基于案例的地源热泵空调系统技术经济分析.docx
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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、环境爱惜方面有专门好的后评估结果，能够有效减缓建筑能耗太高的情形，在工程中超级值得应用和推行。
本文选取某地源热泵项目与某一样规模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照分析得出结论：
由于要紧设备的技术水平高、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，因此在全寿命周期内经济评判要好于一般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
一、现今环境、能源问题与地源热泵进展应用状况
最近几年来，传统基础性能源在全世界范围内开始呈现出日趋枯竭的态势，同时，我国的建设工程产业蓬勃进展，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，而且伴随着发达国家推行绿色建筑的热潮、“可再生能源”的研究和进展、低碳经济时期的到来，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，它所采纳的新能源、新技术都备受注视。
其中，热泵作为绿色空调重要技术之一，其节能性、环保性日趋受到青睐。
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时期，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超级有现实意义。
二、本文研究内容和研究方式
通过对公建项目地源热泵空调系统案例的研究，将地源热泵的要紧设备、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。
要紧研究方式：
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、运行时期费用、环保性能等几个重点方面作为评判对象，对其功能指数、本钱指数进行计算，进而形成指标性分析，以此来评判不同冷热源方案的综合技术经济性能。
二、地源热泵系统的大体原理和应用
一、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。
它是一个较为普遍的概念，依照利用地热源的种类不同能够将地源热泵分为两个类型：
土壤源地源热泵和地表水热泵。
本文要紧论述在华东地域运用较多的土壤源地源热泵的大体情形和技术经济分析。
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锁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互换，将不能直接利用的低位热能转换为有效热能。
在冬季供热时，循环液从地下获取热量，予以室内采暖；在夏日制冷时，循环液把室内的热量带走，释放到地下岩体中。
理论研究与实际实验均说明，地下土壤温度维持恒定，大体不受其他外界环境阻碍，这为土壤源地源热泵提供了稳固靠得住的能量来源。
二、组成系统的要紧设备
图1地源热泵系统组成示用意
如图1所示，地源热泵系统要紧分为：
a.地下管路换热系统、b.热泵工质循环系统和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.紧缩机、5.蒸发机、6.风机盘管、7.循环泵和地下埋管等要紧设备组成。
夏日，地源热泵依托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，把热量贮存在土壤中，供冬季采暖利用。
冬季采暖时，通过热泵系统中的换向阀，将贮存在土壤中的热量，转移到温度较低室内，以实现采暖，同时储蓄冷量，供夏日制冷用。
如此，地源热泵系统在冬夏两季的采暖制冷进程中，维持了土壤源热量的平稳，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互换和传导的重要装置，一样选用聚乙烯塑料盘管。
我国的地源热泵埋管要紧分为：
水平埋管和垂直埋管。
水平埋管热泵系统的优势是施工方便、造价低，缺点是换热器传热的成效差，受地面温度波动的阻碍较大，热泵运行不稳，占地面积也较大。
垂直埋管热泵系统的优势是占地面积小，热互换成效良好，换热量大，热泵运行也相对稳固，缺点是初期投资较高。
3、与一般VRV空调系统的对照
表1简腹地比较了地源热泵系统和一般VRV空调系统的大体情形：
表1地源热泵系统和一般VRV空调系统综合对照表
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
一、项目概况和设备配置情形
现有华东地域四个公建项目，都采纳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要紧设备及概况表
项目
A
B
C
D
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
螺杆式冷水机组2台
螺杆式冷水机组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和初期投资组成情形如表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
A
B
C
D
总建筑面积（m2）
22700
126900
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
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
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若是机组设备的购买费用。
