利用可再生能源的空调系统的效益比较分析

张敏

（苏州经贸职业技术学院，江苏苏州 215009）

【自然科学研究与应用】

利用可再生能源的空调系统的效益比较分析

张敏

（苏州经贸职业技术学院，江苏苏州 215009）

通过土壤源热泵、水源热泵系统与常规空调方案的比较，从初投资、年运行费、减少一次能源消耗量、CO2排放量、大气污染物排放等角度考虑，表明采用可再生能源的空调方案在节能减排方面的优势，特别是水源热泵系统，其经济效益和环境效益尤为显著，在有条件的情况下，推荐优先选用。

可再生能源；热泵；经济性分析

我国建筑能耗约占全国能源消耗总量的27%，而每年中央空调能耗约占建筑能耗的40%～50%[1]。在我国相对发达的长江中下游地区，中央空调几乎成为现代公共建筑的标配，空调能耗问题可想而知。因此，可再生能源的开发利用显得愈发迫切。

可再生能源是风能、太阳能、水能、生物质能、地热能和海洋能等非化石能源的统称，是可以不断利用、循环再生的能源。这些能源的使用，已成为各国可持续发展的重要选择。土壤源热泵、水源热泵，因分别使用了地热能和水能等可再生能源，已成为夏热冬冷地区中央空调选择新宠。

本文以江苏省苏州市某办公楼为例，将同样制冷量、制热量的土壤源热泵、水源热泵（由于制冷、制热量相对较大，故不选用风冷热泵系统进行比较）与常规的冷水机组加燃气锅炉系统进行初投资、运行费用及节能减排的比较，综合考虑可再生能源空调系统运用的效益。

一、计算气象资料

由于缺乏苏州市的历年气象资料，先考虑采用2015年5月—2016年5月室外温度的实测数据作为室外气象参数，以2℃温差作为一个温差频段确定苏州市的BIN气象参数。空调系统运行时间为7：00—18：00，夏季运行120d，冬季运行90d（见表1）。

表1 空调运行期BIN气象参数

二、空调方案说明

（一）空调设备选用情况

以苏州市的一个制冷量850kW、制热量900 kW的办公楼空调系统为例。考虑到通用性和适用性，根据制冷量、制热量及《公共建筑节能设计标准》的COP要求，分别选用常规的冷水机组加燃气锅炉设备与土壤源热泵、水源热泵。为了便于比较，选用同一生产厂家的产品，均选用标准型。其中，冷水机组选择蓝德CTSC-0836，土壤源热泵、水源热泵选用蓝德0948D系列，燃气锅炉选用迪宝CWNS0.93系列，性能参数如表2所示。

表2 各空调系统设备的性能参数

（二）地源热泵方案说明

地源热泵系统，通过地埋管中的媒介（水）与周围土壤沙石进行的热交换，实现夏季制冷和冬季供暖。

以夏季向地下释放热量来计算地埋管数量：忽略水泵散热、传热等因素的影响，夏季需要向地下释放热量为1050kW，按地埋管单位埋深放热量为60w/m，则需要的地埋管米数为1050000/60= 17500m，按每孔埋深100m计，共需地埋管数175个。

以冬季从地下提取热量来计算地埋管数量：忽略水泵散热、传热等因素的影响，冬季需要从地下提取热量为750kW，按地埋管单位埋深取热量为40w/m，则需要的地埋管米数为750000/40=18750m，按每孔埋深100m计，共需地埋管数188个。

地埋管环路能量采集系统采用双U型管形式，预留一定量地埋孔[2]，根据《地源热泵工程技术规范》，本案例决定采用200个深度为100m、直径为150mm的地埋管竖孔，每个竖孔中安装单根长度100m的高强度PE管4根，组成双U型管结构形式，以满足工程冷热量需要。

（三）水源热泵方案说明

水源热泵，是以地下水、地表水或江河湖泊水作为冷、热源，进行能量交换（制冷供热）的空调系统。本案例拟利用办公楼周围的景观湖水建造一个地表水源热泵系统，将湖水作为夏季冷源和冬季热源[3]。如图1所示，水源热泵机组冬季制备温水用于办公楼供暖；夏季制备冷冻水用于制冷；过渡季节关闭热泵主机，利用地下提供的13℃到19℃的一次冷水通过板式换热器换热，承担室内冷负荷，详见图1。

图1 水源热泵方案原理图

三、三种方案运行经济性比较

（一）系统初投资比较

空调系统初投资主要包括机房土建建设费、冷热源主机设备费、末端设备费、辅材费、安装调试费以及增容费等。由于三种方案土建、增容情况一样，在此不做比较。从初投资的角度，将土壤源、水源热泵系统与常规空调系统进行经济性分析，结果见表3。

表3 不同空调系统的投资比较（单位：元）

三种方案比较，土壤源热泵由于增加了地埋管的打井费用，导致其初投资高于常规方案约75%；水源热泵由于增加了取水、回灌管路，导致其初投资高于常规方案约23%。

（二）年运行费用比较

系统的年运行费用受到能源特征、价格和系统运行特点等因素的影响，能否正确计算系统的运行费用，直接关系到系统的选择与评价。冷热源系统运行能耗的计算，需要根据空调运行期BIN气象参数。同时，由于公共建筑空调系统满负荷运行时间较短，多数时间处于部分负荷状态，考虑采用负荷频率法计算全年能耗。

