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 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（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 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