強(qiáng)天偉 屈悅瀅

水源熱泵在某辦公樓的可行性研究及能耗分析

強(qiáng)天偉 屈悅瀅

（西安工程大學(xué) 西安 710048）

根據(jù)項(xiàng)目辦公樓所在地的水文地質(zhì)及相關(guān)資料，應(yīng)用層次分析法建立地下水源熱泵系統(tǒng)和土壤源熱泵系統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系模型并計(jì)算二者的適宜性指數(shù)，得出兩種系統(tǒng)均適宜項(xiàng)目所在區(qū)域。綜合分析兩種系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境影響及地下水源熱泵的回灌方式，比較確定地下水源熱泵系統(tǒng)方案。利用DEST軟件模擬結(jié)合負(fù)荷頻率法計(jì)算年運(yùn)行能耗，利用概算指標(biāo)計(jì)算初投資并與傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。得出該辦公樓地下水源熱泵系統(tǒng)的費(fèi)用年值比采用冷水機(jī)組+燃煤鍋爐方案節(jié)省18%。對(duì)于地下水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及方案的選擇具有很好的借鑒意義。

地下水源熱泵系統(tǒng)；層次分析法；負(fù)荷特性；經(jīng)濟(jì)性分析；費(fèi)用年值

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)成為了世界上最大的能源消耗國(guó)，其中建筑能耗占比達(dá)到30%～50%[1]，而在建筑能耗中，用于暖通空調(diào)的能耗又占據(jù)建筑能耗的40%～50%，由于傳統(tǒng)空調(diào)設(shè)備利用率低，北方地區(qū)采暖常用中小型的鍋爐，其燃料利用率普遍偏低，大多不到60%甚至為30%，即使是現(xiàn)代化的大型鍋爐其一次能源利用率也僅70%[2]，我國(guó)發(fā)電主要是采用燃煤鍋爐產(chǎn)生蒸汽帶動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電為主，其一次能源的利用率更低，一般為27%～33%[3]，因此造成了能源的大量浪費(fèi)，節(jié)能減排迫在眉睫。

熱泵作為一種利用少量高品位能源驅(qū)動(dòng)搬運(yùn)自然界的冷量和熱量到室內(nèi)的裝置逐漸發(fā)展起來(lái)[4]。水源熱泵系統(tǒng)屬于可持續(xù)發(fā)展的能源利用技術(shù)[5]，減少空氣污染、減少溫室氣體排放、有效利用資源方面有其明顯的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)它又是一項(xiàng)非常復(fù)雜的“技術(shù)”。近年來(lái)，“地下水源熱泵系統(tǒng)”在我國(guó)項(xiàng)目數(shù)量已達(dá)300多個(gè)[6-8]。西安市是一個(gè)水資源比較緊張的城市，因此非常有必要進(jìn)行深入全面的調(diào)查研究減少不必要的浪費(fèi)。

1 水源熱泵空調(diào)工作機(jī)理

每種熱泵空調(diào)各有優(yōu)勢(shì)和不足，選擇系統(tǒng)的種類時(shí)應(yīng)充分結(jié)合項(xiàng)目所在區(qū)域具體的水文地質(zhì)、氣象、場(chǎng)地等條件因地制宜的選擇[9]。

水源熱泵主要是利用地表水、地下水或污水作為熱泵系統(tǒng)的冷熱源進(jìn)行建筑的采暖或制冷的節(jié)能技術(shù)。水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)由與用戶側(cè)冷凍水（或熱水）換熱的換熱器、壓縮機(jī)、熱源側(cè)換熱器及其他輔助設(shè)備等組成。水源熱泵系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 水源熱泵工作流程圖

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于西安市未央?yún)^(qū)郊區(qū)某魚(yú)塘辦公樓，東臨草灘四路，北臨渭河，屬于寒冷區(qū)域，氣象統(tǒng)計(jì)30多年平均干球溫度為13.5℃，累計(jì)最熱月平均溫度最高為29.8℃，最冷月平均溫度-0.3℃，統(tǒng)計(jì)極端最高氣溫達(dá)41.2℃，統(tǒng)計(jì)極端最低氣溫為-20℃。該建筑目前剛好處于北郊市政供暖范圍之外，建筑總面積1227.9m2，其中空調(diào)面積967.68m2，共分三層全部為地上建筑，總高度9.3m。六個(gè)魚(yú)塘總面積達(dá)32568.3m2，魚(yú)塘的東西兩邊各有一個(gè)120m深的水井，單井出水量達(dá)1200m3/d。

