喀斯特地貌下复合式地源热泵系统经济性分析_胡金强.pdf

问题探讨81NO.05 2023节能 ENERGY CONSERVATION喀斯特地貌下复合式地源热泵系统经济性分析胡金强1，2（1.上海津旭电力设计有限公司，上海 200025；2.上海电力设计院有限公司，上海 200025）摘要：对喀斯特地貌下地源热泵室外地埋管系统、地源热泵机房进行设计与选型，并对冬夏季土壤最大吸热量与释热量、地埋管换热井数和辅助散热冷却塔进行设计计算；分析喀斯特地貌对室外地埋管传热与后期施工的影响，强调喀斯特地貌下地源热泵系统地埋管费用极大地影响其经济性与回收期。通过对工程实例进行计算分析，复合式地源热泵空调系统的年运行费用比空气源热泵+冷水机组系统节省215.8万元，节能率高达37.7%，动态追加投资回收期为5.8年。关键词：复合式地源热泵；喀斯特地貌；回收期中图分类号：TU83 文献标识码：B 文章编号：1004-7948（2023）05-0081-03 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.021Economic analysis of hybrid ground-source heat pump system under the karst landformHU Jin-qiangAbstract：The paper presents the design and selection of the ground heat exchanger system and the ground source heat pump room under the karst landform,and calculates the maximum heat absorption and release of soil in winter and summer,the number of heat exchanger,and the design of the auxiliary cooling tower under the karst landform.The impact of the karst landform on heat transferring of the ground heat exchanger system and later construction is analyzed,and the cost of the ground heat exchanger system under the karst landform is emphasized to greatly affect its economic viability and payback period.Through the calculation and analysis on the engineering example,the results show that the hybrid ground-source heat pump air conditioning system saves 2.158 million yuan in annual operating costs compared to the air source heat pump+chiller system,with an energy saving rate of up to 37.7%,and a dynamic incremental investment payback period of 5.8 years.Key words:hybrid ground-source heat pump;karst landform;payback period引言地源热泵空调系统通过输入少量的高位能（电），实现从浅层地能向高位热能转移的热泵空调系统1-4。地源热泵空调系统具有运行成本低、环保效益好、高效节能、既能制冷、供暖又能供生活热水等优点，是利用浅层地热资源的可再生能源利用技术，在大型公共建筑中应用的节能潜力较大。与传统的空调系统相比，地源热泵系统增加了地埋管换热系统的初投资成本，一般情况下，将较大程度上影响其系统的经济性与回收期。1项目概况项目位于广西某地区，总建筑面积105 965 m2，其中大剧院、图书馆和博物馆建筑面积分别为 19 500 m2、32 475 m2和34 195 m2。通过负荷计算结果得到，总冷负荷、总热负荷（不含热水负荷）以及热水负荷分别为9 980.3 kW、6 197.6 kW以及300 kW。2地埋管换热系统与地源热泵机房设计步骤与流程地埋管换热系统设计是地源热泵系统工程设计的核心，其步骤与流程如下5-6：（1）确定地埋管换热器形式。地埋管换热器形式一般有垂直式和水平式两种，该项目根据现场条件选择垂直式地埋管换热器。（2）确定地埋管有效埋深和管径。根据该项目地源热泵热物性测试报告结果、水文地质勘查相关资料、动态负荷模拟计算结果和项目甲方的要求，选择为公称外径25 mm、双U型、有效埋深100 m的地埋管换热器。