闭式井水源热泵系统——长江流域地区农村家用节能型空调系统的研究

２０１１午第５期　第３９卷第２４３　Ｊ　Ｎｏ．５　ｉｎ　２０１　１（Ｔｏｔａｌ　Ｎｏ．２４３，Ｖｏ１．３９）　建筑节能　■暖通与空调　

ＨＥＡＴＩＮＧ．ＶＥＮＴＩＬＡＴＩＮＧ＆ＡＩＲ　ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＩＮＧ　ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１６７３・７２３７．２０１　１．０５．００６　

闭式井水源热泵系统　——长江流域地区农村家用节能型空调系统的研究　谢武刚，　傅俊萍，　李尚梅，　田玉芳，　吕林　（长沙理工大学能源与动力工程学院，长沙４１０１　１４）　

摘要：　改善能源结构、发展新的可再生能源、减轻对环境的污染和提高空调的运行效率，已成为我国能源工业关注的一个热点。以湖　南省为代表，对各地区的地表水温度、含量进行调研，分析了闭式井水源热泵系统在长江流域地区的可行性。通过分析和测试　表明：长江流域地区主要以夏热冬冷性气候为主，夏季潮湿闷热，冬季干燥寒冷；闭式井水源热泵适用于水资源丰富的地区，系　统的运行比传统空调系统稳定；对闭式井水源热泵进行经济性分析，该系统比传统空调系统更为节能，在我国长江流域地区有　很大的推广价值。　关键词：　可再生能源；　闭式井水源热泵；　长江流域　中图分类号：ＴＵ８３ｌ　文献标志码：　Ａ　文章编号：　１６７３．７２３７（２０１１）０５．００２７．０２　

Ｃｌｏｓｅｄ　Ｗｅｌｌ　Ｗａｔｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅ　Ｈｅａｔ　Ｐｕｍｐ　Ｓｙｓｔｅｍ：　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　Ａｉｒ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｒｕｒａｌ　Ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ　ｏｆ　Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　Ｒｅｇｉｏｎ　ＸｌＥ　Ｗｕ－ｇａｎｇ，ＦＵＪｕｎ－ｐｉｎｇ，ＬＩＳｈａｎｇ－ｍｅｉ，ＴＩＡＮ　Ｙｕ－ｆｅｎ．Ｌｉｉ　Ｌｉｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈａｎｇｓｈａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１０１１４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｎｅｗ　ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　ｅｎｅｒｇｙ，ｒｅｄｕｃｉｎｇｐｏｌｕｔｉｏｎ　ａｎｄｐｒｏｍｏｔｉｎｇ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｆｏｒ　ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｃｌｒｅ　ｈｏｔ　ｔｏｐｉｃｓ　ｃｏｎｃｅｒｎｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｔｈｅ　ｓｕｌｆａｃｅ　ｗａｔｅｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｉｎ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｒｅｇｉｏｎｓ　ｏｆＨｕｎａｎ　ｐｒｏｖｉｎｃｅ　ａｓ　ｔｈｅ　ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ　ｏｆｔｈｅ　Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　ｒｅｇｉｏｎ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｃｌｏｓｅｄ　ｗｅｌｌ　ｗａｔｅｒ　ｓｏｕｒｃｅ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　ｒｅｇｉｏｎ　ｉｓ　ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｔｅｓｔ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　ａｒｅａｓ　ａｌｅ　ｍａｉｎｌｙ　ｉｎ　ｓｕｍｍｅｒ　ａｎｄ　ｃｏｌｄ　ｗｉｎｔｅｒ　ｃｌｉｍａｔｅ　ｗｉｔｈ　ｍａｉｎｌｙ　ｔｈｅ　ｈｏｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｕｍｉｄ　ｉｎ　ｓｕｍｍｅｒ，ｔｈｅ　ｄｒｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｌｄ　ｉｎ　ｗｉｎｔｅｒ；Ｃｌｏｓｅｄ　ｗｅｌｌ　ｗａｔｅｒ　ｓｏｕｒｃｅ　ｈｅａｔｐｕｍｐ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｌｎｏｒｅ　ｓｔａｂｌｅ　ｔｈａｎ　ｔｒａｄｉ－　ｔｉｏｎａｌ　ａｉｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｗａｔｅｒ－ｒｉｃｈ　ｒｅｇｉｏｎ，＂Ａｎｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃｏｓｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｃｌｏｓｅｄ　ｗｅｌｌ　ｗａｔｅｒ　ｓｏｕｒｃｅ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅｆｆｗｉｅｎｔ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ａｉｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ｉｔ　ｈａｓ　ａｇｒｅａｔｐｒｏｍｏｔｉｏｎａｌ　ｖａｌｕｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　ｒｅｇｉｏｎ　ｏｆＣｈｉｎｏ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　ｅｎｅｒｇｙ；ｃｌｏｓｅｄ　ｗｅｌｌ　ｗａｔｅｒ－ｓｏｕｒｃｅ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ；ｔｈｅ　Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　

