地源熱泵與毛細(xì)管空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

匡　力，劉成剛，黃新江

（蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州　215009）

人類社會(huì)發(fā)展離不開能源的開發(fā)利用，能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的第一推動(dòng)力，然而隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速增長(zhǎng)，能源開發(fā)愈加困難，能源問題也日益嚴(yán)重。在全球總能耗中，空調(diào)能耗占著1/4以上的比重，如何高效地降低空調(diào)能耗也因此成為當(dāng)今時(shí)代背景下的研究熱點(diǎn)之一。地源熱泵作為一種可再生能源技術(shù)，高效節(jié)能，與消耗著大量高品位能源的傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比更具發(fā)展前景。地源熱泵的埋管形式可分為水平埋管和豎直埋管，水平埋管的場(chǎng)地需求高，且換熱性能不及豎直埋管[1]。依據(jù)豎直埋管的管道埋深可分為淺埋和深埋，埋深小于80 m為淺埋，大于80 m為深埋，一般工程應(yīng)用為80～120 m，井深50 m的造價(jià)比井深100 m的造價(jià)低30%～50%[2]。依據(jù)蘇州地區(qū)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)，采用淺埋型地源熱泵可減少地埋系統(tǒng)的投資，但會(huì)造成地下?lián)Q熱量不足的問題。毛細(xì)管是一種新型低品位空調(diào)末端，在滿足舒適性的前提下可有效節(jié)能[3]，同時(shí)可降低地埋管所需的換熱量。將毛細(xì)管輻射末端與淺埋型地源熱泵技術(shù)相結(jié)合可達(dá)到更高的能源利用率，但成本是限制其發(fā)展的重要原因之一，高昂的初期投資能否在后期運(yùn)行中取得應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)效益需進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)試分析來綜合評(píng)價(jià)。

該文結(jié)合蘇州某辦公樓的50 m淺埋雙U型的地源熱泵與毛細(xì)管末端組合空調(diào)系統(tǒng)，經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行測(cè)試，從能源利用率效率和熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)三個(gè)方面分析毛細(xì)管空調(diào)的經(jīng)濟(jì)性，并與傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤管末端的地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1　毛細(xì)管空調(diào)末端的特點(diǎn)

1.1　傳熱方式

毛細(xì)管空調(diào)起源于20世紀(jì)末的歐洲發(fā)達(dá)國家，其模型類似于植物葉脈和人體血管，由3～5 mm外徑的塑料管組成毛細(xì)管網(wǎng)，管間距為10～30 mm，粘在吊頂下形成輻射板，通過管內(nèi)流動(dòng)的冷熱液體與室內(nèi)進(jìn)行熱交換。

圖1　毛細(xì)管空調(diào)末端與室內(nèi)熱交換的原理圖

毛細(xì)管房間的傳熱主要由輻射和對(duì)流兩種傳熱方式組成，室內(nèi)輻射換熱量大約占60%，熱交換的形式與自然界物體間動(dòng)態(tài)熱交換規(guī)律相一致[4]，更易滿足人體舒適性。毛細(xì)管空調(diào)末端與室內(nèi)熱交換的原理圖如圖1所示。

1.2　毛細(xì)管空調(diào)的優(yōu)劣勢(shì)

毛細(xì)管輻射空調(diào)作為一種新型空調(diào)末端，與傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤管相比具有許多優(yōu)勢(shì)。毛細(xì)管網(wǎng)的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)可直接粘于吊頂下方，無需設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，安裝簡(jiǎn)便，不僅能夠節(jié)省建筑空間也能提升整體美觀。毛細(xì)管末端傳熱以輻射為主，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤管造成的人體表面較強(qiáng)的吹風(fēng)感和散熱不均勻的缺點(diǎn)，可以給室內(nèi)人員帶來更舒適的環(huán)境。毛細(xì)管使用的生產(chǎn)材料具有耐腐蝕性、抗熱抗壓能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)長(zhǎng)期壓力和材料測(cè)試，毛細(xì)管的使用壽命長(zhǎng)達(dá)50 a[5]，經(jīng)濟(jì)壽命優(yōu)于風(fēng)機(jī)盤管。毛細(xì)管空調(diào)對(duì)供水水溫的需求低于風(fēng)機(jī)盤管[6]，不僅可以提升熱泵機(jī)組的性能，還能降低地埋管所需換熱量，彌補(bǔ)淺埋地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱量不足的問題，毛細(xì)管空調(diào)系統(tǒng)具體的節(jié)能效果將在第3節(jié)展開詳細(xì)計(jì)算分析。

