賀文晟　袁艷平　張　偉,2　余南陽(yáng)　曹曉玲（.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院　成都　6003；2.重慶工商職業(yè)學(xué)院建筑工程學(xué)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(jì)性分析

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

【摘要】以四川省馬爾康中學(xué)為計(jì)算對(duì)象，進(jìn)行在采用常規(guī)鍋爐房和地下水源熱泵機(jī)組作為空調(diào)系統(tǒng)不同熱源時(shí)相對(duì)應(yīng)的能耗分析，經(jīng)濟(jì)性參數(shù)分析如初投資、運(yùn)行費(fèi)用等情況。結(jié)果表明，長(zhǎng)期只在供熱季運(yùn)行的情況下，地下水源熱泵系統(tǒng)也可在五年內(nèi)收回增量投資，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

【關(guān)鍵詞】地下水源熱泵；能耗分析；經(jīng)濟(jì)性分析

0　引言

地下水源熱泵技術(shù)是一種地?zé)崮芸沙掷m(xù)開(kāi)發(fā)利用方式，最早出現(xiàn)于歐美等國(guó)家，因其具有較高的運(yùn)行效率且環(huán)境效益顯著，得到了廣泛的推廣應(yīng)用[1]。水源熱泵對(duì)水源系統(tǒng)的要求是：水量充足、水溫適度、水質(zhì)適宜、供水穩(wěn)定[2]，而高原河谷地區(qū)滿(mǎn)足這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。在適宜性達(dá)標(biāo)的情況下，應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性因素。

1　工程概況

1.1工程簡(jiǎn)介

本文選取四川省西北部地區(qū)馬爾康中學(xué)為研究對(duì)象。馬爾康中學(xué)坐落于阿壩州首府所在地馬爾康縣馬江街124號(hào)。學(xué)校東臨中國(guó)財(cái)產(chǎn)保險(xiǎn)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(xué)學(xué)校占地面積30畝，建筑面積約3.1萬(wàn)余平方米，主體建筑有科藝樓、教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓、教師宿舍和學(xué)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(xué)樓5000m2，實(shí)驗(yàn)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(rùn)，具有冬干夏濕、雨熱同季、日照充足、晝夜溫差大的特點(diǎn)[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(wú)供冷需求，以冬季采暖為主，故做采暖經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。

1.2空調(diào)冷熱負(fù)荷計(jì)算

1.2.1設(shè)計(jì)參數(shù)

夏季室外空調(diào)計(jì)算干球溫度：22.9℃；

冬季室外采暖計(jì)算溫度：-10℃；

夏季室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)：溫度24～26℃；

濕度：40%～65%；

冬季室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)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(fù)荷

用DeST對(duì)本工程各建筑熱負(fù)荷進(jìn)行模擬計(jì)算，并進(jìn)行逐時(shí)疊加，得到采暖逐時(shí)熱負(fù)荷變化如圖1。

圖1　逐時(shí)采暖熱負(fù)荷Fig.1 hourly heating load

整個(gè)校園同時(shí)使用系數(shù)擬采用0.6，計(jì)算結(jié)果如下。

表1　各地塊熱負(fù)荷情況Table 1 Heat load fact of each block

2　空調(diào)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(yùn)行成本較高，而燃煤鍋爐會(huì)產(chǎn)生大量有害氣體，故本報(bào)告按燃?xì)忮仩t進(jìn)行分析。

由于燃?xì)夂牧亢痛髿馕廴疚锱欧帕?，單?hù)采暖最低，分散采暖居中，區(qū)域采暖最高。對(duì)于低層住宅應(yīng)優(yōu)先選用單戶(hù)采暖，高層住宅、公共建筑和商業(yè)建筑應(yīng)優(yōu)先采用模塊式燃?xì)忮仩t分散采暖，大規(guī)模的燃?xì)忮仩t區(qū)域采暖不宜推廣[4]。故本報(bào)告將對(duì)分散采暖進(jìn)行分析。

考慮到本項(xiàng)目各建筑的性質(zhì)，將本項(xiàng)目建筑工程分為食堂、學(xué)生宿舍、實(shí)驗(yàn)樓和科藝樓、教學(xué)樓、教師宿舍五個(gè)地塊，進(jìn)行多建筑物分散采暖。各地塊熱負(fù)荷情況如表1所示。

以上每個(gè)地塊使用一個(gè)燃?xì)忮仩t房，根據(jù)表1對(duì)采暖鍋爐進(jìn)行選型。選型情況如表2所示。

表2　各地塊燃?xì)忮仩t選型表Table 2 Gas-fired boiler selection table of each block

耗氣量按下式計(jì)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(jì)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(shè)備選型

螺桿式熱泵機(jī)組具有重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、振動(dòng)噪聲小、維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)[5]，本項(xiàng)目以地下水為熱源，采用螺桿式熱泵系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域供暖。根據(jù)全年逐時(shí)負(fù)荷圖1，機(jī)組選型為螺桿式水冷熱泵機(jī)組HXC130A和300A機(jī)組各一臺(tái)組合供熱。供回水溫度取47℃和39℃。

（2）水源熱泵機(jī)組總能耗

機(jī)組能效與制熱量、輸入能耗之間存在以下關(guān)系。

制熱/熱水工況下：

式中，Qr為機(jī)組制熱工況下的制熱量，kW；pr為機(jī)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(shí)冷熱負(fù)荷和逐時(shí)負(fù)荷率，通過(guò)以上關(guān)系式，可以得到制熱工況下各冷熱源機(jī)組逐時(shí)能耗和所有機(jī)組的逐時(shí)總能耗。

