高原河谷地区地下水源热泵采暖经济性分析

贺文晟　袁艳平　张　伟,2　余南阳　曹晓玲（.西南交通大学机械工程学院　成都　6003；2.重庆工商职业学院建筑工程学院　重庆　400052）



高原河谷地区地下水源热泵采暖经济性分析

贺文晟1袁艳平1张伟1,2余南阳1曹晓玲1
（1.西南交通大学机械工程学院成都610031；2.重庆工商职业学院建筑工程学院重庆400052）

【摘要】以四川省马尔康中学为计算对象，进行在采用常规锅炉房和地下水源热泵机组作为空调系统不同热源时相对应的能耗分析，经济性参数分析如初投资、运行费用等情况。结果表明，长期只在供热季运行的情况下，地下水源热泵系统也可在五年内收回增量投资，具有较好的经济性。

【关键词】地下水源热泵；能耗分析；经济性分析

0　引言

地下水源热泵技术是一种地热能可持续开发利用方式，最早出现于欧美等国家，因其具有较高的运行效率且环境效益显著，得到了广泛的推广应用[1]。水源热泵对水源系统的要求是：水量充足、水温适度、水质适宜、供水稳定[2]，而高原河谷地区满足这个标准。在适宜性达标的情况下，应考虑经济性因素。

1　工程概况

1.1工程简介

本文选取四川省西北部地区马尔康中学为研究对象。马尔康中学坐落于阿坝州首府所在地马尔康县马江街124号。学校东临中国财产保险公司阿坝分公司，西临阿坝州体校，南靠巍峨大山，北与州人民银行相接，与梭磨河紧相依偎。马尔康中学学校占地面积30亩，建筑面积约3.1万余平方米，主体建筑有科艺楼、教学楼、实验楼、教师宿舍和学生宿舍等。其中科艺楼约5400m2，男生宿舍约2600m2，女生宿舍约3000m2，食堂约2000m2，教师宿舍约10000m2，教学楼5000m2，实验楼约3000m2。由于该地区属高原亚寒带气候区，冬半年受西北气流影响，晴朗少雨、空气干燥、气候寒冷；夏半年受西南暖湿气流控制，降水少、温凉湿润，具有冬干夏湿、雨热同季、日照充足、昼夜温差大的特点[3]。马尔康地区采暖度日数为3442，属于寒冷A区[4]，由于夏季无供冷需求，以冬季采暖为主，故做采暖经济性评估。

1.2空调冷热负荷计算

1.2.1设计参数

夏季室外空调计算干球温度：22.9℃；

冬季室外采暖计算温度：-10℃；

夏季室内空调设计参数：温度24～26℃；

湿度：40%～65%；

冬季室内空调设计参数：温度18～24℃；

湿度：30%～60%；

供暖面积：一期7600m2，二期23400m2，共31000m2。

1.2.2建筑热负荷

用DeST对本工程各建筑热负荷进行模拟计算，并进行逐时叠加，得到采暖逐时热负荷变化如图1。

图1　逐时采暖热负荷Fig.1 hourly heating load

整个校园同时使用系数拟采用0.6，计算结果如下。

表1　各地块热负荷情况Table 1 Heat load fact of each block

2　空调热源方案

2.1常规锅炉房方案

由于电锅炉与燃油锅炉运行成本较高，而燃煤锅炉会产生大量有害气体，故本报告按燃气锅炉进行分析。

由于燃气耗量和大气污染物排放量，单户采暖最低，分散采暖居中，区域采暖最高。对于低层住宅应优先选用单户采暖，高层住宅、公共建筑和商业建筑应优先采用模块式燃气锅炉分散采暖，大规模的燃气锅炉区域采暖不宜推广[4]。故本报告将对分散采暖进行分析。

考虑到本项目各建筑的性质，将本项目建筑工程分为食堂、学生宿舍、实验楼和科艺楼、教学楼、教师宿舍五个地块，进行多建筑物分散采暖。各地块热负荷情况如表1所示。

以上每个地块使用一个燃气锅炉房，根据表1对采暖锅炉进行选型。选型情况如表2所示。

表2　各地块燃气锅炉选型表Table 2 Gas-fired boiler selection table of each block

耗气量按下式计算：

式中：V为天然气消耗量，m³；Q为采暖量，kW；λ为天然气热值，四川地区天然气热值取其低热值36442kJ/m3；η为锅炉热效率，取0.9。

经计算各地块分散采暖天然气耗气量如表3所示。

表3　各地块分散采暖天然气耗气量Table 3 Decentralized heating gas consumption of each block

2.2地下水源热泵方案

（1）设备选型

螺杆式热泵机组具有重量轻、体积小、结构简单、运转可靠、振动噪声小、维护简便等优点[5]，本项目以地下水为热源，采用螺杆式热泵系统进行区域供暖。根据全年逐时负荷图1，机组选型为螺杆式水冷热泵机组HXC130A和300A机组各一台组合供热。供回水温度取47℃和39℃。

