【基于案例的地源热泵空调系统技术经济分析】

基于案例比较的地源热泵技术经济性分析

周丹

上海建科造价咨询有限公司

史伟力

天津大学管理与经济学部

摘要：地源热泵系统在能源节省、环境保护方面有很好的后评估结果，能够有效缓解建筑能耗过高的情况，在工程中非常值得应用和推广。本文选取某地源热泵工程与某同等规模VRV系统工程，在每平方M初期投资、每平方M年运营费用、费用年值、动态回收期等方面进行对比分析得出结论：由于主要设备的技术水平高、施工安装复杂，地源热泵系统造价远超过VRV系统，但在运营期内会大大降低能耗和维修、更新费用，因而在全寿命周期内经济评价要好于普通VRV空调系统。

关键词：地源热泵；绿色建筑；技术经济分析；全生命周期；费用年值

一、概述

1、当今环境、能源问题与地源热泵发展应用状况

近年来，传统基础性能源在全球范围内开始呈现出日益枯竭的态势，同时，我国的建设工程产业蓬勃发展，能耗大幅提升，目前建筑能耗已占全社会能源消耗的25%以上，并且伴随着发达国家推行绿色建筑的热潮、“可再生能源”的研究和发展、低碳经济时代的到来，建筑节能越发成为优化能源结构的重心。暖通空调作为建筑节能领域的重点关注对象，它所采用的新能源、新技术都备受瞩目。其中，热泵作为绿色空调重要技术之一，其节能性、环保性日益受到青睐。地源热泵是利用土壤或地下水的低温位热能和蓄热性能的一种热泵系统，在我国建筑行业对地源热泵技术的开发和应用还在起步阶段，在很多大型工程中得以实施，对其经济效益和系统后评估的讨论显得非常有现实意义。

2、本文研究内容和研究方法

通过对公建工程地源热泵空调系统案例的研究，将地源热泵的主要设备、优势和特性结合实际工程技术方面的问题进行描述，对地源热泵系统的经济性进行研究和分析，在初期投资和年运行费用两个方面与常规的VRV空调系统进行比较，全面地描述地源热泵系统的技术经济效益。

主要研究方法：通过建设工程实际数据的有效计算，选取案例工程初期建安投资、运行阶段费用、环保性能等几个重点方面作为评价对象，对其功能指数、成本指数进行计算，进而形成指标性分析，以此来评价不同冷热源方案的综合技术经济性能。

二、地源热泵系统的基本原理和应用

1、运行原理

地源热泵是利用地下的地热资源，如地下土壤和地下水作为热源，将热量从较低温度处输送到较高温度处的绿色空调系统。它是一个较为广泛的概念，根据利用地热源的种类不同可以将地源热泵分为两个类型：土壤源地源热泵和地表水热泵。本文主要阐述在华东地区运用较多的土壤源地源热泵的基本情况和技术经济分析。

土壤源地源热泵（下文简称为“地源热泵”）以大地作为低位热源，将热泵的换热器埋于地下，以循环液等作为换热介质在封闭地下埋管中循环流动，从而实现土壤源地源热泵系统与大地之间的热量交换，将不能直接使用的低位热能转换为有用热能。在冬季供热时，循环液从地下获取热量，予以室内采暖；在夏季制冷时，循环液把室内的热量带走，释放到地下岩体中。理论研究与实际实验均表明，地下土壤温度保持恒定，基本不受其他外界环境影响，这为土壤源地源热泵提供了稳定可靠的能量来源。

2、组成系统的主要设备

图1 地源热泵系统组成示意图

如图1所示，地源热泵系统主要分为：a.地下管路换热系统、b.热泵工质循环系统以及c.室内空调管路系统等三个系统；由：1.地下水循环泵、2.冷凝器、3.节流装置、4.压缩机、5.蒸发机、6.风机盘管、7.循环泵以及地下埋管等主要设备构成。

夏季，地源热泵依靠5.蒸发器蒸发吸收室内空调管路系统（6.风机盘管）的热量，通过循环液流动，将热量带到2.冷凝器处冷凝放热，经由地下管路换热系统中的循环液吸收热量，继而将热量送至地下埋管周围温度较低的土壤中，把热量储存在土壤中，供冬季采暖使用。冬季采暖时，通过热泵系统中的换向阀，将储存在土壤中的热量，转移到温度较低室内，以实现采暖，同时储备冷量，供夏季制冷用。这样，地源热泵系统在冬夏两季的采暖制冷过程中，维持了土壤源热量的平衡，减免了对环境的损害。

地埋管系统是地源热泵与土壤进行热量交换和传导的重要装置，一般选用聚乙烯塑料盘管。我国的地源热泵埋管主要分为：水平埋管和垂直埋管。水平埋管热泵系统的优点是施工方便、造价低，缺点是换热器传热的效果差，受地面温度波动的影响较大，热泵运行不稳，占地面积也较大。垂直埋管热泵系统的优点是占地面积小，热交换效果良好，换热量大，热泵运行也相对稳定，缺点是初期投资较高。