０　引言　随着经济的发展和人民生活水平的提高，空调己　成为人们获取舒适健康空间的重要选择。但传统的空　调系统因造成环境污染和能源的浪费正面临着严峻的　挑战。生态环境的恶化、资源的衰竭，迫使人们去寻找　一种绿色能源的空调供热、制冷方式［１］。因此，水源热泵　（ｗａｔｅｒ－ｓｏｕｒｃｅ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ）技术日益受到关注，该技术在　发达国家或地区已进入实用阶段［２－４１。通过地表水换热　进行采暖或制冷，并产生了显著的节能效益，其他许多　发展中国家也在积极探索水源热泵技术的应用［５－６］。　井水源热泵属于水源热泵的一种，它是利用井水　的低品质能源，对建筑物进行制冷、供暖以及热水供　应的技术。由于井水在一定深度即为恒温层，所以冬　季可以将井水作为热泵供暖的热源，即把高于环境温　度的热能取出来供给室内采暖，夏季将其作为空调的　冷源，即把室内的热能取出来释放到低于环境温度的　

收稿日期：２０１０—１２－２７；修回Ｅｔ期：２０１１－Ｏｌ一０５　

井水中。本文以湖南省地区为例，分析研究闭式井水　源热泵系统在长江流域地区的可行性，并对其系统进　行经济性分析。　１　闭式井水源热泵系统的基本结构　

一般闭式井水源热泵主要由热泵机组、换热器、　循环水泵、室内机（风机盘管、挂机、柜机）等构成。详细　的系统装置构成如图１所示　。　

图１　闭式井水源热泵的构成　Ｆｉｇ．１　Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆｃｌｏｓｅｄ　ｗｅｌｌ　ｗａｔｅｒ　ＳＯＵｒＣｅ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　２闭式水源热泵的研究现状　

