分散地源热泵系统与集中地源热泵系统的比较

分散式地源热泵系统与集中式地源热泵系统的比较

张致柔  博世热力技术（北京）有限公司

摘  要：本文比较了分散式地源热泵系统和集中式地源热泵系统各自的优缺点，介绍了两种地源热泵系统的适用场合。

关键词：地源热泵，集中式系统，分散式系统

Comparison between decentralized GHP system and centralized GHP system
Zhang, Zhirou  Bosch Thermotechnology (Beijing) Co. Ltd

Abstract: This article shows advantages and disadvantages of centralized and decentralized GHP systems, and emphasizes their different applicability.

Keywords: geothermal heat pumps, centralized system, decentralized system

    持续高涨的能源价格和环境污染的不断加重，迫使我们开发使用绿色环保的新能源。党中央、国务院做出构建资源节约型和环境友好型社会的战略决策，大力促进我国的节能减排工作。根据有关资料，建筑耗能占整个社会终端耗能的27.5%左右。地源热泵系统利用少量高品位能源，提升地下浅层低品位能源，为建筑物提供采暖空调，是建筑物节能减排的良好手段之一。

    地源热泵系统室内侧分成分散式系统和集中式系统。分散式系统是将多台热泵机组分散在空调房间内，每台机组承担所在区域内的冷、热负荷； 集中式系统是在机房内设置一台或几台热泵机组，通过管道传输冷、热量，承担整个建筑物内的负荷。

 
1. 集中式地源热泵系统及特点

集中式地源热泵机组运行方式如下：

    夏季运行时：主机的蒸发器为室内的风机盘管系统供应冷水，冷凝器将热量排放到室外地源系统中；冬季运行时：主机通过水路转换，将来自蒸发器的冷水通入地源系统吸取地下热量，将冷凝器排出的热水供入室内风机盘管系统里。
这种热泵系统制冷/制热的功能是通过水路上8个阀门组转换完成的。由于大型热泵机组中制冷剂流量较大，所以不使用四通换向阀。而且大型热泵机组换热器多为壳管式，冷凝器和蒸发器的规格不同，所以还是通过水路切换更经济。

 
集中式地源热泵系统和分散式地源热泵系统都具有以下优点：
1). 清洁环保：将大地作为一个巨大的蓄热体，夏季将建筑物的废热排放到土地中储存起来，冬季再将储存的热提取出来，为建筑物供热。所以无污染，无排放，无热岛现象。
2). 一机多用：一台机器可解决采暖、空调和生活热水问题。
3). 高效节能：地下岩土温度较恒定，使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，比空气源热泵系统的运行效率要高60%，因此节省运行费用40%～60%，系统具有高效性和经济性。
4). 运行平稳：一年四季不受大气环境温度影响，机组运行平稳，安全可靠。
5). 舒适品质：系统安装后不破坏建筑物外观，采用新风除湿工艺，具有极高的室内舒适性。

集中式地源热泵系统也有一些缺点：

1). 整台中央机组运行，在同一时刻只能制冷或供热。适用于无同时供热/制冷需求的建筑物。
2). 部分负荷时也要运行整台主机，需要结合变频等技术，否则系统效率低下，不节能。
3). 主机房占用面积大，机房土建投资和机房设备的安装投资大。
4). 使用商业用电，电价高。
5). 启动电流大，对电网冲击大。
6). 室内管道必须保温，维护费用高。
7). 费用均摊，不利于调动用户节能使用积极性。
8). 主机损坏时，整个空调系统将会部分或全部瘫痪，维护、维修成本高。
9). 能进行智能化控制，但主机和末端控制点多，系统复杂，工程量大。
10). 须在新楼建设时一次性完成安装，不适合旧楼改造工程。

2. 分散式地源热泵系统及特点

    分散式地源热泵系统是以地源系统为辅助冷热源的一种水环热泵空调系统。在这种系统中，每个空调房间内单独设置小型水源热泵机组，其运行方式如下：
夏季运行时： 每个房间里的热泵机组吸取房间的热量，并将其排放到水路系统中，最终在地源系统里排热；冬季运行时：每个房间里的热泵机组从水路系统中吸热，向房间内放量。最终在地源系统里吸热。

