中国轻工业武汉设计工程有限责任公司      吴青娇   肖荣子

摘   要：土壤源热泵作为一种可再生能源，具有高效、节能、环保、运行费用低等特点，目前在空调采暖行业得到广泛运用。河北某印刷厂车间夏天生产冷负荷大，生产过程对温度有严格要求，冬天设空调采暖。结合项目实际特点，针对土壤源热泵加冷水机组和燃气锅炉加冷水机组两个方案，对其投资和运行费用进行经济性比较，确定采用土壤源热泵加冷却塔的空调方式。

关键词：土壤源热泵；冷热平衡；空调；节能；环保

       0   引言

       最近几年，全国大部分地区冬天空气质量差，雾霾现象频发，尤其北方地区特别严重。国家对节能减排的要求也越来越严格，要求雾霾的治理必须从源头抓起，减少碳硫化合物、氮氧化物及粉尘颗粒的排放，冬天严禁新建、扩建小型燃煤锅炉用于采暖。因此土壤源热泵作为一种可再生能源利用技术，近些年来得到很大的发展^[1]。土壤源热泵通过对地热的运用，夏天制冷，冬天制热，减少电能的消耗，节约燃煤资源，有效避免碳氮化合物的排放，减少颗粒雾霾的扩散，在降低企业运行费用的同时也为节能降耗和驱散雾霾天气做出重要贡献。

       1   项目简介

       项目位于河北省石家庄市，主要业务为报纸印刷和商业印刷，整个厂区由车间、办公楼、宿舍楼、门房组成，总建筑面积18550m²。印刷车间内生产对空气的温度和湿度都有严格要求，否则报纸和广告的印刷质量都会受到影响。印刷设备工作时散热量大，车间内温度高，因此印刷车间需要夏天制冷。冬天工作时间因内设备发热量大，不需采暖，而非工作时间段为了避免车间内油墨管道、消防管道等冻结的危险，需制热采暖。根据逐项逐时负荷计算，全厂的设计总冷负荷为2596kW，总热负荷为1316kW。

       2   方案设计

       本项目所在地严禁新建、扩建小型燃煤锅炉用于采暖，结合项目实际冷、热负荷特点，设计时主要考虑以下两种方案：（1）土壤源热泵系统；（2）冷水机组+燃气锅炉系统。

       本项目设计总冷负荷为2596kW，总热负荷为1316kW，全年的冷、热负荷相差较大，设计过程中采用辅助散热（即增加冷却塔）的方式来解决冷、热负荷平衡失调的问题^[2]。一方面是经济性好，同时也可避免因吸热与释热不平衡所引起岩土体温度的降低或升高，从而影响地埋管换热器的换热性能，降低地埋管换热系统的运行效率^[3-4]。

       3   土壤源热泵系统的计算

       全年的冷负荷远远大于热负荷，土壤源热泵机组采用以热定冷的原则，其余冷负荷由冷水机组和冷却塔承担，因此热泵机组的选择必须计算冷、热负荷的平衡，从而确定辅助散热冷水机组的负荷。 

       参照国家相关标准，根据业主提供的报纸印刷行业空调实际使用情况，每年的6月1日至9月30日为夏季制冷时间，共计120天，每天工作时间按12小时计算。在120天设计日中，其中满负荷生产运行时间约12天，75%生产负荷时间约55天，50%生产负荷时间约41天，25%生产负荷时间约12天。冬季供暖时间为每年的11月15号~3月15号，共计120天。

       全年夏季释热量=最大释热量×12×(1×12+0.75×55+0.5×41+0.25×12)=1335450kW·h

       冬季供暖时间按120天计（11月15号~3月15号），每天按20小时计算，120天中设计日中，其中满负荷运行时间天数按15天计算，75%负荷时间按45天计算，50%负荷时间按45天计算，25%负荷时间按15天计算。在车间生产期间，由于印刷设备散热较大，车间内不需供暖。为了防止管道冻结，仅在非工作时间采暖。即满负荷运行时，每天工作20小时，仅剩下的4小时需要供暖。

       全年冬季吸热量=最大吸热量×(4×15+9×45+14×45+19×5)=1372548kW·h

表1   热泵机组最大释热量和最大吸热量计算表

       由表1可以看出，全年释热量和吸热量的差值不大，加上计算过程中忽略的水泵释放热，整个土壤源热泵系统的释热量和吸热量可以达到平衡，其余冷负荷由冷却塔和冷水机组补充，即整个系统由两台热泵机组和一台的冷水机组组成。

       4   投资和收益分析

       采用土壤源地源热泵+冷水机组和冷水机组+燃气锅炉两个方案的设备一次性投资分析比较如表2所示。

表2   两个方案的设备一次性投资分析表

       当地的工业用电电价为0.96元/度，工业用天然气的价格为3.8元/Nm³。

       两个方案在夏季空调运行时的费用如下：

       方案一：

       夏季设计运行费用=682.5×0.96×12×(12+0.75×55+0.5×41+0.25×12)=603439.2元

       方案二：

       夏季设计运行费用=745×0.96×12×(12+0.75×55+0.5×41+0.25×12)=658699.2元

       两个方案在冬季空调供暖运行时的费用如下：

       方案一：

       冬季设计运行费用=400.5×0.96×(4×15+9×45+14×45+19×15)=530582.4元

       方案二：

       冬季设计运行费用=(77×0.96+140×3.8)×(4×15+9×45+14×45+19×15)=836169.6元

表3   空调全年运行费用表

       根据表2和表3的数据进行对比，方案一投资比方案二投资高254万。但方案一的运行费用明显低于方案二，方案一的运行费用比方案二全年少36.1万，7年可收回高出部分的投资费用，并且土壤源热泵系统的寿命比常规空调系统的长。从长远的角度来看，基于环境保护和空调系统的使用寿命，方案一土壤源热泵空调系统远比方案二常规的空调系统环保效益更高。

       5   结论

       计算河北某报业印刷项目的空调冷、热负荷，统计印刷车间的工作运行时间，计算空调系统全年的释热量和吸热量，选择热泵机组形式，提出土壤源热泵加冷水机组空调系统和冷水机组加燃气锅炉空调系统两种方案，并对两个方案的初期投资和全年运行费用进行统计和计算。土壤源热泵加冷水机组空调系统比冷水机组加燃气锅炉空调系统的初期投资高254万，但全年运行费用少36.1万，7年可收回高出部分的投资。土壤源热泵是国家大力发展和鼓励的新兴产业，是实现国家可持续发展的绿色空调技术。企业可以经过适当的政府渠道，获得一定的政府扶持节能资金。本项目从运行效果、环境保护、安全生产和使用寿命等角度出发，选择了土壤源热泵空调系统。

参考文献

       [1] 赵福滔. 土壤源热泵系统地埋管换热器方案设计及优化研究[D].重庆大学硕士学位论文, 2016:1–3.

       [2] GB 50366—2005. 地源热泵系统工程技术规范[S].

       [3] 白天. 严寒地区土壤源热泵系统地埋管运行特性研究[D].哈尔滨工业大学博士学位论文, 2010:1–6.

       [4] 杨红辉. 土壤源热泵系统的地埋管热平衡分析[J].工程建设与设计, 2012(6):100–105.

备注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年3月刊总第3期。
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