地源熱泵與空氣源熱泵在空調(diào)冷熱源中的經(jīng)濟(jì)性比較

地源熱泵與空氣源熱泵在空調(diào)冷熱源中的經(jīng)濟(jì)性比較

地源熱泵是一種利用地下淺層熱資源進(jìn)行加熱和冷卻的新空調(diào)類型。它具有高效、環(huán)保、節(jié)能、安全、可再生等優(yōu)點(diǎn)，近年來在中國(guó)引起了廣泛的關(guān)注。由于地源熱泵受各地氣象條件以及地質(zhì)條件的制約,因而在各地區(qū)的應(yīng)用應(yīng)因地制宜。大多數(shù)研究者在分析地源熱泵經(jīng)濟(jì)性時(shí)直接采用單位管井換熱量指標(biāo)值,也未對(duì)地埋管進(jìn)水溫度與初投資之間的關(guān)系加以論證。筆者以某建筑為研究對(duì)象,分別采用地源熱泵與空氣源熱泵2種冷熱源方案,結(jié)合不同的地埋管進(jìn)水溫度情況和相應(yīng)的單位管井換熱量情況,通過分析計(jì)算獲得地源熱泵在南京地區(qū)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。1冷、熱負(fù)荷分布該建筑為南京某公司的生產(chǎn)基地,共2層。底層為廠房車間,建筑面積19700m3,二層為辦公樓,建筑面積5000m3。空調(diào)日運(yùn)行時(shí)間8:00～16:00。南京市夏季空調(diào)運(yùn)行時(shí)間包括6～9四個(gè)月份,冬季供暖包括12,1和2三個(gè)月份。為簡(jiǎn)化負(fù)荷計(jì)算,以逐月代替逐天為一個(gè)時(shí)間段,即認(rèn)為同一個(gè)月中每日的逐時(shí)室外氣溫以及逐時(shí)負(fù)荷相同。根據(jù)南京市氣象統(tǒng)計(jì)資料,獲得每個(gè)月份的逐時(shí)室外平均氣溫,采用冷負(fù)荷系數(shù)法,計(jì)算獲得不同月份的逐時(shí)冷負(fù)荷和熱負(fù)荷分布,冷、熱負(fù)荷分布情況分別如圖1和圖2所示。建筑總冷負(fù)荷3119kW,總熱負(fù)荷2223kW。2冷源冷方案對(duì)本空調(diào)工程的冷熱源分別采用空氣源熱泵和地源熱泵2種方案,方案的機(jī)組選型情況見表1。3冷源方案的經(jīng)濟(jì)分析3.1月能耗及年運(yùn)行費(fèi)用各方案中機(jī)組制冷工況冷凍水出水溫度按7℃計(jì),制熱工況熱水出水溫度按45℃計(jì)。對(duì)于空氣源熱泵,據(jù)廠家樣本提供的機(jī)組變工況性能曲線以及南京市氣象資料,得到各個(gè)月份不同時(shí)刻的機(jī)組運(yùn)行COP值。結(jié)合逐時(shí)冷(熱)負(fù)荷值,從而獲得對(duì)應(yīng)時(shí)刻的耗電量,將對(duì)應(yīng)時(shí)刻的耗電量累加得到日耗電量,每個(gè)月按30天計(jì),得到冬夏兩季的耗電量情況,分別如圖3和圖4所示。同樣,對(duì)于地源熱泵方案,耗電量計(jì)算采用類似方法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得,南京地區(qū)地溫為19℃左右。在制冷或制熱工況下,地下埋管側(cè)水溫高低直接影響機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)。因此,對(duì)于制冷工況,地埋管進(jìn)水溫度分別選取27℃,30℃,32℃和35℃4個(gè)水溫;對(duì)于制熱工況,分別選取8℃,10℃,12℃和15℃,結(jié)合產(chǎn)品樣本提供的變工況性能曲線,獲得不同溫度下的耗電量。地源熱泵夏季、冬季工況耗電量隨地埋管進(jìn)水溫度的變化情況分別如圖5和圖6所示。根據(jù)以上耗電量數(shù)據(jù),按照目前南京市電價(jià)0.51元/千瓦時(shí),得出不同方案下的年運(yùn)行費(fèi)用,如表2所示。由圖5和圖6可知,夏季耗電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于冬季耗電量,因此,文中后面的有關(guān)地源熱泵冬季工況數(shù)據(jù)中,均指地埋管進(jìn)水溫度為10℃的數(shù)據(jù)。3.2初投資方案比選對(duì)于空氣源熱泵,初投資僅包括空調(diào)機(jī)組投資。對(duì)于地源熱泵,初投資包括空調(diào)機(jī)組投資和地下?lián)Q熱器的投資。地下?lián)Q熱器的投資取決于地埋管管井總長(zhǎng)度,其計(jì)算方法見式(1)和(2)。L=QP/q(1)QP=Ql×(1+1/COP)(2)L=QΡ/q(1)QΡ=Ql×(1+1/CΟΡ)(2)式中:L為地埋管管井總長(zhǎng)度(km);QP為地下排熱負(fù)荷(kW);Ql為建筑總冷負(fù)荷(kW);COP為空調(diào)機(jī)組性能系數(shù);q為單位管井換熱量(瓦/米井深)。由本工程中建筑總冷負(fù)荷大于總熱負(fù)荷可知,建筑向地下排熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于向地下吸熱負(fù)荷,因此,地埋管管井總長(zhǎng)度的確定將利用地下排熱負(fù)荷來計(jì)算。