（3）计算夏冬季土壤最大释热量与最大吸热量5。夏季最大放热量为12 103.8 kW，冬季最大吸热量为作者简介：胡金强（1980），男，硕士，工程师，研究方向为热泵技术、智慧能源与建筑节能。收稿日期：2023-01-26引用本文：胡金强.喀斯特地貌下复合式地源热泵系统经济性分析 J.节能，2023，42（5）：81-83.问题探讨82节能 ENERGY CONSERVATIONNO.05 20234 644.5 kW，前者与后者的差值较大，夏季需配置冷却塔进行辅助调峰散热。（4）确定地埋管换热井数量与辅助散热冷却塔的容量和选型。地埋管换热井数量的计算结果为774口，按10%富余量考虑，共需要打井852口。选择8台175 m3/h模块化闭式冷却塔。（5）地源热泵机房设计。具体计算过程见文献5，选择37台SSHR-280地源热泵主机。（6）地源热泵冷热不平衡问题。地源热泵冷热不平衡问题的解决方案见文献6。3喀斯特地貌对地源热泵系统的影响3.1工程地典型喀斯特地貌的概况与特征喀斯特地貌是具有溶蚀力的水对可溶性岩石（大多为石灰岩）进行溶蚀等作用所形成的地表和地下形态的总称，又称岩溶地貌。除溶蚀作用以外，还包括流水的冲蚀、潜蚀以及坍陷等机械侵蚀过程。桂林喀斯特区地理坐标为北纬24 38 25 05，东经110 13 110 49，是世界峰林和峰丛喀斯特景观的典型代表地之一7-8。项目区内石峰耸立，形态各异，有稀有密，一般高出地面数十米至百米不等，并发育大量洞穴；洞穴以水平型为主，尤以脚洞、穿洞为多；低洼处常形成宽而浅的碟形洼地，并多积水成潭、湖，或为落水洞、漏斗泄消地表水8-10。该工程位于广西某地区，属典型喀斯特地貌，地下有溶洞发育。据所钻570个灰岩钻孔统计，遇溶洞、“鹰嘴岩”的钻孔为 67 个，洞高 0.212.8 m，遇洞率11.8%，岩溶率为3.6%，表明场地属岩溶较发育区5。3.2喀斯特地貌对地源热泵系统的影响喀斯特地貌下溶洞内含水量极大，且有大型溶洞或连通的溶洞群以及明流与暗流相间出现。陈旭11等研究发现，地下水流速是影响地埋管换热器传热系数的主要因素。喀斯特地貌有利于地源热泵地埋管换热系统的传热；但会导致施工难度及施工成本增加，进一步影响施工工期，增加地源热泵钻孔与埋管的施工成本。4复合式地源热泵系统的经济性分析工程所在地属于夏热冬冷地区，设置空气源热泵+离心式冷水机组组成的空调系统和复合式地源热泵空调系统两种方案，从系统初投资、年运行费用、回收期等方面对两种方案进行经济性分析。为了方便比较，方案1代表复合式地源热泵空调系统，方案2代表空气源热泵+离心式冷水机组空调系统。4.1经济技术评价方法中的主要经济参数（1）初投资：指制冷、供暖与供生活热水3个子系统各部分投资之和，包括土建费、设备购置费、安装费、设计费、监理费和不可预见费在内的其他费用12-13。（2）年运行费用：指系统各部分的运行费，如水费、电费、燃料费；管理人员工资、管理费；排污费、设备折旧费和设备维修、大修费等。（3）费用现值法(Present Cost，PC)将各方案的投资及费用换算成与其等值的现值之和，以费用最小为准则决定方案取舍。PC=t=0n(CO)t(1+ic)-t(1)式中：PC费用现值，万元；CO每年的现金流出，万元；ic基准收益率，取 8%；t时间，年；n方案寿命年限，年。（4）费用年值法(Annual Cost，AC)将各方案寿命周期内的总费用换算成费用的等额年值，并以费用年值最小的方案为最优方案。AC=PC(A/P,ic,n)(2)式中：AC费用年值，万元；()A/P,ic,n复利系数；ic基准收益率，取8%。（5）动态追加投资回收期是考虑资金的时间因素时，利用年经营费节约补偿追加投资所需要的时间。设Pt为动态追加投资回收期，计算公式为：t=0Pt()ACI-ACOt(1+ic)-t=0(3)式中：(ACI-ACO)t第t年净现金流量，万元。t=0时，ACI=0，ACO为方案1多出方案2的初投资；t=1，2，3时，ACI为第t年方案1相比方案2节省的年运行费用，ACO=0。4.2初投资比较根据当地可再生能源建筑应用专项资金管理暂行办法，工程可以申请2550元/m2的补助。本工程可以申请补助430.8万元。方案初投资费用比较如表1所示。由表1可知，方案1初投资为3 538.3万元，单位造价为410.6元/m2，比方案2初投资高出972.2万元，单位造价高出112.8元/m2。与方案2相比，地埋管费用占比为49.8%；方案1地埋管费用占比为36.1%；地埋管费用为方案1主机费用的1.73倍。因此，在喀斯特地貌地质下，地源热泵地埋管费用会严重影响其经济性及回收期。4.3年运行费用比较空调夏季运行5个月，冬季运行3个月，每月运行表1方案初投资费用比较/万元项目主机费水泵等其他设备费主机房安装费室内末端费用地埋管费用政府补贴合计方案17401402601 551.11 278430.83 538.3方案26151402601 551.1002 566.1问题探讨83NO.05 2023节能 ENERGY CONSERVATION30 d，12 h/d，电价0.890 5元/kWh。