2.2 地下水源/土壤源熱泵系統(tǒng)回灌分析及適宜性評(píng)價(jià)

針對(duì)常用的地下水源熱泵系統(tǒng)中存在的一些問(wèn)題，不能完全回灌、地下水熱污染和井間距過(guò)小造成的機(jī)組效率下降等問(wèn)題結(jié)合項(xiàng)目所在的場(chǎng)地條件，本項(xiàng)目采用部分用作魚(yú)塘的補(bǔ)水，其余部分水采用異井重力回灌。這樣做既能減少回灌量，同時(shí)又降低了魚(yú)塘補(bǔ)水的成本，也避免了不能完全回灌造成的水資源的浪費(fèi)等問(wèn)題，采用重力回灌通過(guò)緩慢的自然滲透到深層可以有效的避免對(duì)地下水造成熱污染，本項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)內(nèi)現(xiàn)有的水井間距足夠大，采用異井回灌不會(huì)造成水源熱泵機(jī)組的效率降低。

通過(guò)層次分析法，根據(jù)適宜性指數(shù)=∑（每一因素的權(quán)重值×相應(yīng)的無(wú)量綱標(biāo)準(zhǔn)值），計(jì)算得出該項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)地下水源熱泵的綜合指數(shù)為0.8059，土壤源熱泵的適宜性綜合指數(shù)為0.9127，均屬于適宜區(qū)域，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的條件、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境影響、以及地下水源熱泵的回灌性等最終確定本項(xiàng)目的系統(tǒng)方案采用地下水源熱泵系統(tǒng)。

2.3 方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目建筑物負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如表1所示，方案采用地下水系統(tǒng)作為熱泵主機(jī)的冷熱源，對(duì)建筑物夏季提供7℃冷凍水（冬季60℃的熱水），末端采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)的形式對(duì)每個(gè)房間進(jìn)行制冷及供暖。機(jī)房設(shè)計(jì)的原理圖如圖2所示。主要設(shè)備選型如表2所示，包括熱泵機(jī)組的選型、循環(huán)泵的選型、潛水泵的選型及水處理設(shè)備的選型等。選型原則主要滿足經(jīng)濟(jì)性、可靠性、系統(tǒng)的整體性。

表1 建筑物負(fù)荷計(jì)算表

圖2 水源熱泵機(jī)房原理圖

表2 主要設(shè)備選型表

3 經(jīng)濟(jì)性分析

本項(xiàng)目辦公樓位于西安市北郊緊鄰渭河南岸，根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有冷熱源的應(yīng)用狀況結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的水文地質(zhì)及場(chǎng)地條件，確定出以下冷熱源方案。方案一為地下水源熱泵系統(tǒng)，方案二為冷水機(jī)組+燃煤鍋爐。

3.1 兩種方案的初投資分析

方案一的初投資包括設(shè)備購(gòu)置費(fèi)和施工安裝費(fèi)等，設(shè)備購(gòu)置費(fèi)主要包括水源熱泵機(jī)組的購(gòu)置費(fèi)、水泵的購(gòu)置費(fèi)、管材的購(gòu)置費(fèi)、風(fēng)機(jī)盤(pán)管的購(gòu)置費(fèi)、及新風(fēng)機(jī)組的購(gòu)置費(fèi)（因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)已有水井可供使用，故方案一中不再計(jì)算打井費(fèi)用）。方案二的初投資包括設(shè)備購(gòu)置費(fèi)和施工安裝費(fèi)等，設(shè)備購(gòu)置費(fèi)主要包括冷水機(jī)組的購(gòu)置費(fèi)和燃煤鍋爐的購(gòu)置費(fèi)、水泵的購(gòu)置費(fèi)、管材的購(gòu)置費(fèi)、風(fēng)機(jī)盤(pán)管的購(gòu)置費(fèi)、及新風(fēng)機(jī)組的購(gòu)置費(fèi)。經(jīng)計(jì)算，兩種方案的初投資費(fèi)用對(duì)比如圖4所示。方案一初投資費(fèi)用比方案二初投資低9.85%。主要因?yàn)楸卷?xiàng)目已經(jīng)有水井可供使用，無(wú)需打井，方案二需多購(gòu)置一套燃煤鍋爐。

3.2 兩種方案的運(yùn)行能耗分析及費(fèi)用分析

兩種方案的運(yùn)行能耗分別如表3和表4所示，年運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比如圖3所示?？傻梅桨付哪赀\(yùn)行費(fèi)用比方案一節(jié)省26.3%。