地源热泵机组和新风机组在总设备购买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，这就致使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。
本文利用Excel软件拟合地源热泵单方造价与项目空调利用面积之间的关系，如图2所示。
图2地源热泵造价与空调利用面积之间的关系示意图
从该曲线能够看出，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慢慢降低，呈现出必然的规模效应。
由此可见，在大型的公共建筑项目中利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中的曲线尽管显示了必然的拟合度能够帮忙决策者明白得系统单方造价的大体规律，但仍然不具有很强的统计学意义。
二、经济指标对照分析
为了更好地研究土壤源地源热泵空调系统的经济性，将其与一般VRV空调系统进行经济性上的对照，本文选取上述案例项目C和某利用传统空调系统的项目E进行对照分析，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采纳垂直埋管地源热泵空调系统，E采纳VRV空调系统。
两个项目大体情形如表：
表4地源热泵空调系统与一般VRV空调大体情形一览表
项目
C
E
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
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）初期投资对照
表5地源热泵空调系统与一般VRV空调系统初期投资对照表
项目
C
E
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）
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一般VRV空调初期投资对照图
如图3所示，从所选项目C、E的初期投资数据能够看出，地源热泵空调系统在要紧设备购买费、其他设备费、建安工程费等方面的造价指标均高于一般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一般VRV空调系统高出%。
其中要紧的差距来自要紧设备购买费和建安工程费，按每平米指标计算别离比单一般VRV空调系统高出%和%。
由此可见，一般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。
短时间来看，一般VRV空调系统在工程中的应用更易为投资者所同意。
（ii）运营期能耗和费用对照
●运营时期的能耗计算
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，更要考虑部份负荷效率。
机组运行满负荷时刻不到2%，98%的时刻是部份负荷运行。
美国制冷空调学会（ARI）为了科学评估空调机组的综合效率，提出了一种被普遍同意的评估方式，即机组综合部份负荷性能指标（NPLV）：
将机组的运行负荷分为100%，75%，50%和25%，依照不同地域气候特点，各分段有特定的时长。
依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。
依照夏热冬冷地域的情形特点，本文的案例研究中依照夏日150天运行，冬季120天运行[1]，计算运营时期所消耗的电量。
部份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依照表2中实际利用的设备情形计算得来：
表6地源热泵机组夏日部份负荷下耗电量
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
146
97
49
表7地源热泵机组冬季部份负荷下耗电量
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
146
97
49
运行费用计算见表8和9，假设项目天天白天开机8小时，按上海市商业电价分时段计价价钱，取白天平均值元/KW·h，负荷平均加权百分数为：
表8地源热泵夏日工况耗电量计算表
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*
46752
32%的时间负荷为75%
365*150*8*
140160
30%的时间负荷为50%
244*150*8*
87840
30%的时间负荷为25%
122*150*8*
43920
机组耗电量合计（KW·h）
318672
水泵耗电量（KW·h）
146*150*8*+146*150*8*+97*150*8*+49*150*8*
122460
系统总耗电量（KW·h）
441132
耗电费用（元）
441132**
314659
耗电指标（空调使用面积）元/m2
314659÷22121
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*
41626
32%的时间负荷为75%
407*120*8*
125030
30%的时间负荷为50%
271*120*8*
78048
30%的时间负荷为25%
136*120*8*
39168
机组耗电量合计（KW·h）
283872
水泵耗电量（KW·h）
146*120*8*+146*120*8*+97*120*8*+49*120*8*
98112
系统总耗电量（KW·h）
381984
耗电费用（元）
381984**
272469
耗电指标（空调使用面积）元/m2
272469÷22121
同理梳理E项目数据，一般VRV空调运行能耗计算如表10~13：
表10VRV空调机组夏日部份负荷下耗电量
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空调机组冬季部份负荷下耗电量
