地源熱泵與空氣源熱泵在空調(diào)冷熱源中的經(jīng)濟性比較

地源熱泵是一種利用地下淺層熱資源進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，近年來在中國引起了廣泛的關(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)濟性時直接采用單位管井換熱量指標(biāo)值,也未對地埋管進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)合不同的地埋管進水溫度情況和相應(yīng)的單位管井換熱量情況,通過分析計算獲得地源熱泵在南京地區(qū)的經(jīng)濟性評價。1冷、熱負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?？照{(diào)日運行時間8:00～16:00。南京市夏季空調(diào)運行時間包括6～9四個月份,冬季供暖包括12,1和2三個月份。為簡化負荷計算,以逐月代替逐天為一個時間段,即認為同一個月中每日的逐時室外氣溫以及逐時負荷相同。根據(jù)南京市氣象統(tǒng)計資料,獲得每個月份的逐時室外平均氣溫,采用冷負荷系數(shù)法,計算獲得不同月份的逐時冷負荷和熱負荷分布,冷、熱負荷分布情況分別如圖1和圖2所示。建筑總冷負荷3119kW,總熱負荷2223kW。2冷源冷方案對本空調(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,方案的機組選型情況見表1。3冷源方案的經(jīng)濟分析3.1月能耗及年運行費用各方案中機組制冷工況冷凍水出水溫度按7℃計,制熱工況熱水出水溫度按45℃計。對于空氣源熱泵,據(jù)廠家樣本提供的機組變工況性能曲線以及南京市氣象資料,得到各個月份不同時刻的機組運行COP值。結(jié)合逐時冷(熱)負荷值,從而獲得對應(yīng)時刻的耗電量,將對應(yīng)時刻的耗電量累加得到日耗電量,每個月按30天計,得到冬夏兩季的耗電量情況,分別如圖3和圖4所示。同樣,對于地源熱泵方案,耗電量計算采用類似方法。經(jīng)實驗測得,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組的運行參數(shù)。因此,對于制冷工況,地埋管進水溫度分別選取27℃,30℃,32℃和35℃4個水溫;對于制熱工況,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0.51元/千瓦時,得出不同方案下的年運行費用,如表2所示。由圖5和圖6可知,夏季耗電量遠遠大于冬季耗電量,因此,文中后面的有關(guān)地源熱泵冬季工況數(shù)據(jù)中,均指地埋管進水溫度為10℃的數(shù)據(jù)。3.2初投資方案比選對于空氣源熱泵,初投資僅包括空調(diào)機組投資。對于地源熱泵,初投資包括空調(diào)機組投資和地下?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度,其計算方法見式(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為地埋管管井總長度(km);QP為地下排熱負荷(kW);Ql為建筑總冷負荷(kW);COP為空調(diào)機組性能系數(shù);q為單位管井換熱量(瓦/米井深)。由本工程中建筑總冷負荷大于總熱負荷可知,建筑向地下排熱負荷遠大于向地下吸熱負荷,因此,地埋管管井總長度的確定將利用地下排熱負荷來計算。對于特定地區(qū)、特定土壤情況,單位管井換熱量僅取決于地埋管內(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)計了將地埋管進水溫度保持在27℃,30℃,32℃和35℃的管井換熱量測試實驗。根據(jù)實驗得出的對應(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水水溫越低,耗電量約小,即年運行費用越小,但同時單位管井換熱量越小,管井總長度越長,即初投資越大,因此有必要綜合比較在不同運行溫度下的經(jīng)濟性。3.3管井投資及總費用為了將系統(tǒng)的初投資和運行費用綜合起來考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟性,筆者通過計算系統(tǒng)在其壽命周期內(nèi)的總費用來獲得經(jīng)濟性評價。根據(jù)工程經(jīng)濟學(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,項目的總費用可按式(3)計算: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用(萬元);fini為冷熱源的初投資(萬元);fa為冷熱源方案的年運行費用(萬元);i為銀行貸款年利率;n為計算年數(shù)。按照空調(diào)設(shè)備壽命20年計,由式(3)計算得出各種方案下20年內(nèi)的總投資費用隨管井單位長度費用以及機組運行溫度變化的總費用情況,如圖7所示。由圖7可知,該工程采用空氣源熱泵方案時的費用約為1986萬元,而地源熱泵的總費用由鉆孔費用和運行溫度2個因素共同決定。當(dāng)管井費用低于10元/米時,地埋管進水溫度在整個可選合適溫度(27～35℃)范圍內(nèi),地源熱泵總費用均大大低于空氣源熱泵系統(tǒng),進水溫度越低,總費用越低。例如,管井費用為0,進水溫度保持在27℃時,總費用約1382萬元,可節(jié)約30%的費用;當(dāng)進水溫度保持在35℃時,總費用約1542萬元,可節(jié)約22%的費用。當(dāng)管井費用大于10元/米時,進水溫度越高,總費用約低。同時,當(dāng)管井費用大于50元/米時,在整個可選合適溫度范圍內(nèi),地源熱泵的總費用將高于空氣源熱泵。4應(yīng)用經(jīng)濟性較好的機組制冷工況運行時,經(jīng)濟1)目前地埋管井費用為60元/米左右,說明若所有地埋管均是專門單獨鉆井,則空氣源熱泵經(jīng)濟性與地源熱泵相比較并無較大優(yōu)勢可言;但若能夠降低管井費用,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)濟性高于空氣源熱泵。由于管井費用低于10元/米的可能性相當(dāng)小,因此,機組制冷工況運行時,地埋管的進水溫度可選取溫度范圍內(nèi)的較高值,此時經(jīng)濟性反而好。以地埋管井20元/米為例,當(dāng)進水溫度保持在35℃時,地源熱泵總費用約為1726萬元,與空氣源熱泵相比較,可節(jié)約13%的費用。2)與空氣源熱泵相比,地源熱泵在制熱工況時的優(yōu)勢要更為突出,由于本工程的冷負荷大于熱負荷,所以削弱了這項優(yōu)勢。若用在酒店、旅館等需熱要求較高的建筑優(yōu)勢會明顯加大。可在后續(xù)研究中針對工程的冷(熱)負荷的不同比例情況與經(jīng)濟性之間的關(guān)系來獲得最適用地源熱