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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

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项目与某同等规模VRV系统项目，在每平方米初期投资、每平方米年运营费用、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，在很多大型项目中得以实施，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

通过对公建项目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：

通过建设项目实际数据的有效计算，选取案例项目初期建安投资、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。

理论研究与实际试验均表明，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

占地面积

主机体积小，占地面积小，设置灵活，可设在地下空间或楼梯间。

但需要考虑埋管的空间。

主机体积大，需要考虑室外机排气畅通等问题，设置死板固定。

运行效率

与外界的换热介质是大地，大地浅层温度恒定，基本不受外界环境影响，换热效果优良，从而运行效率高效稳定。

空气作为空调系统的冷却介质温度的波动范围较大，导致冷凝、蒸发温度不能保持稳定，所以，会造成能源的浪费，换热效果也受其影响，运行效率不稳定、低下。

除霜处理

换热介质埋于地下。

土壤温度一年四季相对恒定，冬季也能保持在15℃以上，故埋地换热器不会结霜，无需除霜处理，节省了能源。

在冬季供热时，室外机由于吸热，导致水蒸气受冷凝结成霜，造成空气流通的阻碍。

所以需要定时作化霜处理，浪费了能源。

运行费用

理论上，无论制冷制热的能效（COP）都高于传统的空调，系统运行稳定，基本不受室外温度影响，比VRV空调系统节能30%左右，从而节省了部分运行费用。

采用风冷热泵，部分荷载能效比高，全负荷能效比低，冬季随着室外气温降低，系统由于结霜等原因导致制热能力逐渐下降。

总的运行费用也会高于地源热泵30%左右。

环保舒适性

室内采用水系统，舒适性良好；制冷剂不进入室内，消除了安全隐患；室外机采用水冷，没有排风扰民等问题。

采用能源均是绿色、可再生能源，基本不会对环境造成破坏。

室内采用氟系统，舒适性一般，存在制冷剂对大气的污染隐患；室外机采用气体排放，存在冷热风扰民，热岛效应，破坏生态环境等问题。

安装与启动

安装工艺较为复杂，埋管对地下环境有一定要求，工程量较大，初期投资高；系统启动运行的速度较慢，需要一段时间才能达到预想的制冷制热效果。

安装较为简单，采用技术也十分成熟，初期的投资也相对较低；系统启动运行的速度较快，能在短时间内达到预想的制冷效果。

三、基于工程实例的地源热泵技术经济分析

1、项目概况以及设备配置情况

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

表2案例项目地源热泵空调系统主要设备及概况表

项目

主要机组设备

风机盘管229台

辐射盘管27600m

风机盘管40台

风机盘管25台

闭式冷却塔1台

开式冷却塔2台

横流式冷却塔1台

方型逆流式冷却塔1台

循环泵6台

循环泵40台

循环泵15台

循环泵9台

螺杆式地源热泵机组2台

螺杆式地源热泵机组4台

天棚地源热泵机组2台/常规地源热泵机组1台/热水地源热泵机组1台

螺杆式地源热泵机组2台

螺杆式冷水机组2台

定压装置1台

新风机组14台

新风机组2台

新风机组28台

新风机组10台

室内机12台

室内机28台

室内机92台

全热交换器2台

板式换热器1台

天棚板式换热器1台/热水板式换热器1台/冷却板式换热器1台

板式换热器1台

定压补水真空脱气机组3台

循环水旁流处理器2台

分集水器8台

分集水器80台

分集水器22台

分集水器18台

四个项目的建筑面积以及初期投资组成情况如表3：

表3案例项目地源热泵空调系统初期投资组成表

项目名称

总建筑面积（m2）

22700

126900

23714.84

10230

空调使用面积/地上面积（m2）

13150

94411

22121

7213

主要设备购置费用（元）

5320000

27024000

6500000

906000

可调节空调末端购置费用（元）

810000

4170000

1429660

660000

建筑安装工程费用（元）

2287600

8800000

5500000

469770

总计（元）

8417600

39994000

13429660

2035770

基于空调使用面积的造价指标（元/m2）

640

424

607

282

基于项目总建筑面积的造价指标（元/m2）

371

315

566

199

分析案例项目初期投资组成可知，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项目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米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，在大型的公共建筑项目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，本文选取上述案例项目C和某使用传统空调系统的项目E进行对比分析，两个项目均为多层办公楼，建筑面积在2万平方米左右，空调系统规模相当，因此具有可比性。