統(tǒng)計(jì)可得全年供熱工況下冷熱源機(jī)組的逐時(shí)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(jī)組逐時(shí)能耗Fig.2 The energy consumption of the heat source unit during the heating season

（3）需水量的確定

開(kāi)式系統(tǒng)在冬季供熱工況下，所需地下水流量計(jì)算公式如下：

馬爾康一期項(xiàng)目中，Qr=1703.12kW，此時(shí)，機(jī)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(xiǎn)系數(shù)1.05，從而可以計(jì)算出，設(shè)計(jì)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(guò)下式計(jì)算：

應(yīng)用中，可根據(jù)冷水管道的摩擦阻力計(jì)算表查得開(kāi)式系統(tǒng)比摩阻[6]。根據(jù)所選用的熱泵機(jī)組說(shuō)明書(shū)，制熱工況下130A和300A機(jī)組蒸發(fā)器阻力ΔPz為17kPa-19kPa，本報(bào)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(yáng)程H按以下算式計(jì)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(jì)算，水泵所需揚(yáng)程為46.76m。

計(jì)算水泵軸功率時(shí)，流量、揚(yáng)程都取10%的余量，則水泵軸功率NZ可以通過(guò)下式計(jì)算：

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

經(jīng)計(jì)算，水泵軸功率為78.01kW。

電機(jī)功率計(jì)算如下：

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

經(jīng)計(jì)算，取水一次泵電機(jī)功率為87.57kW。

根據(jù)相似性定律[7]，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速n改變時(shí)，水泵軸功率NZ與其流量G三次方成正比。從而可以計(jì)算出機(jī)組再變工況運(yùn)行時(shí)，水泵對(duì)應(yīng)的功率與能耗。經(jīng)計(jì)算分析，本項(xiàng)目取水泵能耗總計(jì)為14733.19kW。

（5）循環(huán)水泵能耗

循環(huán)水水量的計(jì)算：

式中：Gx為計(jì)算循環(huán)水流量，m3/h；Q為熱用戶(hù)熱設(shè)計(jì)負(fù)荷，kW；tg﹑th為設(shè)計(jì)供回水溫度，℃。

考慮取水保險(xiǎn)系數(shù)1.05，設(shè)計(jì)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(guān)系式，選用管徑250mm，此時(shí)流速為1.1m/s。

根據(jù)管道的摩擦阻力計(jì)算表查得開(kāi)式系統(tǒng)比摩阻[6]。查得本項(xiàng)目閉式循環(huán)水管比摩阻為Rc=46Pa/m。循環(huán)水管長(zhǎng)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(jī)組說(shuō)明書(shū)，制熱工況下130A和300A機(jī)組蒸發(fā)器阻力Δ Pz為58kPa和62kPa，本報(bào)告取ΔPz=62kPa。各阻力之和ΔP=98.80kPa。

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

流量、揚(yáng)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(jī)功率NC=29.64kW。

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

3　兩種方案經(jīng)濟(jì)性比較

3.1初投資分析

兩種系統(tǒng)包括主要設(shè)備投資、能源增容費(fèi)、土建投資、空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)、以及安裝等其它配套費(fèi)用等內(nèi)容。關(guān)于初投資需要作出以下說(shuō)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(jì)性，各個(gè)方案的空調(diào)末端設(shè)備（即風(fēng)機(jī)盤(pán)管、空調(diào)器等）配置均相同，因此忽略末端設(shè)備的價(jià)格差異及運(yùn)行能耗；二是土建造價(jià)、控制系統(tǒng)投資等為參考類(lèi)似工程估算。

按表4中所選數(shù)據(jù)計(jì)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(fèi)用比傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)高出約9.14%。室內(nèi)供暖工程投資分別占了燃?xì)忮仩t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(nèi)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(fèi)用比傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)高出約31.40%。

表4　初投資估算表（萬(wàn)元）Table 4 Initial investment estimation（ten thousand yuan）

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3.2運(yùn)行費(fèi)用分析

本部分計(jì)算中，燃?xì)忮仩t系統(tǒng)耗用天然氣價(jià)格依據(jù)2014年10月23日《四川省發(fā)展和改革委員會(huì)關(guān)于調(diào)整我省非居民用天然氣價(jià)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(mén)站價(jià)執(zhí)行。建筑考慮10%熱損失。

地下水源熱泵用電價(jià)格依據(jù)2013年11月4日《四川省發(fā)展和改革委員會(huì)關(guān)于調(diào)整可再生能源電價(jià)附加征收標(biāo)準(zhǔn)等有關(guān)事項(xiàng)的通知》[9]：可再生能源電價(jià)附加標(biāo)準(zhǔn)為每千瓦時(shí)0.8分錢(qián)。

本報(bào)告計(jì)算地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行價(jià)格時(shí)，電價(jià)按0.8元/kWh計(jì)算。從而，運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算情況如表5。

表5　年運(yùn)行費(fèi)用估算表Table 5 Annual operating cost estimation

按表4中所選數(shù)據(jù)計(jì)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(fèi)用比傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)高出約9.14%。室內(nèi)供暖工程投資分別占了燃?xì)忮仩t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(nèi)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(fèi)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(yùn)行費(fèi)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(shí)間內(nèi)就能將增量投資部分回收。

4　結(jié)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(yùn)行費(fèi)用較低，只從供熱季判斷，它所增加的投資依然能在5年內(nèi)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(jì)性。

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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(lèi)號(hào)TU833

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)：1671-6612（2016）01-104-05

基金項(xiàng)目：高原氣候適應(yīng)性節(jié)能建筑關(guān)鍵技術(shù)研究與示范

作者簡(jiǎn)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(dǎo)師，E-mail：ypyuan@home.swjtu.edu.cn

收稿日期：2015-02-10