基于案例比较的地源热泵技术经济性分析

＠筑节能Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓａｖｉｎｇ＿『１　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　基于案例比较的地源热泵技术经济性分析　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｅｃｏｎｏｍｙ　Ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　Ｇｒｏｕｎｄ　Ｓｏｕｒｃｅ　Ｈｅａｔ　ＰＵｍｐ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｃａｓｅ　Ｓｔｕｄｙ　

周丹’史伟力　（１．上海建科造价咨询有限公司，上海２０００３２；２．天津大学管理与经济学部，天津３０００７２）　

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。　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　中圈分类号：ＴＵ５０　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７４—８１４Ｘ（２０１４）０１—５８—０５　

１概述　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＠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　Ｉ＇ＳｌＥ　Ｉ￣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。　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￣ｇＶＲＶ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　

５８绿色建筑　２０１４年第１期　

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。　

２地源热泵系统的基本原理和应用　２．１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。　２．２组成系统的主要设备　如图１所示，地源热泵系统主要分为：地下管路换热系　统、热泵工质循环系统以及室内空调管路系统等３个系统；　由：①地下水循环泵、②冷凝器、⑨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。　ｈ　《　

圈１地源热泵系统组成示意圈　夏季，地源热泵依靠⑤蒸发器蒸发吸收室内空调管路系　

Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓａｖｉｎｇ　ｉｎ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ＠筑节能　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　统（⑥风机盘管）的热量，通过循环液流动，将热量带到②冷　基本情况。　表１地牖热泵系统和普通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　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　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。　面积　虑埋管的空间

。　运行　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　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　效率　热效果优良，从而运行效率高效稳定。　稳定

、低下。　

除霜　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　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　处理　上，故埋地换热器不会结霜，无需除霜处理，节省了能源。　的阻碍。所以需要定时作化霜处理，浪费了能源。　运行　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　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　本不受室外温度影响，Ｉ％ＶＲＶ空调系统节能３０％左右，从而节省了部分运　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　费用　行费用。　源热泵３Ｏ％左右。　环保　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　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　舒适　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　气体排放

，存在冷热风扰民，热岛效应，破坏生态环境等问题。　性　不会对环境造成破坏

。　安装　安装上己较为复杂，埋管对地下环境有一定要求，工程量较大，初期投资　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　与启　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　行的速度较快

，能在短时间内达到预想的制冷效果。　动　果

。　

４基于工程实例的地源热泵技术经济分析　４．１项目概况以及设备配置情况　现有华东地区４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　Ａ　Ｂ　Ｃ　Ｄ　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　主要机　定压装置１台　组设备　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　

堡　筑５９　２０１４年第１期　＠筑节能Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓａｖｉｎｇ　ｉｎ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　４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　Ａ　Ｂ　Ｃ　Ｄ　总建筑面积，ｍ　２２　７００　１２６　９００　２３　７１４．８４　１０　２３０　空调使用面积，地上面积，ｍ　１３１５Ｏ　９４　４１１　２２１２１　７　２１３　主要设备购置费用／元　５　３２０　０００　２７　０２４　０００　６　５００　０００　９０６　０００　可调节空调末端购置费用，元　８１０　０００　４１７０　０００　１　４２９　６６０　６６０　０００　建筑安装工程费用／元　２　２８７　６００　８　８００　０００　５　５００　０００　４６９　７７０　总计／元　８　４１７　６００　３９　９９４　０００　１３４２９　６６０　２　０３５　７７０　基于空调使用面积的造价指标／元，ｎ１　６４０　４２４　６０７　２８２　基于项目总建筑面积的造价指标／元，ｍ　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　ｆｌ，０２８％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。　

７　ｌ　ｌ　，Ｉ　—　Ｌ　ｉ　

…　…一　…～一Ｌ　ｌ　｝　ｔｐ　ｏ￡　ｊ　ｉ　

ｉＩ　ｌ　—～～…～——一Ｌ　——　—’————　—　———’——一一一—　————一—ｉ————一～——　一　

０　２００００　４００００　６００００　８００００　１　０００００　空调使用面积，ｍ　

圈２地源热泵氆价与空澜使用面　之间的天系示意图　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。　４．２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ｍ　左右，空　调系统规模相当，因此具有可比性。项目Ｃ￣ｌ：ｌＥ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４所示。　６０绿色建筑．　２０１４年第１期　表４地源热泵空调系统与普通ＶＲＶ空调基本惝况一览耒　项目　Ｃ　Ｅ　总建筑面积，ｍ　２３　７１５　２１　９３９　空调使用面积／地上面积　／ｍ　２２１２１　２１　７１１　机房占地面积小，设置　占地面积小，电负荷较　设备占地面积情况　大，制冷效果受气候影　于地下室　响多　设备寿命／年　２Ｏ～２５　７～１Ｏ　年均维护维修成本　１ＯＯ元　５Ｏ元　没有危险，安全监控全　没有危险，安全监控全　安全性能　智能化，需一套人员即　智能化，需一套人员即　可管理　可管理　设计冷负荷　３４４２ｋＷ　３　５１８ｋＷ　设计热负荷　２　２７７ｋＷ　２　０３８ｋＷ　（１）初期投资对比见表５。　砉５地源热象空澜系统与蔷通ＶＲＶ空涸系境初期　瓷对比表　项目　Ｃ　Ｅ　总建筑面积／ｍ　２３　７１５　２１　９３９　空调使用面，ｆ－ＰＪ地上面积／ｍ　２２１２１　２１　７１１　机组主要设备购置费用／元　６　５００　ＯＯＯ　３　２７８２１８　可调节空调末端及阀门风管等购置费用／元　１　４２９　６６０　５１４　Ｏ６１　建筑安装工程费用，元　５　５００　０００　１　４９３　４００　初期投资费用，元　１３　４２９　６６０　５　２８５　６８０　空调使用面积的平方米初期投资额／（元／ｍ　）　６０７　２４３　单位：　８００　６００　４００　２００　Ｏ　ＩＣ项目每平米造价●Ｅ项目每平米造价　每平方米　每平方米其　每平方米建　每平方米　主要设备　他主要设备　筑安装工程　总价　购置费用　购置费用　费用　图３地滁热象空调系统与蔷灏ＶＲＶ空调初期投曩　比圈　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