（2）水源热泵机组总能耗

机组能效与制热量、输入能耗之间存在以下关系。

制热/热水工况下：

式中，Qr为机组制热工况下的制热量，kW；pr为机组制热工况下的输入功率，kW。

根据系统制热工况下的建筑逐时冷热负荷和逐时负荷率，通过以上关系式，可以得到制热工况下各冷热源机组逐时能耗和所有机组的逐时总能耗。

统计可得全年供热工况下冷热源机组的逐时能耗最大值为623.25kW，总能耗为381032.07kWh，系统能效比为3.44。

图2　制热季热源机组逐时能耗Fig.2 The energy consumption of the heat source unit during the heating season

（3）需水量的确定

开式系统在冬季供热工况下，所需地下水流量计算公式如下：

马尔康一期项目中，Qr=1703.12kW，此时，机组电功率N=623.25kW，冬季地下水取回水温差为6℃，考虑取水保险系数1.05，从而可以计算出，设计最大室外取水量为162.52m3/h，供热季需水总量为133342.19m3。

（4）取水泵能耗

取水管沿程阻力ΔPm（Pa）可通过下式计算：

应用中，可根据冷水管道的摩擦阻力计算表查得开式系统比摩阻[6]。根据所选用的热泵机组说明书，制热工况下130A和300A机组蒸发器阻力ΔPz为17kPa-19kPa，本报告取ΔPz=19kPa。各阻力之和ΔP=24.55kPa。

根据以上数据，取水泵所需扬程H按以下算式计算：

式中，ΔH为水泵抽水高差，m，取40m；1.1-1.2为安全系数，此处取1.1。经计算，水泵所需扬程为46.76m。

计算水泵轴功率时，流量、扬程都取10%的余量，则水泵轴功率NZ可以通过下式计算：

式中，NZ为水泵轴功率，W；η为水泵效率，当NZ≤22kW，η取0.8，22＜NZ≤55kW时，η=0.87，NZ＞55kW，η=1.00。其他符号同前。

经计算，水泵轴功率为78.01kW。

电机功率计算如下：

式中：NC为电机功率，kW；K为电机功率安全系数，取1.1；ηC为电机效率，取0.98。

经计算，取水一次泵电机功率为87.57kW。

根据相似性定律[7]，当水泵转速n改变时，水泵轴功率NZ与其流量G三次方成正比。从而可以计算出机组再变工况运行时，水泵对应的功率与能耗。经计算分析，本项目取水泵能耗总计为14733.19kW。

（5）循环水泵能耗

循环水水量的计算：

式中：Gx为计算循环水流量，m3/h；Q为热用户热设计负荷，kW；tg﹑th为设计供回水温度，℃。

考虑取水保险系数1.05，设计最大循环水量为192.20m³/h。根据流量值及流速与流量、管径的关系式，选用管径250mm，此时流速为1.1m/s。

根据管道的摩擦阻力计算表查得开式系统比摩阻[6]。查得本项目闭式循环水管比摩阻为Rc=46Pa/m。循环水管长取400m，则沿程阻力为18.40kPa。取局部阻力ΔPj=ΔPm。根据所选用的热泵机组说明书，制热工况下130A和300A机组蒸发器阻力Δ Pz为58kPa和62kPa，本报告取ΔPz=62kPa。各阻力之和ΔP=98.80kPa。

根据以上数据，计算循环水泵所需扬程H为11.09m，其中安全系数取1.1。

流量、扬程都取10%的余量，则循环水泵轴功率NZ=22.98kW，由于22kW＜NZ＜55kW，η取0.87，重新求得NZ=26.41kW，电机功率NC=29.64kW。

根据水泵相似性定律[7]，可以计算出循环泵在变工况运行下，循环水泵供热季能耗总计为3549.35kW。

3　两种方案经济性比较

3.1初投资分析

两种系统包括主要设备投资、能源增容费、土建投资、空调自动控制系统、以及安装等其它配套费用等内容。关于初投资需要作出以下说明，一是由于本研究的主要目的在于比较分析不同冷热源方案的经济性，各个方案的空调末端设备（即风机盘管、空调器等）配置均相同，因此忽略末端设备的价格差异及运行能耗；二是土建造价、控制系统投资等为参考类似工程估算。