然而，毛細(xì)管空調(diào)也存在很多不足。由于毛細(xì)管空調(diào)末端是封閉環(huán)路，主要依靠輻射板面與室內(nèi)空氣的輻射和對(duì)流進(jìn)行熱交換，因此無法控制調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度和空氣潔凈度。當(dāng)輻射頂板表面溫度低于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度時(shí)還會(huì)產(chǎn)生結(jié)露問題，所以通常需要設(shè)置獨(dú)立的新風(fēng)系統(tǒng)和露點(diǎn)溫度控制器，這無疑會(huì)增加毛細(xì)管空調(diào)的成本。除此之外，由于毛細(xì)管輻射末端較大的傳熱面積，系統(tǒng)出現(xiàn)管路漏水現(xiàn)象時(shí)，還會(huì)給維修工作帶來難題。

2　工程概況

本地源熱泵空調(diào)工程位于蘇州市某辦公樓A幢，占地面積為2 518 m2，其中中央空調(diào)面積為964 m2，經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，夏季冷負(fù)荷為127 kW，冬季的熱負(fù)荷為89 kW。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際地質(zhì)情況，當(dāng)鉆井達(dá)到50 m深時(shí)，遇到堅(jiān)硬巖石層，繼續(xù)鉆井不僅難度較大而且投資較高，所以最終共鉆50 m深井40口。為了確保足夠的換熱量，冷熱源采用50 m雙U型淺埋地埋管，雙U型埋管由于增加了鉆孔內(nèi)的傳熱面積，可減小鉆孔深度。熱泵機(jī)組選用2臺(tái)水-水模塊式水源熱泵機(jī)組，單臺(tái)制冷量為69 kW，制熱量為54.9 kW，冷卻水泵和冷凍水泵均為一用一備。

空調(diào)末端采用毛細(xì)管輻射末端，毛細(xì)管空調(diào)房間共有37個(gè)，各房間尺寸為7.2 m×3.6 m×3.6 m，吊頂高2.8 m，毛細(xì)管網(wǎng)由4.3 mm×0.8 mm的塑料毛細(xì)管組成，管間距為20 mm。獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)是毛細(xì)管空調(diào)系統(tǒng)重要組成部分。由于毛細(xì)管網(wǎng)封閉的特性，毛細(xì)管網(wǎng)只能承擔(dān)房間內(nèi)的大部分顯熱負(fù)荷，而所有濕負(fù)荷和部分顯熱負(fù)荷需要獨(dú)立除濕新風(fēng)機(jī)組來承擔(dān)處理。控制器由防結(jié)露溫控器和調(diào)節(jié)閥組成，室內(nèi)溫濕度可通過毛細(xì)管網(wǎng)和新風(fēng)機(jī)組的進(jìn)出水溫和流量調(diào)節(jié)進(jìn)行控制。

與本案例形成對(duì)比的傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)，選擇同地區(qū)中央空調(diào)面積為985 m2的辦公建筑，各空調(diào)房間的尺寸仍為7.2 m×3.6 m×3.6 m，共38個(gè)房間，空調(diào)末端為風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)。

3　經(jīng)濟(jì)性分析

3.1　能耗分析

相同的舒適條件和空調(diào)環(huán)境下，毛細(xì)管輻射空調(diào)由于輻射換熱，房間夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度比風(fēng)機(jī)盤管房間低（冬季高）1.6℃[7]，可降低室內(nèi)負(fù)荷計(jì)算，減少地埋管所需換熱量。同時(shí)，毛細(xì)管空調(diào)夏季制冷的供水溫度高于風(fēng)機(jī)盤管，可降低機(jī)組的蒸發(fā)溫度，冬季供熱可降低機(jī)組的冷凝溫度，因而可以提高機(jī)組COP減少能耗。為分析地源熱泵與毛細(xì)管末端組合空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行特性和能耗情況，通過能源管理監(jiān)控平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括溫濕度監(jiān)測(cè)、負(fù)荷監(jiān)測(cè)、電量監(jiān)測(cè)等。最近測(cè)試時(shí)間為2017年夏季，以7月1日至7月7日為例，毛細(xì)管房間與風(fēng)機(jī)盤管房間室內(nèi)溫度隨室外溫度的變化曲線如圖2所示。

