高原河谷地區(qū)地下水源熱泵采暖經(jīng)濟性分析

賀文晟　袁艷平　張　偉,2　余南陽　曹曉玲（.西南交通大學機械工程學院　成都　6003；2.重慶工商職業(yè)學院建筑工程學院　重慶　400052）

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高原河谷地區(qū)地下水源熱泵采暖經(jīng)濟性分析

賀文晟1袁艷平1張偉1,2余南陽1曹曉玲1
（1.西南交通大學機械工程學院成都610031；2.重慶工商職業(yè)學院建筑工程學院重慶400052）

【摘要】以四川省馬爾康中學為計算對象，進行在采用常規(guī)鍋爐房和地下水源熱泵機組作為空調系統(tǒng)不同熱源時相對應的能耗分析，經(jīng)濟性參數(shù)分析如初投資、運行費用等情況。結果表明，長期只在供熱季運行的情況下，地下水源熱泵系統(tǒng)也可在五年內收回增量投資，具有較好的經(jīng)濟性。

【關鍵詞】地下水源熱泵；能耗分析；經(jīng)濟性分析

0　引言

地下水源熱泵技術是一種地熱能可持續(xù)開發(fā)利用方式，最早出現(xiàn)于歐美等國家，因其具有較高的運行效率且環(huán)境效益顯著，得到了廣泛的推廣應用[1]。水源熱泵對水源系統(tǒng)的要求是：水量充足、水溫適度、水質適宜、供水穩(wěn)定[2]，而高原河谷地區(qū)滿足這個標準。在適宜性達標的情況下，應考慮經(jīng)濟性因素。

1　工程概況

1.1工程簡介

本文選取四川省西北部地區(qū)馬爾康中學為研究對象。馬爾康中學坐落于阿壩州首府所在地馬爾康縣馬江街124號。學校東臨中國財產保險公司阿壩分公司，西臨阿壩州體校，南靠巍峨大山，北與州人民銀行相接，與梭磨河緊相依偎。馬爾康中學學校占地面積30畝，建筑面積約3.1萬余平方米，主體建筑有科藝樓、教學樓、實驗樓、教師宿舍和學生宿舍等。其中科藝樓約5400m2，男生宿舍約2600m2，女生宿舍約3000m2，食堂約2000m2，教師宿舍約10000m2，教學樓5000m2，實驗樓約3000m2。由于該地區(qū)屬高原亞寒帶氣候區(qū)，冬半年受西北氣流影響，晴朗少雨、空氣干燥、氣候寒冷；夏半年受西南暖濕氣流控制，降水少、溫涼濕潤，具有冬干夏濕、雨熱同季、日照充足、晝夜溫差大的特點[3]。馬爾康地區(qū)采暖度日數(shù)為3442，屬于寒冷A區(qū)[4]，由于夏季無供冷需求，以冬季采暖為主，故做采暖經(jīng)濟性評估。

1.2空調冷熱負荷計算

1.2.1設計參數(shù)

夏季室外空調計算干球溫度：22.9℃；

冬季室外采暖計算溫度：-10℃；

夏季室內空調設計參數(shù)：溫度24～26℃；

濕度：40%～65%；

冬季室內空調設計參數(shù)：溫度18～24℃；

濕度：30%～60%；

供暖面積：一期7600m2，二期23400m2，共31000m2。

1.2.2建筑熱負荷

用DeST對本工程各建筑熱負荷進行模擬計算，并進行逐時疊加，得到采暖逐時熱負荷變化如圖1。

圖1　逐時采暖熱負荷Fig.1 hourly heating load

整個校園同時使用系數(shù)擬采用0.6，計算結果如下。

表1　各地塊熱負荷情況Table 1 Heat load fact of each block

2　空調熱源方案

2.1常規(guī)鍋爐房方案

由于電鍋爐與燃油鍋爐運行成本較高，而燃煤鍋爐會產生大量有害氣體，故本報告按燃氣鍋爐進行分析。

由于燃氣耗量和大氣污染物排放量，單戶采暖最低，分散采暖居中，區(qū)域采暖最高。對于低層住宅應優(yōu)先選用單戶采暖，高層住宅、公共建筑和商業(yè)建筑應優(yōu)先采用模塊式燃氣鍋爐分散采暖，大規(guī)模的燃氣鍋爐區(qū)域采暖不宜推廣[4]。故本報告將對分散采暖進行分析。