项目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。

两个项目基本情况如表：

表4地源热泵空调系统与普通VRV空调基本情况一览表

项目

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

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

项目

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置费用（元）

1429660

514061

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米初期投资额（元/m2）

607

243

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，从所选项目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米造价指标比普通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，按每平米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

负荷特性

100%

75%

50%

25%

夏季冷负荷（KW）

3442

2582

1721

861

机组耗电量（KW）

487

365

244

122

水泵耗电量（KW）

146

表7地源热泵机组冬季部分负荷下耗电量

负荷特性

100%

75%

50%

25%

冬季热负荷（KW）

2277

1708

1139

569

机组耗电量（KW）

542

407

271

136

水泵耗电量（KW）

146

运行费用计算见表8和9，假设项目每天白天开机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

季节

计算项目

计算公式

计算结果

夏季

地源热泵机组（KW·h）

8%的时间负荷为100%

487*150*8*0.08

46752

32%的时间负荷为75%

365*150*8*0.32

140160

30%的时间负荷为50%

244*150*8*0.3

87840

30%的时间负荷为25%

122*150*8*0.3

43920

机组耗电量合计（KW·h）

318672

水泵耗电量（KW·h）

146*150*8*0.08+146*150*8*0.32+97*150*8*0.3+49*150*8*0.3

122460

系统总耗电量（KW·h）

441132

耗电费用（元）

441132*1.019*0.7

314659

耗电指标（空调使用面积）元/m2

314659÷22121

14.22

表9地源热泵冬季工况耗电量计算表

季节

计算项目

计算公式

计算结果

冬季

地源热泵机组（KW·h）

8%的时间负荷为100%

542*120*8*0.08

41626

32%的时间负荷为75%

407*120*8*0.32

125030

30%的时间负荷为50%

271*120*8*0.3

78048

30%的时间负荷为25%

136*120*8*0.3

39168

机组耗电量合计（KW·h）

283872

水泵耗电量（KW·h）

146*120*8*0.08+146*120*8*0.32+97*120*8*0.3+49*120*8*0.3

98112

系统总耗电量（KW·h）

381984

耗电费用（元）

381984*1.019*0.7

272469

耗电指标（空调使用面积）元/m2

272469÷22121

12.32

同理梳理E项目数据，普通VRV空调运行能耗计算如表10~13：

表10VRV空调机组夏季部分负荷下耗电量

负荷特性

100%

75%

50%

25%

夏季冷负荷（KW）

3518

2639

1759

880

机组耗电量（KW）

650

488

325

163

表11VRV空调机组冬季部分负荷下耗电量

负荷特性

100%

75%

50%

25%

冬季热负荷（KW）

2038

1529

1019

510

机组耗电量（KW）

650

488

325

163

表12VRV空调夏季运行阶段耗电量

季节

计算项目

计算公式

计算结果

夏季

VRV空调机组（KW·h）

8%的时间负荷为100%

650*150*8*0.08

62400

32%的时间负荷为75%

488*150*8*0.32

187392

30%的时间负荷为50%

325*150*8*0.3

117000

30%的时间负荷为25%

163*150*8*0.3

58680

机组耗电量合计（KW·h）

425472

耗电费用（元）

425472*1.019

433556

耗电指标（空调使用面积）元/m2

433556÷21711

19.97

表13VRV空调冬季运行阶段耗电量

季节

计算项目

计算公式

计算结果

冬季

VRV空调机组（KW·h）