按表4中所选数据计算可得，与传统锅炉系统相比较，地下水式地源热泵系统初投资费用比传统锅炉系统高出约9.14%。室内供暖工程投资分别占了燃气锅炉系统和地下水式地源热泵初投资的70.87%和64.93%。若不考虑两系统中室内供暖工程投资，则与传统锅炉系统相比较，地下水式地源热泵系统初投资费用比传统锅炉系统高出约31.40%。

表4　初投资估算表（万元）Table 4 Initial investment estimation（ten thousand yuan）

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3.2运行费用分析

本部分计算中，燃气锅炉系统耗用天然气价格依据2014年10月23日《四川省发展和改革委员会关于调整我省非居民用天然气价格的通知》[8]：非居民用天然气（含CNG气源），按每立方米2.44元的最高综合门站价执行。建筑考虑10%热损失。

地下水源热泵用电价格依据2013年11月4日《四川省发展和改革委员会关于调整可再生能源电价附加征收标准等有关事项的通知》[9]：可再生能源电价附加标准为每千瓦时0.8分钱。

本报告计算地下水源热泵系统运行价格时，电价按0.8元/kWh计算。从而，运行费用计算情况如表5。

表5　年运行费用估算表Table 5 Annual operating cost estimation

按表4中所选数据计算可得，与传统锅炉系统相比较，地下水式地源热泵系统初投资费用比传统锅炉系统高出约9.14%。室内供暖工程投资分别占了燃气锅炉系统和地下水式地源热泵初投资的70.87%和64.93%，若不考虑两系统中室内供暖工程投资，则与传统锅炉系统相比较，地下水式地源热泵系统初投资费用比传统锅炉系统高出约31.40%。

与传统锅炉系统相比较，地下水式地源热泵系统运行费用节约率31.77%，地下水地源热泵系统资金回收期为54÷14.74=3.66。即4年时间内就能将增量投资部分回收。

4　结论

地下水源热泵方案的初投资比常规锅炉房方案高，但它的年运行费用较低，只从供热季判断，它所增加的投资依然能在5年内即可收回。所以高原河谷地区供热选择地下水源热泵方案可以提高经济性。

参考文献：

[1]倪龙,封家平,马最良.地下水源热泵的研究与进展[J].建筑热能通风空调,2004,23(2):26-31.

[2] GB50189-2005,公共建筑节能设计标准[S].北京:建筑工业出版社,2005.

[3]四川省地质工程勘察院.马尔康中学新建工程水源热泵中央空调系统专项水文地质勘查报告[R].成都, 2014.

[4] JGJ26-2010,严寒及寒冷地区居住建筑节能规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[5]田贯三,郭非,耿克成.天然气锅炉采暖方式的研究[J].煤气与热力,2004,24(4):189-193.

[6]董玉平,由世俊,汪洪军,等.R22地源热泵机组单螺杆压缩机循环性能研究[J].压缩机技术,2004,(1)1-4.

[7]陆耀庆.实用供暖空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[8]蔡增基,龙天渝.流体力学泵与风机[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.

[9]川发改价格[2014]909号.

[10]川发改价格[2013]1164号.

Economic Analysis of Ground Water Heat Pumps for Heating in Plateau Region

He Wensheng1Yuan Yanping1Zhang Wei1,2Yu Nanyang1Cao Xiaoling1
( 1.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031;
2.School of Civil Engineering and Architecture, Chongqing Technology and Business Institute, Chongqing, 400052 )

【Abstract】Analyzes some energy consumption and economic parameters such as initial investment and operation costs when gas-fired boiler and groundwater-source heat pump are used respectively for heating source of air-conditioning of Barkam County High School in Sichuan Province. The results show that only in the case of long-term operation of the heating season, Ground Water Heat Pumps system can also recover incremental investment within five years.

【Keywords】groundwater source heat pump; energy consumption analysis; Economic Analysis

中图分类号TU833

文献标识码A

文章编号：1671-6612（2016）01-104-05

基金项目：高原气候适应性节能建筑关键技术研究与示范

作者简介：贺文晟（1989.01-），男，在读硕士研究生，E-mail：693524193@qq.com

通讯作者：袁艳平（1973-），男，二站博士后，教授，博士生导师，E-mail：ypyuan@home.swjtu.edu.cn

收稿日期：2015-02-10