從圖2數(shù)據(jù)分析可知，兩種空調(diào)末端的室內(nèi)溫度滿足室內(nèi)的舒適性要求。毛細(xì)管房間的平均溫度比風(fēng)機(jī)盤管房間大約高0.5℃，溫度波動(dòng)小，較穩(wěn)定。這是由于毛細(xì)管空調(diào)采用輻射形式制冷，換熱面積大，相同換熱量下所需換熱溫差小，換熱效率更高，同時(shí)受供水溫度變化影響較小。

兩種地源熱泵系統(tǒng)空調(diào)面積相同，所使用的熱泵機(jī)組都是相同名義制冷量可變頻的MWH020機(jī)組。機(jī)組的性能通常以制冷效率（COP）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，COP越大效率越高。機(jī)組COP可由下式求得：

式中，Q為熱泵機(jī)組制冷量，kW；W為熱泵機(jī)組功耗，kW；L為冷凍水流量，m3/h；ρ為水的密度，kg/m3；tg為冷凍水供水溫度，℃；th為冷凍水回水溫度，℃。

圖2　毛細(xì)管和風(fēng)機(jī)盤管末端房間溫度變化曲線

通過2017年夏季對(duì)機(jī)組功耗和冷凍水溫度流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算，毛細(xì)管空調(diào)末端的地源熱泵系統(tǒng)冷水機(jī)組的平均COP為4.16，風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)末端的系統(tǒng)冷水機(jī)組平均COP為3.23。由此可知，毛細(xì)管空調(diào)在供冷季可提高冷水機(jī)組能源利用效率。

毛細(xì)管輻射末端的工作原理是通過毛細(xì)管網(wǎng)內(nèi)流動(dòng)的水與室內(nèi)進(jìn)行熱交換，為保證除濕效果，每層樓都設(shè)有獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)。毛細(xì)管網(wǎng)并不需要電能驅(qū)動(dòng)，主要能耗是獨(dú)立新風(fēng)機(jī)組消耗的電能，而風(fēng)機(jī)盤管的能耗主要是電機(jī)耗功，電機(jī)可通過改變輸入電壓來變換轉(zhuǎn)速，使風(fēng)量按低、中、高三擋調(diào)節(jié)，兩種空調(diào)末端的能耗對(duì)比如表1所列，年總運(yùn)行費(fèi)用通過功率、年運(yùn)行時(shí)間、負(fù)荷率（取0.85）和實(shí)時(shí)電價(jià)計(jì)算得出。

從表1數(shù)據(jù)可知，毛細(xì)管系統(tǒng)中的新風(fēng)機(jī)組承擔(dān)所有毛細(xì)管房間的新風(fēng)處理，平均每個(gè)房間功率約為32.4 W，對(duì)于空調(diào)末端總能耗，毛細(xì)管空調(diào)比風(fēng)機(jī)盤管每年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用5 238.1元，約為毛細(xì)管末端系統(tǒng)自身運(yùn)行費(fèi)用的2.2倍，可見節(jié)能效果顯著。

僅從能量角度分析不足以充分說明毛細(xì)管空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果，分析法既考慮到能的“量”，更重視能的“質(zhì)”，更能從本質(zhì)上揭示系統(tǒng)的不可逆損失。兩種末端系統(tǒng)均為穩(wěn)定流動(dòng)的開口系統(tǒng)，根據(jù)熱力學(xué)定理采用焓對(duì)兩者冬夏季工況分別進(jìn)行分析。由熱力學(xué)第二定律，可得焓火用：

對(duì)于一定冷負(fù)荷的房間,工質(zhì)質(zhì)量流量由下式計(jì)算:

