地源热泵与空气源热泵在空调冷热源中的经济性比较

地源热泵与空气源热泵在空调冷热源中的经济性比较

地源热泵是一种利用地下浅层热资源进行加热和冷却的新空调类型。它具有高效、环保、节能、安全、可再生等优点，近年来在中国引起了广泛的关注。由于地源热泵受各地气象条件以及地质条件的制约,因而在各地区的应用应因地制宜。大多数研究者在分析地源热泵经济性时直接采用单位管井换热量指标值,也未对地埋管进水温度与初投资之间的关系加以论证。笔者以某建筑为研究对象,分别采用地源热泵与空气源热泵2种冷热源方案,结合不同的地埋管进水温度情况和相应的单位管井换热量情况,通过分析计算获得地源热泵在南京地区的经济性评价。1冷、热负荷分布该建筑为南京某公司的生产基地,共2层。底层为厂房车间,建筑面积19700m3,二层为办公楼,建筑面积5000m3。空调日运行时间8:00～16:00。南京市夏季空调运行时间包括6～9四个月份,冬季供暖包括12,1和2三个月份。为简化负荷计算,以逐月代替逐天为一个时间段,即认为同一个月中每日的逐时室外气温以及逐时负荷相同。根据南京市气象统计资料,获得每个月份的逐时室外平均气温,采用冷负荷系数法,计算获得不同月份的逐时冷负荷和热负荷分布,冷、热负荷分布情况分别如图1和图2所示。建筑总冷负荷3119kW,总热负荷2223kW。2冷源冷方案对本空调工程的冷热源分别采用空气源热泵和地源热泵2种方案,方案的机组选型情况见表1。3冷源方案的经济分析3.1月能耗及年运行费用各方案中机组制冷工况冷冻水出水温度按7℃计,制热工况热水出水温度按45℃计。对于空气源热泵,据厂家样本提供的机组变工况性能曲线以及南京市气象资料,得到各个月份不同时刻的机组运行COP值。结合逐时冷(热)负荷值,从而获得对应时刻的耗电量,将对应时刻的耗电量累加得到日耗电量,每个月按30天计,得到冬夏两季的耗电量情况,分别如图3和图4所示。同样,对于地源热泵方案,耗电量计算采用类似方法。经实验测得,南京地区地温为19℃左右。在制冷或制热工况下,地下埋管侧水温高低直接影响机组的运行参数。因此,对于制冷工况,地埋管进水温度分别选取27℃,30℃,32℃和35℃4个水温;对于制热工况,分别选取8℃,10℃,12℃和15℃,结合产品样本提供的变工况性能曲线,获得不同温度下的耗电量。地源热泵夏季、冬季工况耗电量随地埋管进水温度的变化情况分别如图5和图6所示。根据以上耗电量数据,按照目前南京市电价0.51元/千瓦时,得出不同方案下的年运行费用,如表2所示。由图5和图6可知,夏季耗电量远远大于冬季耗电量,因此,文中后面的有关地源热泵冬季工况数据中,均指地埋管进水温度为10℃的数据。3.2初投资方案比选对于空气源热泵,初投资仅包括空调机组投资。对于地源热泵,初投资包括空调机组投资和地下换热器的投资。地下换热器的投资取决于地埋管管井总长度,其计算方法见式(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为地埋管管井总长度(km);QP为地下排热负荷(kW);Ql为建筑总冷负荷(kW);COP为空调机组性能系数;q为单位管井换热量(瓦/米井深)。由本工程中建筑总冷负荷大于总热负荷可知,建筑向地下排热负荷远大于向地下吸热负荷,因此,地埋管管井总长度的确定将利用地下排热负荷来计算。对于特定地区、特定土壤情况,单位管井换热量仅取决于地埋管内的水温。因此,地源热泵初投资的大小最终取决于地埋管内水温的高低。为获得地埋管的单位管井换热量可靠数据,分别设计了将地埋管进水温度保持在27℃,30℃,32℃和35℃的管井换热量测试实验。根据实验得出的对应温度下单位管井换热量数据,2种方案下的初投资情况如表3。以制冷工况为例,地源热泵的地埋管进水水温越低,耗电量约小,即年运行费用越小,但同时单位管井换热量越小,管井总长度越长,即初投资越大,因此有必要综合比较在不同运行温度下的经济性。3.3管井投资及总费用为了将系统的初投资和运行费用综合起来考虑系统的经济性,笔者通过计算系统在其寿命周期内的总费用来获得经济性评价。根据工程经济学基本原理,假设银行的贷款年利率i=5%,则经过n年以后,项目的总费用可按式(3)计算: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为冷热源方案的总费用(万元);fini为冷热源的初投资(万元);fa为冷热源方案的年运行费用(万元);i为银行贷款年利率;n为计算年数。按照空调设备寿命20年计,由式(3)计算得出各种方案下20年内的总投资费用随管井单位长度费用以及机组运行温度变化的总费用情况,如图7所示。由图7可知,该工程采用空气源热泵方案时的费用约为1986万元,而地源热泵的总费用由钻孔费用和运行温度2个因素共同决定。当管井费用低于10元/米时,地埋管进水温度在整个可选合适温度(27～35℃)范围内,地源热泵总费用均大大低于空气源热泵系统,进水温度越低,总费用越低。例如,管井费用为0,进水温度保持在27℃时,总费用约1382万元,可节约30%的费用;当进水温度保持在35℃时,总费用约1542万元,可节约22%的费用。当管井费用大于10元/米时,进水温度越高,总费用约低。同时,当管井费用大于50元/米时,在整个可选合适温度范围内,地源热泵的总费用将高于空气源热泵。4应用经济性较好的机组制冷工况运行时,经济1)目前地埋管井费用为60元/米左右,说明若所有地埋管均是专门单独钻井,则空气源热泵经济性与地源热泵相比较并无较大优势可言;但若能够降低管井费用,如直接利用桩埋管,或地质情况良好有利于钻孔,则地源热泵经济性高于空气源热泵。由于管井费用低于10元/米的可能性相当小,因此,机组制冷工况运行时,地埋管的进水温度可选取温度范围内的较高值,此时经济性反而好。以地埋管井20元/米为例,当进水温度保持在35℃时,地源热泵总费用约为1726万元,与空气源热泵相比较,可节约13%的费用。2)与空气源热泵相比,地源热泵在制热工况时的优势要更为突出,由于本工程的冷负荷大于热负荷,所以削弱了这项优势。若用在酒店、旅馆等需热要求较高的建筑优势会明显加大。可在后续研究中针对工程的冷(热)负荷的不同比例情况与经济性之间的关系来获得最适用地源热