地源热泵项目的经济分析及设计优化——以北京市昌平区某地源热泵改造工程为例

王立发，江 剑，栾英波

（1.北京市地质工程勘察院，北京100037；2.北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195）

地源热泵项目的经济分析及设计优化
——以北京市昌平区某地源热泵改造工程为例

王立发1，江 剑1，栾英波2

（1.北京市地质工程勘察院，北京100037；2.北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195）

以北京地区浅层地温能资源开发利用现状调查为基础，选取有代表性的昌平区某地源热泵供暖改造工程为实例，对地源热泵项目进行了技术、经济分析，并对地源热泵的设计方案提出了合理化建议。

地源热泵；经济分析；设计方案优化

0 引言

浅层地温能是一种新型的优质环保能源，具有可再生、储量大、清洁环保的优点。开发利用浅层地温能资源对改善北京市能源结构，提高可再生能源利用比例，节能、减排均具有一定意义。根据北京市“十一五”能源发展与节能规划，到2010年，北京市可再生能源利用量达到200万吨标准煤，力争达到占能源消费结构中总量4% ，其中热泵系统供暖面积将达到3500万m2。

据调查统计，截止到2007年9月底北京地区已建浅层地温能资源开发利用工程479个，服务面积达到1052万m2。

地下水式地源热泵（简称为水源热泵）和地埋管式地源热泵（简称为地源热泵）是北京地区浅层地温能资源开发利用的两种主要技术。

水源热泵项目运行时需要通过抽取地下水作为能量传递的介质来实现供热或制冷的目的，地下水在完成热交换后，必须100%回灌入同一含水层中。因此，区域水文地质条件能否满足需水量和回灌量要求是项目选址的关键。

地源热泵项目需根据项目的总冷、热负荷钻凿数量众多的地埋管孔，从理论讲可以在任何地区和任何地层钻凿地埋管孔，但从经济上考虑，在粗颗粒地层中钻凿小口径孔（150mm）的成孔难度非常大，成本昂贵。另外，地下水水位和流速对单孔换热能力有着非常重要的影响。因此，区域地质和水文地质条件也是决定项目运行效果及经济性的关键。

浅层地温能资源开发利用技术方案，必须根据区域地质、水文地质条件确定。技术方案选择是否合理，以及主机、循环泵选型，外管线布置，末端管理制度等都直接影响项目的投资和运行成本。本文是在北京地区浅层地温能资源开发利用现状调查的基础上，选择昌平区某地源热泵供暖改造工程为实例对地源热泵项目的经济性进行分析，并提出了设计优化方案。

1 项目的代表性

浅层地温能资源开发利用工程经济性分析涉及因素较多，如在同样建筑面积的情况下，建筑物不同的使用功能、层高、保温性能、设计方案、外管线布置、末端使用管理制度、地下换热系统效率等都会直接影响到工程的运行成本，也就是影响项目的经济性。在众多的已建项目中，选取具有普遍意义的项目进行经济性分析十分重要，其分析结果才具代表性。

北京地区浅层地温能资源开发利用工程现状调查，共搜集、整理了65个地源热泵项目的技术、经济资料，经过综合分析，将昌平区某地源热泵项目列为重点研究项目。该项目的5项特征具有普遍性意义。

（1）单独供暖、制冷

该项目单独供暖、制冷，不含生活热水，没有任何辅助冷、热源（如冰蓄冷、电加热和冷却塔等），便于单独分析、计算地源热泵项目的经济性。

（2）改造项目

该项目为供暖、制冷设备改造项目（未对建筑物保温性能进行改造），原有供暖方式为燃油锅炉供暖，制冷方式为分体式空调供冷，项目原有方案的供暖成本清楚。在改造项目运行后可以直接的进行方案经济性对比。