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空调夏日运行时期耗电量
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*
62400
32%的时间负荷为75%
488*150*8*
187392
30%的时间负荷为50%
325*150*8*
117000
30%的时间负荷为25%
163*150*8*
58680
机组耗电量合计（KW·h）
425472
耗电费用（元）
425472*
433556
耗电指标（空调使用面积）元/m2
433556÷21711
表13VRV空调冬季运行时期耗电量
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*
49920
32%的时间负荷为75%
488*120*8*
188641
30%的时间负荷为50%
325*120*8*
93600
30%的时间负荷为25%
163*120*8*
46944
机组耗电量合计（KW·h）
379105
耗电费用（元）
379105*
386308
耗电指标（空调使用面积）元/m2
386308÷21711
●运营时期的其他费用计算
运营时期除能耗分析之外，还应考虑设备的维修费用。
维修费要紧包括：
材料费、维修人员工资、平常维修保养费等。
对维修的主若是机组、空气处置机、循环泵、附属设备及管道。
维修费的计算取折旧费的30%，折旧费采纳直线折旧法，设备残值按设备购买费的5%计算。
那么计算结果如表14所示：
表14地源热泵空调系统和一般VRV空调系统维修费对照表
项目
C
E
设备使用年限
20
10
年折旧费
282625
302556
维修费/元
维修费指标/元/m2
另外还有其他一些费用：
要紧包括治理费、排污费、人工费等，取固定资产的%[2]，如表15。
表15地源热泵空调系统和一般VRV空调系统其他费对照表
项目
C
E
其他费用
其他费用指标/元/m2
综上所述，对运营时期所产生的费用进行汇总，如表16：
表16地源热泵空调系统与一般VRV空调系统运营时期费用投资对照表
项目
C
E
运行电费（元）
587128
819754
维修费用（元）
其他费用（元）
运行费用（元）
717433
每平方米运行电费（元/m2）
每平方米维修费用（元/m2）
每平方米其他费用（元/m2）
每平方米运行总费用（元/m2）
图4地源热泵空调系统与一般VRV空调系统运营时期费用投资对照图
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一般VRV空调系统的比地源热泵空调系统高出%。
另外在年维修费用上，地源热泵空调系统相较一般VRV空调系统，每一年可节省元/m2。
因此地源热泵空调系统在运行期的总费用要显著低于一般VRV空调系统，项目C年运行费用要比项目E节省万元。
（iii）经济型指标的处置
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——利用年限，20年
表17两方案的费用年值对照表
项目
C
E
增幅比例
每平方米运行费用（元/m2）
%
每平方米初期投资费用年值（元/m2）
%
每平方米费用年值（元/m2）
%
每平方米年运行费用与每平方米初期投资比例
%
%
%
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
%
%
%
地源热泵项目和VRV系统项目的费用年值计算结果如表17。
从纵向对照来看，地源热泵空调系统的单位建筑面初期投资部份占了单位建筑面总费用年值的专门大比例，约为费用年值的%，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%，单位建筑面积初期投资费用年值的%，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；而一般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%，是单位建筑面积初期投资的%，单位建筑面积初期投资费用年值的%，反映了一般VRV空调系统初期投资比较经济合理，可是运行费偏高。
从横向对照来看，一般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%，可是单位建筑面积的费用年值也比地源热泵空调系统低%，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一般VRV空调系统高%。
从截取的项目运行前10年的情形来看，如表18，地源热泵空调系统的经济性不如一般VRV空调系统，主若是由于地源热泵空调系统初期投资太高。
但从久远的角度来看，随着电价的慢慢提高，和地源热泵技术慢慢成熟致使的初期投资降低，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擅长VRV空调系统，建筑物利用寿命内设备更新的投资地源热泵要低于VRV系统。
表18两方案每一年费用对照表
年份
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
C
静态指标
607
E
静态指标
243
C-E
静态指标
364
C-E累计
静态指标
364
C
动态指标
607
E
动态指标
243
C-E
动态指标
364
C-E累计
动态指标
364
按表18计算可知：
在不考虑资金的时刻价值条件下，在年时，利用地源热泵项目的总费用就会小于一般VRV空调，到第10年，能够节省出元/m2的费用；在考虑资金的时刻价值条件下，在年时，利用地源热泵项目的总费用就会小于一般VRV空调，到第10年时，能够节省出元/m2的费用。
综上，在项目的全寿命周期内，地源热泵的财务评判是好于一般VRV空调的。
四、结论
地源热泵系统尽管有较高初期投资金额和更为复杂的施工安装内容，但
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