積投資費 元/m2 116.8 135.0 114.6 57.0 69.0

    不計地熱井 費用 毛利總計 萬元/年 58.60 92.43 102.23 44.89 -80.40

    系統投資 萬元 334 425 323 285 345

    投資回收年限 年 5.7 4.6 3.2 6.3 無

    單位面積投資費 元/m2 66.8 85.0 64.6 57.0 69.0

    替代燃煤鍋爐供熱，節煤2057 噸所減少的對空氣污染量，可計算出相應治理污染量所需的費用約12.4萬元。按上述所計算出的替代燃煤鍋爐供熱所達到的節水、節煤和環保效益，可以得出一個總的效益值為：

    6萬元（節水）+ 45.3 萬元（節煤）+ 12.4萬元（環保）=63.7萬元

    此為地熱熱泵供熱替代燃煤鍋爐供熱所取得的間接效益，由此可計算地熱熱泵供熱方案3 的直接效益和間接效益之和為 63.68萬元 + 63.7萬元 = 127.38萬元，如按此收益重新計算地熱熱泵供熱方案3 的投資回收年限為 4.5年。

    5 結論

    1、根據技術經濟評價結果，認為地熱熱泵供熱方案 3 （供暖、生活熱水、空調）為優選方案。

    2、地熱熱泵供熱系統，當計入地熱井時供暖單位成本為15.41元/m2，與燃煤鍋爐相當，不計地熱井時僅為7.70元/m2，約只有鍋爐的60%，表明回收地熱尾水的地熱熱泵調峰供暖成本是很低的。

    3、地熱熱泵供熱系統，計入地熱井時系統的投資回收年限約 9 年左右，不計地熱井時約只有 4 年，低于鍋爐系統的7年。

    4、地熱熱泵調峰供暖提高了地熱利用率，同時降低地熱排水溫度達到環保排放標準。

    5、地熱熱泵供熱替代燃煤鍋爐供熱取得節水、節煤和環保效益總計為63.7萬元，由此可計算出地熱熱泵供熱方案3 的直接效益和間接效益之和為127.38萬元。

    參考文獻：

    1. 李新國，低溫地熱運用熱泵供暖的技術經濟分析，《天津大學學報》，No3, 1996.

    2. 李新國，地熱熱泵調峰供暖系統的熱力及經濟分析，《太陽能學報》，No2, 1997。