（3）方案选择、总体设计合理、施工难度适中

项目采用地源热泵技术与当地水文地质条件相符；项目设计方案合理；项目开工前，进行了前期勘察和打孔试验，施工难度适中。

（4）项目运行后，各项监测记录完整

项目管理单位认真，对各项重要数据记录完整，包括日耗电量、末端和地埋侧进、出水温度等，有利于进行技术和经济分析。

（5）项目功能、使用程度具有代表性

项目建筑主要为办公室、住宅、旅馆等，均为普通建筑物，有别于场馆、游泳池、大棚等非常用建筑物，使用程度为整个供暖季全天24小时，有别于学校等间歇性供暖单位。

由于该项目具有上述特点，其经济性分析结果具有参考价值。

2 项目简介

昌平区某地源热泵改造工程位于昌平区城南约5km，占地面积近30000m2，工程总建筑面积10000m2，其中办公室、餐厅、客房及其他附属建筑的总建筑面积8400m2，临时用房约1600m2（图1）。建筑物分散、使用功能多样。原先采用燃油锅炉供暖，分体式空调制冷，由于燃油锅炉已到使用年限，需要更新。

图1 场区建筑物分布及钻孔分布示意图

经水文地质勘察，工程地点位于温榆河上游支流东沙河形成的小冲洪积扇下部，地层以粘砂，粉砂为主，富水性一般，单井出水量在5000m3/d左右，回灌量一般只有抽水量的30%，因此，当地水文地质条件不适宜采用水源热泵技术。根据项目场区绿地、公共道路面积较大的特点，地质勘察部门推荐采用地源热泵技术实现冬季供暖、夏季供冷。

设计院提供空调热负荷为618kw，冷负荷为773kw。

项目于2005年8月开工建设，同年11月正式完工。工程总投资约440万元，设计安装了2台克莱门特主机，4台循环泵（2用2备），主机及循环泵耗电量均单独计量，为经济性分析打下了基础。项目共计施工了183个地埋管孔（100m，单U，PE管），所有钻孔均布置在场区绿地和停车场地面下，见图1。

3 经济评价方法

为解决冬季供暖问题，业主有两种选择方案：

方案一：继续采用燃油锅炉供暖，即更新燃油锅炉和附属管线；

方案二：采用地源热泵供暖。

根据项目的特点，经济评价拟采用费用效果分析法。费用效果分析系指通过比较项目预期效果与所支付的费用，判断项目费用有效性或经济合理性。费用效果分析中的费用系指为实现项目预定目标所付出的财务代价或经济代价，采用货币计量。费用效果分析法遵循多方案比选的原则，所分析项目应满足下列条件：

（1）备选方案不少于两个，且为互斥方案或可转化为互斥型方案；

（2）备选方案有共同的目标；

（3）备选方案的费用应能货币化；

（4）备选方案应具有可比的寿命周期。

（5）效果应采用同一非货币计量单位衡量。

根据上述要求，对项目采用费用效果分析法的适应性进行分析：

（1）本项目备选方案有两个，为互斥方案，也就是只能采用方案一、二中的其中一个；

（2）项目有共同的目标：实现冬季供暖。根据现有的暖通空调技术，两种方案效果均能满足要求，且效果难于货币化。

（3）两种方案费用（也就是成本）均能够货币化，均为初投资和运行成本。

（4）方案一燃油锅炉的使用寿命为8年，每8年增加锅炉费用为50万元；方案二地源热泵主机的使用寿命为15年，每15年增加主机费用60万元，地埋管使用寿命为50年计算。

（5）由于未对末端建筑物进行改造，可以认为两种方案热负荷相等，供暖效果一致。需要指出的是：方案二还可实现夏季制冷，且淘汰了普通分体式空调机，因此方案二效果明显大于方案一，但为评价工作便利，将方案一、方案二效果概化相同。

通过上述适应性分析，确定费用效果分析法适用于本项目的经济评价。

4 项目经济性评价

方案一、方案二的费用均由初投资和运行成本构成。下面将两种方案的初投资和运行成本进行对比。

（1）方案一

①初投资

方案一初投资由购置燃油锅炉、更新附属陈旧设备及管线、安装调试费用构成，投资金额约为50万元，见表1（数据为业主提供）。

表1 方案一初投资计划表

②运行成本

冬季运行成本由业主根据多年实际运行数据提供，主要由柴油、循环泵耗电量、人工成本构成，见表2。

表2 方案一冬季运行成本统计表

（2）方案二

①初投资

业主采用方案二的实际初投资金额为440万元（含施工和设计），主要为主机购置和安装、地埋管孔施工、风机盘管购置和安装、外管线施工等。工程于2005年11月竣工完成。