表1　毛細(xì)管與風(fēng)機(jī)盤管末端系統(tǒng)能耗對(duì)比

以2016年全年工況下的運(yùn)行為例，相同環(huán)境下兩種空調(diào)末端效率對(duì)比如表2所列。

從表2可以得知，在保證相同室內(nèi)舒適性的前提下，毛細(xì)管空調(diào)對(duì)供水溫度需求低，可充分利用低品質(zhì)的熱量，經(jīng)過計(jì)算，毛細(xì)管末端的效率比風(fēng)機(jī)盤管高出大約38%，可見毛細(xì)管空調(diào)末端在能源品位利用上高于風(fēng)機(jī)盤管。

表2　毛細(xì)管與風(fēng)機(jī)盤管末端效率對(duì)比

表2　毛細(xì)管與風(fēng)機(jī)盤管末端效率對(duì)比

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3.3　系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析

熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析法綜合運(yùn)用熱力學(xué)分析原理與經(jīng)濟(jì)學(xué)理論，對(duì)工程技術(shù)方案的決策具有指導(dǎo)意義[8]。不同系統(tǒng)由于設(shè)備型號(hào)、使用方法、管理手段等差異，各環(huán)節(jié)的輸入火用和最終輸出產(chǎn)品火用及其單位成本不一樣。單位火用成本的計(jì)算分析為不同方案提供經(jīng)濟(jì)決策依據(jù)。地源熱泵系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析模型如圖3所示。

圖3　地源熱泵系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析模型

式中，EX8為產(chǎn)品流，即空調(diào)末端獲得的熱（冷）量，計(jì)算方法見公式（4）和（5）；C8為單位熱（冷成本，所求經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)；C1為地埋管輸入流，這部分熱（冷）量雖然通過地埋管獲得，但為了獲得這部分只是付出了初投資和運(yùn)行費(fèi)用，不需要購買，所以 C1=0；EX2、EX4、EX5、EX7分別是地源泵、熱泵機(jī)組、循環(huán)泵、末端設(shè)備的輸入，在不計(jì)損耗的情況下，電能能夠完全轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉λ暂斠噪娔艽?；C2、C4、C5、C7為當(dāng)?shù)仉妰r(jià)，0.85元/kWh；Ca為三個(gè)子系統(tǒng)的年度化成本，即把非能量的成本折合到每個(gè)年度內(nèi)。年度化成本的計(jì)算公式為

式中，C0為子系統(tǒng)設(shè)備的初投資；SV為系統(tǒng)壽命周期后的殘值，地埋管的殘值以初投資的50%計(jì)算，其余設(shè)備皆以初投資的10%計(jì)算[9]；Fm為第m年，年運(yùn)行費(fèi)用；PWF（i，n）為現(xiàn)金系數(shù)，即n年后資金值折現(xiàn)為現(xiàn)時(shí)值；CRF（i，n）為資金回收系數(shù)，即把 n年后本金和利息的總額平攤到每一年，見公式（10）和（11）。式中，i為年利率，取10%；n為系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)壽命。

系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用主要包括機(jī)組、水泵和末端設(shè)備的能耗。機(jī)組在不同負(fù)荷下運(yùn)行，不同供水溫度下壓縮機(jī)功率是不一樣的。在給定的建筑內(nèi)，采暖熱負(fù)荷與室外溫度成線性關(guān)系[10]，不同室外溫度下，變水溫后壓縮機(jī)功率和水泵功率可由監(jiān)控系統(tǒng)直接測(cè)出，以2017年夏季運(yùn)行為例，地源熱泵與毛細(xì)管末端組合系統(tǒng)的機(jī)組壓縮機(jī)功率與室外溫度的關(guān)系如圖4所示，系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)間采用溫頻數(shù)（BIN）法[11]分析，蘇州地區(qū)8：00-18：00溫頻段為2℃的空調(diào)BIN參數(shù)如圖5所示。將不同室外干球溫度條件下各設(shè)備運(yùn)行功率，乘以各溫度段（BIN）出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)，便可計(jì)算出系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用。

圖4　壓縮機(jī)功率與室外溫度的關(guān)系　

圖5　蘇州地區(qū)2℃溫頻段空調(diào)BIN參數(shù)

