1、地源热泵空调系统经济技术分析摘要：本文以上海外高桥保税区某地源热泵加冷却塔空调系统工程为实例，对该地源热泵加冷却塔空调系统的技术性、经济性进行分析，并在此基础上，对该系统的优化设计提出了建议。 关键词 地源热泵加冷却塔空调系统 经济性分析 设计方案优化 中图分类号： TB657.2 文献标识码：A 文章编号： 0 引言 地源热泵是一种先进的技术，它高效、节能、环保，有利于可持续发展。地源热泵技术利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。地源热泵不需要人工的冷热
2、源,可以取代锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。冬季它代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热向建筑物供暖；夏季它可以代替普通空调向土壤、地下水或者地表水放热给建筑物制冷。若机组配置热回收装置，还可供应生活用水，可谓一举三得，是一种有效地利用能源的方式。 中国的地源热泵市场发展前景光明。一方面常规能源日益短缺，开发利用可再生能源刻不容缓；另一方面，我国具有较好的热泵科研与应用的基础。地源热泵技术在 HVAC 领域表现的优点有：系统能效高，运行费用低；设备运行稳定，对环境污染少；减少二氧化碳排放等1,2。 1 工程概况及系统设计 本项目为上海外高桥保税区 F18 地块某厂房建设。拟采用地
3、源热泵空调系统的空调区域为一个办公区域，办公区分为上下两层，总空调面积约为 3150?。办公室设计冷负荷 477.7kW，采暖负荷为 315kW；建议采用螺杆式冷热水型热泵机组。针对建筑地理位置分布，建议采用集中式系统，独立设置集中机房的布局。地源热泵主机夏季制冷，冬季供暖。夏天，热泵主机制取 7的冷冻水供到室内各房间的空气处理器中，从而达到制冷效果；冬天，热泵主机制取 45的热水供室内空气处理器，从而达到制热效果。室内选用风机盘管作为空气处理器。考虑到节能和环保的需求，为了保证土壤的热平衡，地源热泵地埋管数量按照冬季埋管量来确定，夏季不足的冷量由冷却塔提供。同时，机组运行时可开启余热回收功能
4、制取热水，用于生活热水，供给工厂淋浴间。 2 埋管计算 2.1 室外埋管设计介绍 一般来讲，一旦将换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。根据地源热泵施工规范要求选择了 SDR11 高聚乙烯 PE 管。额定承压能力为 1.6MPa，本工程立埋管采用 PE 管为 D322.9mm。 在实际工程中，我们利用管材“换热能力”来计算管长，土壤的排热换热能力为 3550W/m(管长)，吸热换热能力为 2540W/m(管长)。埋管量的确定：根据该地区地热资源工程经验，每个孔按 80m 深，单 U 计算，单孔排热换热量 5.6kW，吸热换热量 4.0kW
5、 室外埋管考虑如下两个因素：a、合适数量、规模的钻孔（埋管）量，保证整个系统经济合理。b、保证系统长期运行的热平衡性。综上考虑：根据建筑物功能以及负荷情况，竖直埋管系统以冬季负荷作为埋管规模设计依据。 2.2. 实际工程计算 地源热泵系统，实际最大换热量发生在与建筑最大冷负荷相对应的时刻，包括：各空调分区内水源热泵机组交换到循环水中的热量（空调负荷和机组压缩机功耗） 、循环水在输送过程中交换的热量、水泵释放到循环水中的热量。根据夏季制冷、冬季制热负荷，经过计算得出该建筑需要的换热孔的数量如表 1 中所示： 表 1 按制冷/制热负荷计算换热孔数 根据夏季所需排热要求，确定室外换热器设计总计 10
6、7 口井，单孔单 U,下管 80m 深。根据冬季所需吸热要求，确定室外换热器设计总计 60口井，单孔单 U,下管 80m 深。为了达到热平衡之目的，地埋管数量按照冬季埋管量来确定，夏季不足的冷量由冷却塔提供。室外换热器设计总计 60 口井，单孔单 U,下管 80m 深。 3 经济性分析 本项目除了地源热泵系统之外，空气源热泵系统作为比较方案。表2 和表 3 为两种方案投资成本和运行成本的比较。需要说明的是，两个系统相同的投资成本和运行成本不计入经济性分析之内，安装费已经包含在设备费用之内，不再单独列项。 表 2 两种方案投资成本比较表 单位：万元 表 3 两种方案运行成本比较表单位：万元 注：
7、空调主机每天开启 10 小时，平均电价为 1 元/kW?h 在论文中约定：地源热泵+冷却塔系统为方案 1，空气源热泵系统为方案 2。很明显，方案 1 投资成本较大，但运行成本低；方案 2 投资成本小，但运行成本大。为科学评价两种方案，根据费用现值（PC）和费用年值（AC）来计算分析3，其前提是：假定在评价周期内，电费、成本、银行折现率等不变。根据方案 1，地源热泵机组使用寿命为 15 年，每 15年增加主机购置费及其他费用 30 万元，闭式冷却塔使用寿命 20 年，每20 年增加冷却塔购置费及其他费用 5 万元；根据方案 2，空气源热泵主机使用寿命为 15 年，每 15 年增加主机购置费及其他
