地下水源热泵系统运行的技术经济分析

地下水源热泵系统运行的技术经济分析
摘要：地下水源热泵系统作为一种新型的可再生能源利用技术，其应用和发展具有广阔的前景。

本文对地下水源热泵的原理和形式作了详细的介绍，并从地下水源热泵系统的性能系数、节能性和环保性方面阐述了水源热泵系统的优越性。

同时本文采用费用年值法对地下水源热泵系统进行了技术经济分析，得出地下水源热泵系统经济方面的可行性。

关键字：地下水源热泵；性能系数；节能性；环保性；经济
1引言
随着热泵技术的长足发展和逐步完善,许多原先不曾考虑或者认为根本不可能的低位环境冷热源开始被越来越多的工程技术人员和专家学者所注意,例如城市污水、海水、地表江河湖水、地下水等等[1]。

地下水作为一种新的可再生能源，其研究和发展不容小觑。

2地下水源热泵系统的简介
2．1地下水源热泵系统的工作原理
地下水源热泵系统是以地下水作为冷热能的载体，将地下水中和赋存地下水的土壤中的冷热能从地下提取出来，作为热泵机组的换热器的冷热源。

在冬季利用热泵吸取地下水中的热量向建筑物供暖；在夏季热泵吸取地下水中的冷量向建筑物供冷。

传统的空调系统需要有冷源和热源，而水源热泵系统包括地下水源热泵系统，只需通过改变地下水或其它的水源进入热泵机组不同的换热器（蒸发器和冷凝器）来达到一套系统即可供热又可供冷的目的。

2．2地下水源热泵系统的分类
根据地下水与热泵机组之间有无换热器，将地下水源热泵系统分为开式系统和闭式系统。

开式地下水源热泵系统是地下水与每台热泵机组直接换热。

由于可能导致管路阻塞和腐蚀，不建议采用开式地下水源热泵系统。

闭式地下水源热泵系统是地下水与热泵机组热源侧循环水通过板式换热器换热。

我们调查的沈阳市地下水源热泵系统均采用开式系统。

3地下水源热泵系统的优越性
3.1 地下水源热泵系统的性能系数
冬季气温在0℃以下时,甚至最冷的时候，地下水仍可保持10℃左右,夏季气温在30℃以上时,仍可保持25℃左右,一年四季比较稳定。

不像空气源热泵受环境温度影响较大,在夏季,当室外温度达到40℃时,由于换热效率的降低,冷量将下降20%~40%;在冬季,当室外温度下降到-10℃时,供热量将下降到15%~30%,而且要
反复地冲霜来保证机组的正常运行。

同时,由于水的比热容比空气高,其热交换效率也高。

因此地下水源热泵的制热性能系数要高于空气源热泵的制热性能系数。

经实测,机组在热泵工况下,蒸发温度为10℃,冷凝温度为65℃时,制热量为178.1KW,电机输入功率为59KW,供热性能系数达3.02[2]。

3.2 地下水源热泵系统的节能性
冬季地下水温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。

而夏季地下水温度比环境空气温度低，制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率提高。

因此，与空气源热泵空调系统相比地下水源热泵系统具有良好的节能效果。

3.3 地下水源热泵系统的环保性
由于地下水源热泵机组一般使用电能，电能本身为一种清洁的能源，所以运行不产生污染物，对使用热泵地方的环境没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。

我国的电能主要是由燃煤火力发电提供，发电时消耗一次能源必然产生和排放污染物和温室气体二氧化碳。

消耗电能本身虽然不产生污染物，但发电造成的污染必须考虑的。

热泵系统的能源利用效率高，少消耗电能，也就少向环境排放了污染物，对全球的环境保护有积极的意义。

4 地下水源热泵系统的经济性
4.1 计算的初始信息
4.1.1 计算对象
选择沈阳市一建成投入使用的住宅为计算对象，供暖最大热负荷取70 W/m2,空调最大冷负荷取60 W/m2。

4.1.2 气象参数
冬季采暖室外计算温度：-19℃；夏季通风室外计算温度：28℃；冬季通风室外计算温度：-12℃；夏季通风室外平均风速：2.9 m/s；冬季通风室外平均风速：3.1m/s,夏季空调室外计算温度：31.4℃；夏季大气压：100.07kPa, 冬季大气压：102.08kPa[3]。

4.2 经济评价方法和各方案的经济评价
4.2.1 经济评价方法
由于本文选定的各个方案具有不同的寿命周期，所以本文采用费用年值法对各个采暖系统进行经济性评价比较。

计算公式如下：
(4-1)
式中：Ac——费用年值，元；
Ci——初投资，元；
Ck——年运行费用，元；
n——使用年限, 年；
i——回收系数，取10%。

该方法以系统的年度费用为判别依据，年度费用最低方案即为最优设计方案。

由于该方法概念明确计算方法通用简便，因此，在实际工作中得到了普遍的应用。

4.2.2 各方案的费用年值比较
初投资和年运行成本是两种不同性质的投资费用，仅仅一个方面是不能评判一个方案的优劣的。

而费用年值是两个方案的结合，因此需要采用费用年值法比较各个方案的。

费用年值最小的方案即为最佳方案。

各个方案的费用年值计算结果进行比较如图4、图5所示：
图4 各个方案的费用年值比较图
图5 各个方案单位建筑面积的费用年值比较图
分析图4、图5，可以得出在这几种方案中，燃煤锅炉+冷水机组+户用热水器系统的费用年值最小，所以是该测试点工程的最佳方案。

地下水源热泵空调系统费用年值287.71万元，单位建筑面积费用年值41.69元/m2，与燃煤锅炉+冷水机组+户用热水器系统相比高出6.68%，但与燃油锅炉+冷水机组+户用热水器、燃气锅炉+冷水机组+户用热水器系统相比，有一定的优势，费用年值分别比它们节省46.52%，36.28%的费用。

5结论
l)地下水源热泵与传统空调相比,具有性能系数高、节能和环保的优点。

2)从经济性上分析，地下水源热泵供暖系统的运行费用为四种方案中最低的，但是其年费用值仍然高于燃煤锅炉供暖+冷水机组+户用热水器系统，却低于燃油锅炉和燃气锅炉供暖+冷水机组+户用热水器系统系统，主要原因是由于地下水源热泵供暖系统所需的热泵机组购置费高，很大程度增加了其成本。

3)在地下水源比较丰富的地区，建议采用地下水源热泵系统。

参考文献
[1]孙德兴,吴荣华,张承虎,刘志斌.开发水源技术解决热泵发展的瓶颈问题〔J〕.中国勘察设计,2006,21(5):30-32.
[2]吕灿仁,杨昭,马一太等利用变电站废热的热泵系统开发研究及其效益分析制冷技术，1992，（1）
[3] 采暖通风与空气调节设计规范(GB50019一2003)[s]
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。