表3　系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

兩種空調(diào)末端的地源熱泵系統(tǒng)的詳細(xì)經(jīng)濟(jì)對(duì)比如表3所列。

由表3可知，在空調(diào)末端投資上，地源熱泵與毛細(xì)管末端組合空調(diào)系統(tǒng)比傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤管末端的地源熱泵系統(tǒng)多出1/3，但可相應(yīng)降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，主要包括熱泵機(jī)組的能耗和空調(diào)末端能耗，需要4.8 a可通過節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用將兩種系統(tǒng)總投資的差價(jià)回收。而在熱經(jīng)濟(jì)學(xué)指標(biāo)上，地源熱泵與毛細(xì)管末端組合空調(diào)系統(tǒng)的單位成本全年最低，節(jié)能效果在“量”與“質(zhì)”上十分顯著。

4　結(jié)論

結(jié)合蘇州地區(qū)淺埋地源熱泵與毛細(xì)管末端組合空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行的經(jīng)濟(jì)性分析，與傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤管末端的地源熱泵系統(tǒng)對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：（1）毛細(xì)管空調(diào)可以彌補(bǔ)地源熱泵地埋管淺埋時(shí)換熱量不足的問題；毛細(xì)管空調(diào)對(duì)供水溫度的低需求可提高冷水機(jī)組的COP，降低能耗，空調(diào)末端的耗電量低于風(fēng)機(jī)盤管；（2）毛細(xì)管末端的效率比風(fēng)機(jī)盤管高出大約38%，系統(tǒng)的不可逆損失更低，在能源的“質(zhì)”量上，毛細(xì)管空調(diào)實(shí)現(xiàn)了更高的利用率；（3）毛細(xì)管空調(diào)的末端總投資比傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)高出1/3，但系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，在4.8 a可以通過節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用回收；通過熱經(jīng)濟(jì)學(xué)計(jì)算分析，地源熱泵與毛細(xì)管空調(diào)系統(tǒng)的單位火用成本比傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)更低，因此經(jīng)濟(jì)效益更大。

參考文獻(xiàn)：

[1]王瀟，鄭茂余，張文雍．嚴(yán)寒地區(qū)太陽能-地埋管地源熱泵地板輻射供暖性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].暖通空調(diào)，2009，39（7）：128-131.

[2]丁勇，李百戰(zhàn)，盧軍，等．地源熱泵系統(tǒng)地下埋管換熱器設(shè)計(jì)[J].暖通空調(diào)，2005，35（3）：86-89.

[3]張洋，劉曉蕊.毛細(xì)管網(wǎng)熱泵集中空調(diào)系統(tǒng)夏季應(yīng)用實(shí)例分析[J].暖通空調(diào)，2011，41（10）：65-68.

[4]高波，徐斌斌，喬振勇，等.地源熱泵與毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].制冷與空調(diào)，2011，25（1）：23-26.

[5]王文武.基于地源熱泵毛細(xì)管輻射空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)特性研究[D].南京：南京師范大學(xué)，2014.

[6]雷會(huì)玉，余曉明，朱祥政，等．毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性分析[J].能源工程，2014，6（2）：67-71.

[7]劉學(xué)來，薛紅香，李永安，等.毛細(xì)管與平面輻射空調(diào)房間室內(nèi)計(jì)算溫度研究[J].煤氣與熱力，2010，30（3）：24-29.

[8]王加璇，張恒良.動(dòng)力工程熱經(jīng)濟(jì)學(xué)[M].北京：水利電力出版社，1994.

[9]薛玉偉.供暖空調(diào)冷熱源優(yōu)化地源熱泵埋管換熱器的研究[D].天津：天津大學(xué)，2004.

[10]閆軍威，劉飛龍，朱冬生.廣州大學(xué)城區(qū)域供冷系統(tǒng)質(zhì)調(diào)節(jié)的節(jié)能分析[J]．建筑科學(xué)，2007，23（12）：27-29.

[11]瞿超.蘇州地區(qū)工業(yè)用戶中央空調(diào)能耗調(diào)研[D]．蘇州：蘇州科技大學(xué)，2015.