8%的时间负荷为100%

650*120*8*0.08

49920

32%的时间负荷为75%

488*120*8*0.32

188641

30%的时间负荷为50%

325*120*8*0.3

93600

30%的时间负荷为25%

163*120*8*0.3

46944

机组耗电量合计（KW·h）

379105

耗电费用（元）

379105*1.019

386308

耗电指标（空调使用面积）元/m2

386308÷21711

17.79

运营阶段的其他费用计算

运营阶段除了能耗分析之外，还应考虑设备的维修费用。

维修费主要包括：

材料费、维修人员工资、平时维修保养费等。

对维修的主要是机组、空气处理机、循环泵、附属设备及管道。

维修费的计算取折旧费的30%，折旧费采用直线折旧法，设备残值按设备购置费的5%计算。

则计算结果如表14所示：

表14地源热泵空调系统和普通VRV空调系统维修费对比表

项目

设备使用年限

年折旧费

282625

302556

维修费/元

84787.5

90766.8

维修费指标/元/m2

3.35

4.12

此外还有其他一些费用：

主要包括管理费、排污费、人工费等，取固定资产的0.75%[2]，如表15。

表15地源热泵空调系统和普通VRV空调系统其他费对比表

项目

其他费用

45517.5

19108.8

其他费用指标/元/m2

1.8

0.87

综上所述，对运营阶段所产生的费用进行汇总，如表16：

表16地源热泵空调系统与普通VRV空调系统运营阶段费用投资对比表

项目

运行电费（元）

587128

819754

维修费用（元）

84787.5

90766.8

其他费用（元）

45517.5

19108.8

运行费用（元）

717433

929629.6

每平方米运行电费（元/m2）

26.54

37.76

每平方米维修费用（元/m2）

3.83

4.18

每平方米其他费用（元/m2）

2.06

0.88

每平方米运行总费用（元/m2）

32.43

42.82

图4地源热泵空调系统与普通VRV空调系统运营阶段费用投资对比图

将项目C与项目E的空调系统初期投资和运营费用数据汇总后如图4所示，单位建筑面积运行电费普通VRV空调系统的比地源热泵空调系统高出42.26%。

另外在年维修费用上，地源热泵空调系统相比普通VRV空调系统，每年可节省1.44元/m2。

因此地源热泵空调系统在运行期的总费用要显著低于普通VRV空调系统，项目C年运行费用要比项目E节省21.2万元。

（iii）经济型指标的处理

费用年值是评价方案的标准之一，能综合考虑在不同条件下初期投资和年运行费用的综合情况，费用年值最小的方案即是最佳方案。

采用回收公式将所选取的两个项目的初期投资等额折算到每年，并与该年的运行费用求和，即可得到项目的费用年值。

费用年值计算公式：

Ac——每平方米费用年值，元/m2

Ci——每平方米初期投资，元/m2

Ck——每平方米年运行费用，元/m2

i——回收系数，取10%

n——使用年限，20年

表17两方案的费用年值对比表

项目

增幅比例

每平方米运行费用（元/m2）

32.43

42.82

32.04%

每平方米初期投资费用年值（元/m2）

98.77

39.55

149.73%

每平方米费用年值（元/m2）

131.2

82.37

59.28%

每平方米年运行费用与每平方米初期投资比例

5.34%

17.59%

229.26%

每平方米年运行费用与每平方米初期投资费用年值的比例

32.83%

108.27%

229.75%

地源热泵项目和VRV系统项目的费用年值计算结果如表17。

从纵向对比来看，地源热泵空调系统的单位建筑面初期投资部分占了单位建筑面总费用年值的很大比例，约为费用年值的75.28%，而地源热泵空调系统的单位建筑面积的运行费用仅仅是单位建筑面积的初期投资的5.34%，单位建筑面积初期投资费用年值的32.83%，说明了地源热泵系统初期投资的大额性与运行费用的经济性；而普通VRV空调系统，单位建筑面积运行费用占了单位建筑面积总费用年值的约48.02%，是单位建筑面积初期投资的17.59%，单位建筑面积初期投资费用年值的108.27%，反应了普通VRV空调系统初期投资比较经济合理，但是运行费偏高。

从横向对比来看，普通VRV空调系统的单位建筑面积运行费用比地源热泵空调系统高出32.04%，但是单位建筑面积的费用年值也比地源热泵空调系统低59.28%，而地源热泵空调系统的单位建筑面积初期投资费用年值要比普通VRV空调系统高149.43%。

从截取的项目运行前10年的情况来看，如表18，地源热泵空调系统的经济性不如普通VRV空调系统，主要是由于地源热泵空调系统初期投资过高。

但从长远的角度来看，随着电价的逐步提高，以及地源热泵技术逐渐成熟导致的初期投资降低，地源热泵的经济性可能会优于VRV空调系统。

另一方面，考虑到地源热泵空调的寿命长于VRV空调系统，建筑物使用寿命内设备更新的投资地源热泵要低于VRV系统。

表18两方案每年费用对比表

年份

静态指标

607

32.43

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