华中理工大学从２０世纪９０年代开始，在国家自　

Ｌ兰７　然科学基金的资助下，进行了地下浅层井水用于夏季　供冷和冬季供暖的研究。　湖南大学从１９９８年开始也进行了多层水平埋管　的换热特性研究。山东建筑工程学院地源热泵研究所　１９９８年在该院学术报告厅设计安装了一个地下水源　热泵，成为一项工程实例。　２００４年西安交通大学机械工程学院魏紫娟、秦　萍研究了井水源热泵地表水盘管换热器常用传热模　型的研究，该实验对已建立传热模型作了介绍和分　析，为井水源热泵今后的研究提供了理论参考。　２００７年６月，广西大学的仇君、李莉叶等人对地　表水源热泵盘管换热器传热模型进行了研究，该研究　指出了目前尚存在的问题，提出建立考虑地表水运动　的影响的更完善的传热模型。　在我国南方富水地区，以上实验研究对井水源热　泵系统的有效推广和应用有着极为重要的指导意义。　３分析闭式井水源热泵在长江流域地区的可　行性　夏热冬冷地区主要分区指标是最冷月平均温度　０～１０℃，最热月平均温度２５￣３０℃。该地区包括重　庆、上海两个直辖市：湖北、湖南、安徽、浙江、江西、　５省全部；四川、贵卅Ｉ　２省东半部　亡苏、河南２省南　半部；福建省北半部；陕西、甘肃两省南端；广东、广西　２省北端，即我国中部的长江流域及其周围地区。　湖南省作为长江流域地区的代表，处于大陆性中　亚热带季风湿润气候区，冬寒期短，无霜期长。日照充　足，四季分明。春夏之交，南北冷暖气流交替，湿润多　雨，３～４月份，经常细雨连绵。夏季有低纬度海洋暖　湿气团盘踞，气候炎热，多东南风。秋季天高云淡，气　候温和少雨。冬季受西伯利亚寒流影响，多西北风，屡　见冰雪。年平均气温为ｌ６～１８℃，年降水量在　１　２００　１　７００　ｍｍ之间。该地区一年的平均温差可达　２０℃以上。该地区还处于副热带高压带地区，夏季潮　湿闷热，冬季干燥寒冷。湖南乃至长江三角洲及其周　边地区的生活环境急需人为改善，以创造出适宜人类　居住的舒适环境。因此，空气调节系统便成为家庭必　备的日用电器。而对于该省及周边的广大农村来说，　传统空调系统还未进入农村市场。这主要有以下几方　面的原因：　（１）传统空调设备的耗电量大，能效比低。Ｉ台制　冷量为１２　ｋＷ的空调机功率为４．６５　ｋＷ，将近５　ｋＷ。　这意味着Ｉ台空调器每天运行６　ｈ，需耗电３０　ｋＷ・ｈ　左右。电费按０．５元／ｋＷ・ｈ来算，每天的电费为ｌ５元。　这样高的消费，一般农村家庭是很难长期维持的。　（２）传统空调系统使用寿命较短，维修费用高，加　之受天气条件影响较大，系统的运行效率不够稳定。　基于以上原因，传统空调系统很难进入一般的农　村家庭。这也给我们一个暗示信息：低能耗、低运行费　的空调系统在农村有很大的潜在市场。　表ｌ　被调研地区及其气候特征表　Ｔａｂ．１　Ｃｌｉｍａｔｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ　ａｒｅａ　表１数据充分说明闭式井水源热泵系统在湖南　省地区的应用价值和可行性。　４经济性分析　工程概况：普通民房，采暖区域为２个卧室，２×　２０ｍ￣－４０ｍ　。　表２系统初投资列表　Ｔａｂ．２　Ｉｎｉｔｉａｌ　ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ　ｏｆｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　系统总的初投资：７　０００￣７　２００元。　表３新旧系统运行费用对照表　Ｔａｂ．３　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆｔｈｅ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｃｏｓｔ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｏｌｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｎｅｗ　ｓｙｓｔｅｍ　成本收回年数Ｎ：　．　Ｎｘ（１　１　８６．００—７６９．１　３）＝７　２００—５　０００　Ｎ＝５．３年　表２、３的数据显示，地源热泵空调系统虽然初投　资大，但较传统空调系统而言，更加节能，且其成本只　需５年就可完全收回。井水源空调系统的使用寿命远　不止５年。它的使用寿命可达３０年以上，较传统空调　系统使用寿命更长。按照上述比较，在３０年内，每个　家庭运行费用将节电２４　９５２．５　ｋＷ・ｈ。由于水源热泵　系统工况良好、运行稳定，可大大延长主机寿命，因　此，从使用寿命和运行费用来看，地源热泵系统的经　济性是大大高于传统空调系统的。　５结论　闭式井水源热泵系统适用于水量充足的农村地　区，在长江流域的大部分农村地区均可使用，这个系　统的应用不但解决了广大农村地区农民的生活环境　问题，还节约了能源。如果这项技术研究成熟并一经　应用，便会有巨大的经济和社会效益。