②运行成本

方案二已实际运行了两个供暖季，分别为2005~2006和2006~2007供暖季，运行成本为主机、循环泵、风机盘管实际耗电量成本，见表3。

表3 项目运行成本统计表 （万度）

很明显，方案一初投资较小，但运行成本昂贵；方案二初投资大，但运行成本低廉，见图2和图3。

图2 方案一和方案二初投资对比图

图3 方案一和方案二运行成本对比图

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，其前提是：假定在评价周期内，柴油、电费、人工成本、银行折现率等保持不变。

根据方案一，燃油锅炉的使用寿命为7~8年，每7~8年增加锅炉费用为50万元；根据方案二，地源热泵主机的使用寿命为15年，每15年增加主机费用60万元，地埋管使用寿命为50年计算；

项目费用现值（PC）计算公式：

n —— 计算期；

i —— 折现率；

经计算，方 需要说明的是，计算过程中在运行的第7年，第15年，第22年，第30年，因燃油锅炉使用寿命到 各增加锅炉费用为50万元。同样 的第15年，第30年，地源热泵主机的使用寿 各增60万元。

表4 项目投资方案费用现值表 （万元）

由表中可以看出，在假定两种方案供暖效果一致的情况下（也就是未考虑方案二可以夏季使用的情况和方案二的环保、安全效益），在运行后的第5年，方案一的费用现值458万元，而方案二的费用现值629万元，方案二高于方案一171万元，而第10年方案二低于方案一48万元，在第15年，20年，25年，30年方案二的费用现值低于方案一越来越多，逐步显示出方案二的优越性。

经计算，两方案约在运行后第8.5年费用现值相等，见方案一、二费用现值对比图4，从图中可以看出在第15年和第30年，两种方案均更新设备后，也就是两种方案均处于新的工作状态，方案二的费用现值仍低于方案一，显示出方案二的优势。

图4 方案一、方案二费用现值对比图

费用年值（AC）计算公式：

式中：（A/P,I,t）——资金回收系数

经计算，两种方案费用年值表见表5。

表5 项目投资方案费用年值表 （万元）

从表中同样可以看出，方案二的费用年值在前期较方案一高，随着时间推移，方案二的经济效益逐渐显现出来，在第15年方案一的费用年值为102万元，而方案二费用年值为85万元，节省17万元，第30年节省29万元。

两种方案费用年值对比见图5。

图5 方案一、方案二费用年值对比图

结论已经很清晰，两种方案在费用现值与费用年值的比较中，前期燃油方案费用低于地源方案，后期燃油方案高于地源方案，两种方案在约8.5年左右费用平衡。

5 项目技术分析及设计优化

利用经济性分析成果对项目的技术方案和管理制度进行优化和调整，在保证供暖效果不变的前提下，实现最大限度的节电，以降低运行成本是进行各项技术、经济分析的最终目的。

尽管本项目采用地源热泵单位面积供暖成本较高（41元/m2），但与燃油锅炉相比(88.19元/m2)，还是节省了一半的运行成本，且与燃油方案在约8.5年左右费用现值相同，在一定程度上体现出了地源热泵项目的经济优越性。

在经济性分析的基础上，经过实地调查找出了地源热泵运行成本偏高的原因是：

（1）循环泵耗电量过大

根据统计结果，项目冬季运行时循环泵所耗电量占总耗电量的36%，在夏季运行时循环泵所耗电量占总耗电量的45%，明显高于一般项目，原因一：末端建筑分散，导致循环泵设计功率大（22kw）。经实际调查，项目南北相距320m，东西距60m，大多数建筑物只有一层，且分布分散。原因二：项目共施工地埋管孔183个，由于场地限制，地埋管孔分布分散，且距主机房较远，导致地埋侧循环泵功率大（22kw）。原因三：循环泵均未安装变频装置，也就是说只要主机运行，循环泵就消耗44kw/h电量，这在供暖初期和末期明显不经济。原因四：项目单孔换热能力设计为22w/m，与一般项目相比明显偏低，导致项目初投资偏大和地埋侧循环泵功率偏大。