3、与普通VRV空调系统的对比

表1简要地比较了地源热泵系统和普通VRV空调系统的基本情况：

表1 地源热泵系统和普通VRV空调系统综合对比表类型地源热泵系统普通VRV空调系统

三、基于工程实例的地源热泵技术经济分析

1、工程简况以及设备配置情况

现有华东地区四个公建工程，都采用垂直埋管的土壤源地源热泵空调系统，其中A、C、D 工程位于上海市，B工程位于南京市，均为多层或高层商业用房，设备请况如表2所示：

表2 案例工程地源热泵空调系统主要设备及简况表

四个工程的建筑面积以及初期投资组成情况如表3：

表3 案例工程地源热泵空调系统初期投资组成表

分析案例工程初期投资组成可知，地源热泵空调系统初期投资主要是机组设备的购置费用。地源热泵机组和新风机组在总设备购置费用中占的比例最大，为80%左右。另外，由于地源热泵空调系统还需要进行地埋管的铺设（钻孔，设置泥浆护壁等），埋管深度大，施工难度较高，这就导致地源热泵空调系统的土建费用也比较高，平均占总投资的28%左右。本文使用Excel软件拟合地源热泵单方造价与工程空调使用面积之间的关系，如图2所示。

图2 地源热泵造价与空调使用面积之间的关系示意图

从该曲线可以看出，地源热泵的单位平方M造价大体上随着建筑面积的增大而逐渐降低，呈现出一定的规模效应。由此可见，在大型的公共建筑工程中使用地源热泵空调系统，是比较经济合理的。需要指出的是，本文案例数量较少，图2中的曲线虽然显示了一定的拟合度能够帮助决策者理解系统单方造价的基本规律，但依然不具备很强的统计学意义。

2、经济指标对比分析

为了更好地研究土壤源地源热泵空调系统的经济性，将其与普通VRV空调系统进行经济性上的对比，本文选取上述案例工程C和某使用传统空调系统的工程E进行对比分析，两个工程均为多层办公楼，建筑面积在2万平方M左右，空调系统规模相当，因此具有可比性。工程C和E均位于上海浦东新区某产业开发区内，C采用垂直埋管地源热泵空调系统，E采用VRV空调系统。两个工程基本情况如表：

表4 地源热泵空调系统与普通VRV空调基本情况一览表

工程 C E 总建筑面积（m2）23715 21939

空调使用面积/地上面积

（m2）

22121 21711

设备占地面积情况机房占地面积小，设置于地下

室

占地面积小，电负荷较大，制

冷效果受气候影响多

设备寿命（年）20-25 7-10 年均维护维修成本100元50元

安全性能没有危险，安全监控全智能

化，需一套人员即可管理

没有危险，安全监控全智能

化，需一套人员即可管理

设计冷负荷3442kW 3518kW 设计热负荷2277kW 2038kW （i）初期投资对比

表5 地源热泵空调系统与普通VRV空调系统初期投资对比表

工程 C E

总建筑面积（m2）23715 21939 空调使用面积/地上面积（m2）22121 21711

机组主要设备购置费用（元）6500000 3278218

可调节空调末端及阀门风管等购

1429660 514061

置费用（元）

建筑安装工程费用（元）5500000 1493400 初期投资费用（元）13429660 5285680

空调使用面积的平方M初期投资

607 243

额（元/m2)

图3 地源热泵空调系统与普通VRV空调初期投资对比图如图3所示，从所选工程C、E的初期投资数据可以看出，地源热泵空调系统在主要设备购置费、其他设备费、建安工程费等方面的造价指标均高于普通VRV空调系统，地源热泵空调系统初期投资每平方M造价指标比普通VRV空调系统高出149.36%。其中主要的差距来自主要设备购置费和建安工程费，按每平M指标计算分别比单普通VRV空调系统高出94.60%和261.46%。

由此可见，普通VRV空调系统在初期投资上更具经济性，而地源热泵空调系统的初期投资偏高。短期来看，普通VRV空调系统在工程中的应用更容易为投资者所接受。

（ii）运营期能耗以及费用对比

运营阶段的能耗计算

科学评估空调机组的运行能耗和运行费用，既要考虑满负荷的效率，更要考虑部分负荷效率。机组运行满负荷时间不到2%，98%的时间是部分负荷运行。美国制冷空调学会（ARI）为了科学评估空调机组的综合效率，提出了一种被广泛接受的评估方法，即机组综合部分负荷性能指标（NPLV）：将机组的运行负荷分为100%，75%，50%和25%，根据不同地区气候特点，各分段有特定的时长。按照机组全年在不同负荷比例下运行来计算能耗费用更科学，也更接近实际。

根据夏热冬冷地区的情况特点，本文的案例研究中按照夏季150天运行，冬季120天运行[1]，计算运营阶段所消耗的电量。

部分负荷下的耗电量如表6和7所示，其中机组和水泵耗电量是根据表2中实际使用的设备情况计算得来：

表6地源热泵机组夏季部分负荷下耗电量

表7地源热泵机组冬季部分负荷下耗电量

运行费用计算见表8和9，假设工程每天白天开机8小时，按上海市商业电价分时段计价价格，取白天平均值1.019元/KW·h，负荷平均加权百分数为0.7：

表8 地源热泵夏季工况耗电量计算表