表3 方案一主要設(shè)備全年運(yùn)行能耗及費(fèi)用匯總表

表4 方案二主要設(shè)備全年運(yùn)行能耗及費(fèi)用匯總表

圖3 兩種方案的年運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

3.3 年維護(hù)費(fèi)用計(jì)算

年維護(hù)費(fèi)用主要包括運(yùn)行管理人員的工資福利，及系統(tǒng)的維護(hù)檢修費(fèi)用等。影響因素有很多，波動(dòng)性也比較大，很難計(jì)算出準(zhǔn)確的費(fèi)用。根據(jù)概算指標(biāo)（設(shè)備初投資費(fèi)用的5%）進(jìn)行估算。計(jì)算得方案一的年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用為9706.5元，方案二的年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用為10767.5元。年維護(hù)費(fèi)用對(duì)比如圖3所示。方案二的年維護(hù)費(fèi)用比方案一節(jié)省10%。

3.4 動(dòng)態(tài)費(fèi)用年值分析

式中：A為費(fèi)用年值，元；C為初投資，元；C為年運(yùn)行費(fèi)用與年維護(hù)費(fèi)用之和，元；為回收系數(shù)，取10%；為使用年限，年。

本項(xiàng)目方案中的設(shè)備根據(jù)廠家推薦的經(jīng)濟(jì)使用年限均為20年，即取20。根據(jù)公式（1）計(jì)算兩種方案的費(fèi)用年值，方案一費(fèi)用年值為6.771萬(wàn)元，方案二費(fèi)用年值為8.259萬(wàn)元。兩種方案的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對(duì)比如圖4所示。由以上分析可知方案一全壽命周期的費(fèi)用年值比方案二全壽命周期的費(fèi)用年值少18%，因此對(duì)于該項(xiàng)目來(lái)說(shuō)采用方案一地下水源熱泵系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)。

圖4 兩種方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié)論

（1）通過(guò)利用層次分析法分別構(gòu)建了地下水源熱泵和土壤源熱泵的評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)模型，并分別計(jì)算了兩種系統(tǒng)的適宜性指標(biāo)，結(jié)果表明兩種系統(tǒng)均適宜。結(jié)合工程的現(xiàn)場(chǎng)的條件、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境影響、以及地下水源熱泵的回灌性等進(jìn)行分析比較最終確定地下水源熱泵系統(tǒng)更適合。

（2）通過(guò)DEST進(jìn)行全年建筑最大負(fù)荷的模擬計(jì)算，進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及設(shè)備的選型。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)地條件因地制宜的進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，場(chǎng)區(qū)內(nèi)有6個(gè)魚(yú)塘夏季魚(yú)塘需要補(bǔ)水，因此地下水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中中關(guān)于回灌水的去向，將部分回灌水用作魚(yú)塘的補(bǔ)水，即減輕了回灌井的壓力，又節(jié)省了魚(yú)塘補(bǔ)水的成本。

（3）通過(guò)計(jì)算可得，采用地下水源熱泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)方案的初投資低9.85%、年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省26.3%、年維護(hù)費(fèi)用節(jié)省10%、費(fèi)用年值低18%，因此采用地下水源熱泵系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)。在水資源豐富的地區(qū)具有較好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和前景。

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Feasibility Study and Energy Consumption Analysis of Water Source Heat Pump in an Office Building

Qiang Tianwei Qu Yueying

( Xi'an Polytechnic University, Xi’an, 710048 )

According to the hydrogeology and related data of the office building, the evaluation system model of groundwater source heat pump system and ground source heat pump system is established by using analytic hierarchy process, and the suitability index of the two systems is calculated. It is concluded that both systems are suitable for the project area. The economy, environmental impact and recharge mode of groundwater source heat pump are comprehensively analyzed, and the scheme of groundwater source heat pump system is determined by comparison. The annual energy consumption is calculated by using DEST software simulation combined with load frequency method. The initial investment is calculated by using budget estimates and compared with the traditional system. It is concluded that the annual cost of groundwater source heat pump system in this office building is 18% less than that of water chiller plus coal-fired boiler. It has a good reference significance for the design and scheme selection of groundwater source heat pump system.

groundwater source heat pump system; analytic hierarchy process; load characteristics; economic analysis; annual cost

TU831.5

A

陜西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（編號(hào)：201822067）

強(qiáng)天偉（1970.11-），男，博士研究生，教授，E-mail：254599797@xpu.edu.cn

屈悅瀅（1995.1-），女，在讀研究生，E-mail：530037889@qq.com

2019-04-30