（2）项目供暖期长达5个月

因项目位于昌平区，天气较城区寒冷，供暖时间长达5个月，较正常供暖时间多出一个月。

（3）项目电价偏高，未实现峰谷电价

项目业主实际缴纳的电费为0.79元/kw·h，由于地源热泵项目运行成本基本就是供电成本，电价偏高直接导致供暖成本增加。由于冬季供暖时，主机耗电量主要集中在晚上，但项目未实行峰谷电价，优势未体现出来。

（4）项目建筑为轻体房，保温性能较差，导致负荷偏大，增加了主机的耗电量。

针对上述问题和不足，提出了优化方案和建议：

（1）采用分散式机房和自动变频控制

针对项目建筑物分散和地埋管孔分散的实际情况，建议采用分散式机房，提高系统的COP值，这在建筑物分散且服务面积较大的项目中尤其显得重要。

采用自动变频控制是降低能耗的有效方法，应注意流速降低后，最远端建筑的供暖效果，或将循环泵在扬程不变情况下，采用两台小流量（原泵流量的一半）循环泵，然后根据实际情况控制循环泵开启的数量。

如果最远端建筑物面积较小，建议采用其它方式供暖。本项目最远端为一加油站，服务面积仅30m2左右，为了给其供暖不但增加了管径，也增大了循环泵功率，从经济上讲不如直接采用两用空调更为节省。

（2）加强管理制度

主机耗电量是根据末端负荷确定的，负荷降低能够直接降低运行成本。因此，采用有效的管理制度降低末端负荷将节省运行成本。如：夜间将办公室温度控制在5℃左右，白天在宿舍无人时将宿舍温度适当降低等灵活措施将能够有效降低运行成本。

项目供暖时间长达5个月，在供暖的初期和末期根据天气情况，适当开停主机也是节能非常重要的措施。

（3）建议有关部门扩大峰、谷电价适用范围。采用峰、谷电价，再加上储热、储冷装置利用夜间电价较低时储热或储冷，然后在白天循环使用，将能够有效节省运行成本。

（4）加强研究和监测。根据地埋侧供回水温度适当调整地埋侧循环泵功率和型号，将有进一步节能空间。其监测数据将作为今后其它工程重要的设计参数（单延长米换热能力）。

6 结论

（1）在未考虑地源热泵方案可以夏季制冷，运行时安全、清洁、环保和无人值守的特点，采用费用效果分析法，地源热泵供暖方案与燃油方案相比，前期燃油方案费用低于地源方案，后期燃油方案高于地源方案，两种方案在约8.5年左右费用平衡。

（2）针对经济性分析中发现的地源热泵冬季供暖时运行成本偏高的情况，提出了采用分散式机房、采用变频控制、变换循环泵型号等技术优化方案，并根据项目实际情况提出了进一步加强管理制度的详细措施。

Economical Assessment and Design Optimization on the Ground Source Heat Pump(GSHP)—To Take a GSHP Upgrading Project in Changping District of Beijing as Example

WANG Lifang1，JIANG Jian1，LUAN Yingbo2
（1.Beijing Geo-engineering Investigation Institute, Beijing 100037; 2. Beijing Geological Mineral Exploration and Development Bureau，Beijing 100195）

Based on current investigation of Beijing shallow geothermal energy development, a heating upgrading project used by Ground Source Heat Pump (GSHP) in Changping Distinct is selected to an example. Moreover the economical index and technology design have been assessed, and some reasonable suggestions on the design plan of the GSHP have been put forward.

Ground Source Heat Pump(GSHP); economical Assessment; design Optimization

（略）

F223

A

1007-1903(2009)02-0004-06