方案1和方案2的寿命期为20年。方案2夏季制冷时，冷水机组承担冷量为3 782.7 kW，空气源热泵承担冷量为6 197.6 kW。能耗计算中采用季节平均运行系数估计系统夏季和冬季运行的平均能效比，得出方案1比方案2能耗费用节约37.7%。年能耗费用R为：R=QCOPhCf(4)式中：R能耗费用，元；Q冬夏季运行工况下供暖、制冷负荷，kW；h运行时间，h；C电价，元/kWh；f平均制冷/供暖运行系数。其他运行费用包括人工管理费、维修维护费、排污费等。方案1的人工管理费为7.2万元，维修、维护及排污费为40万元；方案2的人工管理费为14.4万元，维修、维护及排污费为60万元。年能耗费计算比较如表2所示。年运行费用比较如表3所示。方案1年运行费用比方案2节省188.6万元，节能率高达37.7%。4.4主要经济参数计算方案1和方案2的寿命周期为20年，基准收益率ic取8%，初投资为T，运行费用为M。查文献得(A/P,ic,n)=0.101 85，(P/A,ic,n)=9.818 1。根据式(1)和(2)计算得：PC方案1=T+M(P/A,ic,n)=7 063.8万元；PC方案2=T+M(P/A,ic,n)=8 210.1万元；AC方案1=719.4万元；AC方案2=836.2万元。t=0时，ACI=0，ACO为972.2万元；t=1，2，3时，ACI为215.8万元，ACO=0。根据式(3)得Pt为5.8年。综合费用比较如表4所示。方案1年运行费用为359.1万元，方案2年运行费用为574.8万元；方案1在整个寿命期内的费用现值为7 063.8万元，费用年值为719.4万元；而方案2费用现值为8 210.1万元，费用年值为836.2万元。5结语通过工程实例分析，在喀斯特地貌地质下，复合式地源热泵地埋管费用极大程度影响其经济性与回收期。与空气源热泵+冷水机组方案相比，复合式地源热泵地埋管费用占比高达49.8%；但从年运行费用方面分析，复合式地源热泵空调系统每年节省215.8万元，节能率高达37.7%。因此，可以在该地貌地质下推广节能环保的地源热泵技术，未来还应提高地埋管关键施工技术的开发与研究，降低其施工成本。参考文献1 姚杨，马最良.浅议“热泵”定义 J.暖通空调，2002（3）：33.2 刘东，陈沛霖，张旭.地源热泵的特性研究 J.流体机械，2001（7）：42-45.3 马最良，吕悦.地源热泵系统设计与应用技术 M.北京：机械工业出版社，2013.4 GB 503662005，地源热泵系统工程技术规范 S.5 胡金强，陈建萍，范键兵.某大型公共建筑复合式地源热泵热物性测试及方案设计 J.制冷技术，2015（4）：63-67.6 胡金强.地源热泵系统热平衡分析及其在大型公共建筑中的应用 J.制冷技术，2015（6）：71-74.7 Yuan D X，Zhu D H，Wang J T，et al.Karst of China M.Beijin：Geological Publication House，1991.8 Zhu X W，Guilin KM.Shanghai：Shanghai scientific&technical publishers，1988.9 Zhu X W，Zhang Y H.Cane development and its systematic evolution in an underground river system J.Carsologica Sinica，1996，15（1/2）：157-166.10 刘金荣，袁道先，梁耀成，等.桂林热带岩溶地貌特点及其科学价值J.中国岩溶，2001，20（2）：137-138.11 陈旭，范蕊，龙惟定，等.竖直地埋管单位井深换热量影响因素回归分析 J.制冷学报，2010，31（2）：11-16.12 李新国，赵军，朱强.地源热泵供暖空调的经济性 J.太阳能学报，2001，22（4）：418-421.13 管昌生，门小静.地源热泵系统动态经济性分析 J.节能，2009，28（9）：46-48.表2年能耗费计算比较项目制冷工况供暖工况年能耗费合计/万元差值/万元节约费用比例/%制冷负荷/kW制冷时间/h平均制冷运行系数/%制冷系数制冷季费用/万元供热负荷/kW冬季运行时间/h平均供热运行系数/%供热系数供暖季费用/万元方案19 980.31 800604.7218.156 497.61 08060493.74311.88188.5837.7方案29 980.31 800605.2/2.9275.496 497.61 080902.5224.96500.46表4综合费用比较项目初投资/万元年运行费用合计/万元寿命期内费用现值/万元寿命期内费用年值/万元动态追加投资回收期/a方案13 538.3359.17 063.8719.45.8方案22 566.1574.88 210.1836.2表3年运行费用比较/万元项目能耗费（电费）其他运行费年运行费用合计年运行费用差额方案1311.8847.2359.08215.78方案2500.4674.4574.86