      在有内外分区的大型建筑中，在过渡季或不太冷的冬季，外区的部分房间需要供暖，而内区的部分房间需要制冷。需要制冷的房间将余热排放到水路中，需要供暖的房间再利用这些余热。当供热量不等于制冷量时，系统从地源侧取热值只是供热量与制冷量的差值。水泵无需长时间运行；当制冷房间所排放的热量与供暖房间所需要的热量相等时，系统里的水温保持在一定的温度范围内，此时无需开启地源系统取热。
    小型水源热泵机组制冷、制热的功能是通过制冷剂环路上四通阀的转换来完成的。不存在水路上的切换问题，所以也不存在污染室内管路的问题。
实际上，分散式地源热泵系统是以回收建筑物内部余热为主要特性的水环热泵空调系统。它除具有集中式地源热泵系统的优势以外，还具有以下特性：
1）、房间内的热泵承担该房间内的冷、热负荷，可按用户需求，独立调节到不同的温度，从而提高舒适度，避免常规空调的能源浪费。
2).   可用两管制系统代替四管制系统，按照建筑物不同分区的热需求，实现同时供冷、热的能力。
3).   部分负荷下能高效运行，可用建筑物内区余热为外区供热，运行费用仅为传统中央空调的 60 ～ 80 ％；
4).   重量轻，热泵吊装在各房间内，节省机房面积；
5).   按民用电收费，电价低；
6).   启动电流小，对电网冲击小，并可起“削峰”作用。
7).  室内管道无需保温，维护费用低。
8).  可分户计量核算，计费合理、方便，降低了物业管理费用

9).   维修时不必给整个系统停机。其它机组可正常工作。
10).  每台机组均有智能接口，易于进行智能分户控制（如分时控制、遥控等）。
11).  增容方便，可分期投资购买设备，只须先安装循环水系统，个别机组可根据实际情况个别递增。
12). 在楼层翻修工程中，可分层分区进行安装，适合旧楼改建空调系统。

3.  分散式地源热泵系统的适用条件及其工程应用案例

    虽然分散式地源热泵系统比集中式地源热泵系统更为节能，使用灵活，但是由于其初投资高，我们要根据实际情况选择使用。文献3中论及的水环热泵空调系统的应用问题，在分散式地源热泵系统中也存在相似的问题。比较在哈尔滨、北京、上海、广州四个城市气象条件下，不同负荷特点的建筑物中的水环热泵空调系统的运行能耗，得出以下结论：
    分散式系统全年绝大部分时间按制冷工况运行时，不比集中式系统节能。因为小型水-风热泵机组的制冷系数普遍比大型螺杆机和离心机的制冷系数低。所以我国南方的一些城市（如广州）不宜选用分散式系统。
在冬季有采暖需求地区，建筑物内区冷负荷大的场合使用分散式系统是具有节能和环保意义的。但是若建筑物内区余热小，远远满足不了外区采暖所需热量时，分散式系统就没有优势，可能比集中式系统的能耗还要高。在这种情况下，集中式系统是更好的选择。
    2004年开业的伦敦Zetter酒店被评为“欧洲酒店设计奖项”的最佳新设计奖。该酒店占地面积2620㎡，共6层，使用分散式地源热泵系统。其末端空调机组是变频式水源热泵机组，使用地下水（温度13℃-14℃）作为辅助冷、热源。实际运行结果表明，在环路水温32℃、水流量5m3/h，系统满负荷运行时，平均制冷EER为3.48；如果循环水流量提高到7.5 m3/h，环路水温降到20℃时，系统的EER能增加到5.1。

4. 结合其它绿色低温热源，降低地源系统初投资

    地源热泵系统的系统初投资在300-450元/米2之间（地下水源热泵系统初投资约300-400元/米2，地埋管地源热泵系统初投资约350-450元/米2），其中地源侧的施工费用占用了地源热泵系统大部分的初投资。为了降低这部分费用，我们可以结合使用其它绿色低温热源，安装调峰用的备用冷、热源。太阳能、空气源热泵都是比较绿色节能的选择。可喜的是，目前国内太阳能与地源热泵技术相结合的实际项目越来越多。水环热泵系统与空气源热泵联合使用也是一个不错的解决方案。与空气源热泵联合供暖时，由空气源热泵制备10℃-20℃低温水，通过水环路送至室内各个水源热泵机组中，水源热泵机组再从水中汲取热量，加热室内空气。空气源热泵最大的缺点在于它在冬季运行时效率低，但是当它制备10℃-20℃低温水时，效率远比制备常规50℃热水高得多。而且此时建筑物散失到空气里的热量也可以得到部分的再利用。

5. 结束语

    综上所述，分散式地源热泵系统与集中式地源热泵系统各有优缺点。我们在设计地源热泵系统时，要根据建筑物实际的特点选择使用。在建筑物内区余热较大，供暖期较长，且会同时出现供暖/制冷的需求时，应当考虑使用分散式地源热泵系统。而对于同期只有冷负荷或热负荷的建筑，并且同时使用率高时，集中式地源热泵系统是最佳的选择。

注：本文为《地源热泵》杂志专稿内容，转载请注明“中国地源热泵网”。