考慮到本項目各建筑的性質，將本項目建筑工程分為食堂、學生宿舍、實驗樓和科藝樓、教學樓、教師宿舍五個地塊，進行多建筑物分散采暖。各地塊熱負荷情況如表1所示。

以上每個地塊使用一個燃氣鍋爐房，根據(jù)表1對采暖鍋爐進行選型。選型情況如表2所示。

表2　各地塊燃氣鍋爐選型表Table 2 Gas-fired boiler selection table of each block

耗氣量按下式計算：

式中：V為天然氣消耗量，m3；Q為采暖量，kW；λ為天然氣熱值，四川地區(qū)天然氣熱值取其低熱值36442kJ/m3；η為鍋爐熱效率，取0.9。

經(jīng)計算各地塊分散采暖天然氣耗氣量如表3所示。

表3　各地塊分散采暖天然氣耗氣量Table 3 Decentralized heating gas consumption of each block

2.2地下水源熱泵方案

（1）設備選型

螺桿式熱泵機組具有重量輕、體積小、結構簡單、運轉可靠、振動噪聲小、維護簡便等優(yōu)點[5]，本項目以地下水為熱源，采用螺桿式熱泵系統(tǒng)進行區(qū)域供暖。根據(jù)全年逐時負荷圖1，機組選型為螺桿式水冷熱泵機組HXC130A和300A機組各一臺組合供熱。供回水溫度取47℃和39℃。

（2）水源熱泵機組總能耗

機組能效與制熱量、輸入能耗之間存在以下關系。

制熱/熱水工況下：

式中，Qr為機組制熱工況下的制熱量，kW；pr為機組制熱工況下的輸入功率，kW。

根據(jù)系統(tǒng)制熱工況下的建筑逐時冷熱負荷和逐時負荷率，通過以上關系式，可以得到制熱工況下各冷熱源機組逐時能耗和所有機組的逐時總能耗。

統(tǒng)計可得全年供熱工況下冷熱源機組的逐時能耗最大值為623.25kW，總能耗為381032.07kWh，系統(tǒng)能效比為3.44。

圖2　制熱季熱源機組逐時能耗Fig.2 The energy consumption of the heat source unit during the heating season

（3）需水量的確定

開式系統(tǒng)在冬季供熱工況下，所需地下水流量計算公式如下：

馬爾康一期項目中，Qr=1703.12kW，此時，機組電功率N=623.25kW，冬季地下水取回水溫差為6℃，考慮取水保險系數(shù)1.05，從而可以計算出，設計最大室外取水量為162.52m3/h，供熱季需水總量為133342.19m3。

（4）取水泵能耗

取水管沿程阻力ΔPm（Pa）可通過下式計算：

應用中，可根據(jù)冷水管道的摩擦阻力計算表查得開式系統(tǒng)比摩阻[6]。根據(jù)所選用的熱泵機組說明書，制熱工況下130A和300A機組蒸發(fā)器阻力ΔPz為17kPa-19kPa，本報告取ΔPz=19kPa。各阻力之和ΔP=24.55kPa。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，取水泵所需揚程H按以下算式計算：

式中，ΔH為水泵抽水高差，m，取40m；1.1-1.2為安全系數(shù)，此處取1.1。經(jīng)計算，水泵所需揚程為46.76m。

計算水泵軸功率時，流量、揚程都取10%的余量，則水泵軸功率NZ可以通過下式計算：

式中，NZ為水泵軸功率，W；η為水泵效率，當NZ≤22kW，η取0.8，22＜NZ≤55kW時，η=0.87，NZ＞55kW，η=1.00。其他符號同前。

經(jīng)計算，水泵軸功率為78.01kW。

電機功率計算如下：

式中：NC為電機功率，kW；K為電機功率安全系數(shù)，取1.1；ηC為電機效率，取0.98。

經(jīng)計算，取水一次泵電機功率為87.57kW。

根據(jù)相似性定律[7]，當水泵轉速n改變時，水泵軸功率NZ與其流量G三次方成正比。從而可以計算出機組再變工況運行時，水泵對應的功率與能耗。經(jīng)計算分析，本項目取水泵能耗總計為14733.19kW。

（5）循環(huán)水泵能耗

循環(huán)水水量的計算：

式中：Gx為計算循環(huán)水流量，m3/h；Q為熱用戶熱設計負荷，kW；tg﹑th為設計供回水溫度，℃。

考慮取水保險系數(shù)1.05，設計最大循環(huán)水量為192.20m3/h。根據(jù)流量值及流速與流量、管徑的關系式，選用管徑250mm，此時流速為1.1m/s。