8、费用 40 万元，地埋管使用寿命按 50 年计算。 1、项目费用现值（PC）计算公式如式 1： （1） 式中：(CO)t 为第 t 年的现金流出，(P/F,i,t)为贴现系数。 表 4 两种方案费用现值比较表 单位：万元 经计算，方案 1、方案 2 费用现值列于表 4。需要说明的是，在计算过程中，地源热泵+冷却塔系统的第 15 年、第 30 年、第 45 年，地源热泵主机使用寿命到期，增加主机购置费及其他费用 30 万元；第 20 年、第 40 年，冷却塔使用寿命到期，增加冷却塔购置费及其他 5 万元。同理，空气源热泵系统的第 15 年、第 30 年、第 45 年，空气源热泵主机使用寿命到期，
9、增加主机购置费及其他费用 40 万元。由表 4 可以看出，在假定两种方案空调运行工况一致的情况下，在系统运行的第 5 年，方案 1 的费用现值为 171.94 万元，而方案 2 的费用现值为 154.15 万元，方案 1比方案 2 多支出 17.79 万元，第 10 年，方案 1 比方案 2 多支出 2.14 万元，而在第 15 年，方案 1 比方案 2 少支出 9.98 万元。在第 20 年、30 年、40 年、50 年，方案 1 的费用现值低于方案 2 越来越多，逐步显示出方案1 的经济性。经计算，方案 1、方案 2 空调系统约在运行第 12 年费用现值相等（见图 1（a） ） 。从图中可
10、以看出在第 15 年和第 30 年，两种方案均更新主机，也就是两种方案均处于新的工作状态，而在第 20 年和 40年，方案 1 更新冷却塔。方案 1 的费用现值仍低于方案 2，显示出方案 1的经济性优势。 2、费用年值（AC）计算公式如式 2： （2） 式中：(CO)t 为第 t 年的现金流出，(P/F,i,t)为贴现系数，(A/P,i,t)为资金回收系数。 经计算，两种方案费用年值见表 5。从表 5 同样可以看出，方案 1 的费用年值在前期比方案 2 高。随着时间推移，方案 1 的经济效益逐渐显现出来，在第 15 年，方案 1 的费用年值为 34.53 万元，而方案 2 费用年值为 35.8
11、4 万元，节省 1.31 万元，第 50 年节省 2.62 万元 表 5 两种方案费用年值比较表 单位：万元 图 1 两种方案费用现值、费用年值比较图 两种方案在费用现值与费用年值比较中，前期空气源热泵系统方案费用低于地源热泵+冷却塔系统方案，后期空气源热泵系统方案费用高于地源热泵+冷却塔系统方案。这两种方案约在 12 年左右平衡，也就是说12 年后地源热泵+冷却塔系统将收回多出部分的初投资，在这以后地源热泵+冷却塔系统将实现盈利。 4 项目技术分析及设计优化 利用经济性分析成果对项目技术方案和管理制度进行优化和调整，在保证空调效果不变的前提下，实现最大限度的节电以降低运行成本是进行各项技术、
12、经济分析的最终目的。尽管本项目采用地源热泵+冷却塔系统投资成本较高，但与空气源热泵系统相比，由于其运行成本较低，在经过一段时间以后不但能收回多出的投资成本还能实现盈利，这体现了地源热泵系统供热项目较好的经济性。在经济性分析的基础上，深入分析地源热泵+冷却塔系统的运行成本，可以发现以下几点因素可能造成系统运行成本偏高：1.循环泵耗电量过大，系统内循环水泵的耗电量占的整个系统耗电量比重很大。2.项目电价偏高，未实现峰谷电价。3.项目建筑多为轻体房，保温性能较差，导致负荷偏大，增加了主机的耗电量。 针对上述问题，提出了优化方案和建议：1.采用自控、变频控制。针对项目建筑物分散和地埋管孔分散的实际情况
13、，建议采用分散式机房，提高系统 COP 值，这在建筑物分散且服务面积较大的项目中采用显得尤其重要。采用自控、变频装置是降低能耗的有效方法，但应注意流速降低后最远端建筑的供暖效果，根据实际负荷变化情况，控制末端循环泵开启数量。2.加强管理。主机耗电量是由末端负荷决定的，负荷降低能够直接降低运行成本。3.加强研究和监测。根据地埋管侧供回水温度适当调整地埋管侧循环泵的功率和型号，将会进一步拓展节能空间。并且，监测数据（单延长米换热能力）可作为今后其他工程重要的设计参数。 5 结论 1. 地源热泵+冷却塔空调系统具有安全、清洁、环保等特点。采用费用效果分析结果显示：地源热泵+冷却塔系统方案与空气源热泵
14、系统方案相比，前期空气源热泵系统方案费用低于地源热泵+冷却塔系统方案，后期地源热泵+冷却塔系统方案高于空气源热泵系统方案，两种方案约在12 年左右费用平衡。 2.针对经济性分析中发现的地源热泵供暖时运行成本偏高的情况，提出了采用变频控制、变换循环泵型号、地埋管分区等技术优化方案，并根据项目实际情况提出进一步加强管理的建议。 参考文献 1 李先瑞，郎四维.热泵的现状与展望J. 建筑热能通风空调, 1999, 18(3):41-44. 2 李新国，赵军.低温地热应用热泵供热的技术经济性分析J. 太阳能学报, 2000, 21(3):447-450. 3 孟杉，王立发，江剑. 地埋管地源热泵空调系统经济性分析与设计优化J. 中国建设信息供热制冷, 2009, 1: 34-36.