能耗分析按如下设定：热泵机组依据模拟运行工况，采用部分负荷调节运行，部分负荷率分别为100%、75%、50%、25%。借用综合部分负荷性能系数（IPLV）[1]来进行耗能计算。

式（1）中，A表示100%负荷时的性能系数（W/ W），冷却水进水温度30℃/冷凝器进气干球温度35℃；B表示75%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度26℃/冷凝器进气干球温度31℃；C表示50%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度23℃/冷凝器进气干球温度28℃；D表示25%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度19℃/冷凝器进气干球温度24.5℃。

同时，电价按苏州市商业用电价格0.84元/ kWh计，燃气按苏州市商业用气价格2.29元/m3，计算得到3种方案的耗电量以及系统的运行费用[5]，见表4。

表4 不同空调系统的估算能耗与年运行费用对比表

由表4可以看出，土壤源热泵、水源热泵在运行费用方面，明显优于传统空调系统。

（三）投资回收期比较

投资回收期是指用方案的净收益补偿初始投资额所需要的时间。一般投资回收期最短者最佳。考虑资金的时间价值，我们采用动态投资回收期模型，参照公式进行计算[6]：

式（2）中，△P表示不同方案初投资差值；A表示不同方案运行费用的差值；i表示年利率，取0.059；n表示投资回收期。

经计算，采用土壤源热泵与常规冷水机组加热水锅炉相比，动态投资回收期为16年；采用水源热泵与常规冷水机组加热水锅炉相比，动态投资回收期为5.6年。采用水源热泵系统，从长远考虑，最为节省。

四、环境效益分析

在消耗能源的同时，不可避免地会产生环境污染问题，包括大气污染、水污染等。因此，在考虑经济性的同时，还应考虑设备选择对环境的影响。

故将这三个方案中消耗的不同品种、不同含热量的能源按各自不同的含热量折合成标准煤进行各方案的节能减排量的计算，进而比较对环境的影响。标准煤发热量取29307.6kJ/kg，天然气热值取35.6MJ/m3；1 kWh电折合0.404kg标准煤；1Nm3天然气折合1.33kg标准煤。根据上述资料，可以计算得到3种方案的耗电量、一次能源消耗量、折合二氧化碳排放量以及系统的运行费用[5]，见表5。

从环境效益来看，该项目空调冷热源若采用土壤源、水源热泵系统，因省去了燃气锅炉系统，每年大气污染物减排效果明显，如图2所示。特别是采用水源热泵系统，每年可少排放二氧化碳37000kg，二氧化硫606kg，氮氧化合物855kg，烟尘526kg。按照一棵树每年可吸收110kg二氧化碳计算，每年减少的二氧化碳排放量相当于种植了377棵树。由此可见，采用水源热泵系统的环境效益更显著。

表5 不同空调系统的估算能耗与年运行费用对比表

图2 土壤源热泵、水源热泵相对于常规冷热源的年污染物减排量

五、总结

通过以上比较计算不难发现，采用可再生能源的冷热源方案对办公楼进行制冷供热，在减少运行费、一次能源消耗量、二氧化碳排放量及减少大气污染、保护环境等方面有巨大的潜力。特别是水源热泵系统，初投资相对增加不大，但其经济效益和环境效益都特别显著，在有条件的情况下，推荐优先选用。同时也要注意，在选用土壤源、水源热泵时，要根据工程的详细勘察结果，评价其可行性；若采用水源热泵，还应采取有效的过滤、灭藻、除垢、防腐等措施，保证供给水质，并应有可靠的回灌措施。

[1]国家住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局. GB 50189-2015公共建筑节能设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[2]国家建设部，国家质量监督检验检疫总局.GB 50366-2009地源热泵系统工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[3]吕楠.地表水水源热聚空调系统的热力性能仿真及节能运行研究[D].南京:东南大学，2016.

[4]张孝鼎，黄金美，刘以龙，贡太瑞.地源热泵系统建筑应用能效测评案例分析[J].建筑节能，2016（3）：86-87.

[5]刘天伟，杜垲.水环热泵空调系统应用于综合办公建筑的节能性研究[J].暖通空调，2010（12）：51-54.

[6]安淑名，杨晶.工程经济[M].北京：机械工业出版社，2013.

（编辑：申小中徐永生）

Benefits of Air Conditioning System Using Renewable Energy:A Comparative Analysis

ZHANG Min
(Suzhou Institute of Trade and Commerce,Suzhou 215009,China)

By comparing the conventional air conditioning system with the ground source heat pump and water source heat pump in terms of initial investment,annual operating cost,amount of non-renewable energy consumption reduced,CO2 emission,and air pollutant emission,the paper comes to the conclusion that air conditioning system using renewable energy excels obviously in energy saving and emission reduction.Particularly,the water source heat pump system is more economic and environment-friendly,which is recommended to be the first option if possible.

renewable energy;heat bump;economic analysis

BT 657.2

A

1671-4806（2017）03-0084-04

2017-03-02

苏州经贸职业技术学院中央财政支持建设项目

张敏（1980—），女，江苏常熟人，讲师，硕士，研究方向为制冷空调节能、计算机技术。