根據(jù)管道的摩擦阻力計算表查得開式系統(tǒng)比摩阻[6]。查得本項目閉式循環(huán)水管比摩阻為Rc=46Pa/m。循環(huán)水管長取400m，則沿程阻力為18.40kPa。取局部阻力ΔPj=ΔPm。根據(jù)所選用的熱泵機組說明書，制熱工況下130A和300A機組蒸發(fā)器阻力Δ Pz為58kPa和62kPa，本報告取ΔPz=62kPa。各阻力之和ΔP=98.80kPa。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，計算循環(huán)水泵所需揚程H為11.09m，其中安全系數(shù)取1.1。

流量、揚程都取10%的余量，則循環(huán)水泵軸功率NZ=22.98kW，由于22kW＜NZ＜55kW，η取0.87，重新求得NZ=26.41kW，電機功率NC=29.64kW。

根據(jù)水泵相似性定律[7]，可以計算出循環(huán)泵在變工況運行下，循環(huán)水泵供熱季能耗總計為3549.35kW。

3　兩種方案經(jīng)濟性比較

3.1初投資分析

兩種系統(tǒng)包括主要設備投資、能源增容費、土建投資、空調自動控制系統(tǒng)、以及安裝等其它配套費用等內容。關于初投資需要作出以下說明，一是由于本研究的主要目的在于比較分析不同冷熱源方案的經(jīng)濟性，各個方案的空調末端設備（即風機盤管、空調器等）配置均相同，因此忽略末端設備的價格差異及運行能耗；二是土建造價、控制系統(tǒng)投資等為參考類似工程估算。

按表4中所選數(shù)據(jù)計算可得，與傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)相比較，地下水式地源熱泵系統(tǒng)初投資費用比傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)高出約9.14%。室內供暖工程投資分別占了燃氣鍋爐系統(tǒng)和地下水式地源熱泵初投資的70.87%和64.93%。若不考慮兩系統(tǒng)中室內供暖工程投資，則與傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)相比較，地下水式地源熱泵系統(tǒng)初投資費用比傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)高出約31.40%。

表4　初投資估算表（萬元）Table 4 Initial investment estimation（ten thousand yuan）

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3.2運行費用分析

本部分計算中，燃氣鍋爐系統(tǒng)耗用天然氣價格依據(jù)2014年10月23日《四川省發(fā)展和改革委員會關于調整我省非居民用天然氣價格的通知》[8]：非居民用天然氣（含CNG氣源），按每立方米2.44元的最高綜合門站價執(zhí)行。建筑考慮10%熱損失。

地下水源熱泵用電價格依據(jù)2013年11月4日《四川省發(fā)展和改革委員會關于調整可再生能源電價附加征收標準等有關事項的通知》[9]：可再生能源電價附加標準為每千瓦時0.8分錢。

本報告計算地下水源熱泵系統(tǒng)運行價格時，電價按0.8元/kWh計算。從而，運行費用計算情況如表5。

表5　年運行費用估算表Table 5 Annual operating cost estimation

按表4中所選數(shù)據(jù)計算可得，與傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)相比較，地下水式地源熱泵系統(tǒng)初投資費用比傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)高出約9.14%。室內供暖工程投資分別占了燃氣鍋爐系統(tǒng)和地下水式地源熱泵初投資的70.87%和64.93%，若不考慮兩系統(tǒng)中室內供暖工程投資，則與傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)相比較，地下水式地源熱泵系統(tǒng)初投資費用比傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)高出約31.40%。

與傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)相比較，地下水式地源熱泵系統(tǒng)運行費用節(jié)約率31.77%，地下水地源熱泵系統(tǒng)資金回收期為54÷14.74=3.66。即4年時間內就能將增量投資部分回收。

4　結論

地下水源熱泵方案的初投資比常規(guī)鍋爐房方案高，但它的年運行費用較低，只從供熱季判斷，它所增加的投資依然能在5年內即可收回。所以高原河谷地區(qū)供熱選擇地下水源熱泵方案可以提高經(jīng)濟性。

參考文獻：

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[7]陸耀慶.實用供暖空調設計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[8]蔡增基,龍?zhí)煊?流體力學泵與風機[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999.

[9]川發(fā)改價格[2014]909號.

[10]川發(fā)改價格[2013]1164號.

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

中圖分類號TU833

文獻標識碼A

文章編號：1671-6612（2016）01-104-05

基金項目：高原氣候適應性節(jié)能建筑關鍵技術研究與示范

作者簡介：賀文晟（1989.01-），男，在讀碩士研究生，E-mail：693524193@qq.com

通訊作者：袁艷平（1973-），男，二站博士后，教授，博士生導師，E-mail：ypyuan@home.swjtu.edu.cn

收稿日期：2015-02-10