對(duì)于特定地區(qū)、特定土壤情況,單位管井換熱量?jī)H取決于地埋管內(nèi)的水溫。因此,地源熱泵初投資的大小最終取決于地埋管內(nèi)水溫的高低。為獲得地埋管的單位管井換熱量可靠數(shù)據(jù),分別設(shè)計(jì)了將地埋管進(jìn)水溫度保持在27℃,30℃,32℃和35℃的管井換熱量測(cè)試實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的對(duì)應(yīng)溫度下單位管井換熱量數(shù)據(jù),2種方案下的初投資情況如表3。以制冷工況為例,地源熱泵的地埋管進(jìn)水水溫越低,耗電量約小,即年運(yùn)行費(fèi)用越小,但同時(shí)單位管井換熱量越小,管井總長(zhǎng)度越長(zhǎng),即初投資越大,因此有必要綜合比較在不同運(yùn)行溫度下的經(jīng)濟(jì)性。3.3管井投資及總費(fèi)用為了將系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用綜合起來考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性,筆者通過計(jì)算系統(tǒng)在其壽命周期內(nèi)的總費(fèi)用來獲得經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。根據(jù)工程經(jīng)濟(jì)學(xué)基本原理,假設(shè)銀行的貸款年利率i=5%,則經(jīng)過n年以后,項(xiàng)目的總費(fèi)用可按式(3)計(jì)算:fT=fini×(1+i)n+fa×[(1+i)n?1+(1+i)n?2+??+(1+i)+1](3)fΤ=fini×(1+i)n+fa×[(1+i)n-1+(1+i)n-2+??+(1+i)+1](3)式中:fT為冷熱源方案的總費(fèi)用(萬元);fini為冷熱源的初投資(萬元);fa為冷熱源方案的年運(yùn)行費(fèi)用(萬元);i為銀行貸款年利率;n為計(jì)算年數(shù)。按照空調(diào)設(shè)備壽命20年計(jì),由式(3)計(jì)算得出各種方案下20年內(nèi)的總投資費(fèi)用隨管井單位長(zhǎng)度費(fèi)用以及機(jī)組運(yùn)行溫度變化的總費(fèi)用情況,如圖7所示。由圖7可知,該工程采用空氣源熱泵方案時(shí)的費(fèi)用約為1986萬元,而地源熱泵的總費(fèi)用由鉆孔費(fèi)用和運(yùn)行溫度2個(gè)因素共同決定。當(dāng)管井費(fèi)用低于10元/米時(shí),地埋管進(jìn)水溫度在整個(gè)可選合適溫度(27～35℃)范圍內(nèi),地源熱泵總費(fèi)用均大大低于空氣源熱泵系統(tǒng),進(jìn)水溫度越低,總費(fèi)用越低。例如,管井費(fèi)用為0,進(jìn)水溫度保持在27℃時(shí),總費(fèi)用約1382萬元,可節(jié)約30%的費(fèi)用;當(dāng)進(jìn)水溫度保持在35℃時(shí),總費(fèi)用約1542萬元,可節(jié)約22%的費(fèi)用。當(dāng)管井費(fèi)用大于10元/米時(shí),進(jìn)水溫度越高,總費(fèi)用約低。同時(shí),當(dāng)管井費(fèi)用大于50元/米時(shí),在整個(gè)可選合適溫度范圍內(nèi),地源熱泵的總費(fèi)用將高于空氣源熱泵。4應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性較好的機(jī)組制冷工況運(yùn)行時(shí),經(jīng)濟(jì)1)目前地埋管井費(fèi)用為60元/米左右,說明若所有地埋管均是專門單獨(dú)鉆井,則空氣源熱泵經(jīng)濟(jì)性與地源熱泵相比較并無較大優(yōu)勢(shì)可言;但若能夠降低管井費(fèi)用,如直接利用樁埋管,或地質(zhì)情況良好有利于鉆孔,則地源熱泵經(jīng)濟(jì)性高于空氣源熱泵。由于管井費(fèi)用低于10元/米的可能性相當(dāng)小,因此,機(jī)組制冷工況運(yùn)行時(shí),地埋管的進(jìn)水溫度可選取溫度范圍內(nèi)的較高值,此時(shí)經(jīng)濟(jì)性反而好。以地埋管井20元/米為例,當(dāng)進(jìn)水溫度保持在35℃時(shí),地源熱泵總費(fèi)用約為1726萬元,與空氣源熱泵相比較,可節(jié)約13%的費(fèi)用。2)與空氣源熱泵相比,地源熱泵在制熱工況時(shí)的優(yōu)勢(shì)要更為突出,由于本工程的冷負(fù)荷大于熱負(fù)荷,所以削弱了這項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。若用在酒店、旅館等需熱要求較高的建筑優(yōu)勢(shì)會(huì)明顯加大?？稍诤罄m(xù)研究中針對(duì)工程的冷(熱)負(fù)荷的不同比例情況與經(jīng)濟(jì)性之間的關(guān)系來獲得最適用地源熱