2022年基于案例的地源热泵空调系统技术经济分析.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 基于案例比较地地源热泵技术经济性分析摘要：地源热泵系统在能源节约、环境爱护方面有很好地后评估结果,能够有效缓解建筑能耗过高地情形,在工程中特别值得应用和推广.本文选取某地源热泵工程与某同等规模VRV 系统工程,在每平方M 初期投资、每平方M 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：由于主要设备地技术水平高、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修理、更新费用,因而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

2、述1、当今环境、能源问题与地源热泵进展应用状况近年来,传统基础性能源在全球范畴内开头出现出日益枯竭地态势,同时,我国地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地 25%以上,并且相伴着发达国家推行绿色建筑地热潮、来,建筑节能更加成为优化能源结构地重心 它所采纳地新能源、新技术都备受瞩目“可再生能源 ” 地争论和进展、低碳经济时代地到 .暖通空调作为建筑节能领域地重点关注对象,.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地低温位热能和蓄热性能地一种热泵系统,在我国建筑行业对地源热泵技术地开发和应用仍在起步阶段,在许多大

3、型工程中得以实施,对其经济效益和系统后评估地争论显得特别有现实意义 .2、本文争论内容和争论方法通过对公建工程地源热泵空调系统案例地争论,将地源热泵地主要设备、优势和特性结合实际工程技术方面地问题进行描述,对地源热泵系统地经济性进行争论和分析,在初期投资和年运行费用两个方面与常规地 地技术经济效益 .VRV 空调系统进行比较,全面地描述地源热泵系统主要争论方法：通过建设工程实际数据地有效运算,选取案例工程初期建安投资、运 行阶段费用、环保性能等几个重点方面作为评判对象,对其功能指数、成本指数进行计 算,进而形成指标性分析,以此来评判不同冷热源方案地综合技术经济性能 .二、地源热泵系统地基本原理

4、和应用1、运行原理地源热泵是利用地下地地热资源,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地绿色空调系统.它是一个较为广泛地概念,依据利用地热源地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地土壤源地源热泵地基本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,将热泵地换热器埋于地下,以循环液等作为换热介质在封闭地下埋管中循环流淌,从而实现土壤源地源热泵名师归纳总结 系统与大地之间地热量交换,将不能直接使用地低位热能转换为有用热能.在冬季供热时,第 1 页,共 12 页- - - - -

5、- -精选学习资料 - - - - - - - - - 循环液从地下猎取热量,予以室内采暖；在夏季制冷时,循环液把室内地热量带走,释放到地下岩体中 .理论争论与实际试验均说明,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供应了稳固牢靠地能量来源 .2、组成系统地主要设备图 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

6、发器蒸发吸取室内空调管路系统（6.风机盘管）地热量,通过循环液流淌,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地循环液吸取热量,继而将热量送至地下埋管四周温度较低地土壤中,把热量储存在土壤中,供冬季采暖使用 .冬季采暖时,通过热泵系统中地换向阀,将储存在土壤中地热量,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地采暖制冷过程中,爱护了土壤源热量地平稳,减免了对环境地损害 .地埋管系统是地源热泵与土壤进行热量交换和传导地重要装置,一般选用聚乙烯塑料盘管 .我国地地源热泵埋管主要分为：水平埋管和垂直埋管.水平埋管热泵系统地优点是施工便利、造

7、价低,缺点是换热器传热地成效差,受地面温度波动地影响较大,热泵运行不稳,占地面积也较大 .垂直埋管热泵系统地优点是占地面积小,热交换成效良好,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 空调系统地对比表 1 简要地比较了地源热泵系统和一般VRV 空调系统地基本情形：表 1 地源热泵系统和一般 VRV 空调系统综合对比表类型 地源热泵系统 一般 VRV 空调系统主机体积小,占地面积小,设置敏捷,主机体积大,需要考虑室外机排气畅通占地面积 可设在地下空间或楼梯间 .但需要考虑 等问题,设置死板固定 .埋管地空间 .名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共

8、12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 与外界地换热介质是大地,大地浅层温 度恒定,基本不受外界环境影响,换热空气作为空调系统地冷却介质温度地波 动范畴较大,导致冷凝、蒸发温度不能运行效率成效优良,从而运行效率高效稳固.保持稳固,所以,会造成能源地铺张,换热成效也受其影响,运行效率不稳 定、低下 .除霜处理换热介质埋于地下.土壤温度一年四季在冬季供热时,室外机由于吸热,导致相对恒定,冬季也能保持 在15 以水蒸气受冷凝聚成霜,造成空气流通地上,故埋地换热器不会结霜,无需除霜阻碍 .所以需要定时作化霜处理,铺张运行费用处理,节约了能源.了能源 .理论上,无论制冷制热地能效（CO

9、P）采纳风冷热泵,部分荷载能效比高,全都高于传统地空调,系统运行稳固,基负荷能效比低,冬季随着室外气温降本不受室外温度影响,比VRV 空调系低,系统由于结霜等缘由导致制热才能环保舒服统节能30%左右,从而节约了部分运逐步下降 .总地运行费用也会高于地源行费用 .热泵 30%左右 .室内采纳水系统,舒服性良好；制冷剂室内采纳氟系统,舒服性一般,存在制不进入室内,排除了安全隐患；室外机冷剂对大气地污染隐患；室外机采纳气采纳水冷,没有排风扰民等问题.采纳体排放,存在冷热风扰民,热岛效应,性能源均是绿色、可再生能源,基本不会破坏生态环境等问题.安装与启对环境造成破坏.安装较为简洁,采纳技术也特别成熟,

10、安装工艺较为复杂,埋管对地下环境有肯定要求,工程量较大,初期投资高；初期地投资也相对较低；系统启动运行动系统启动运行地速度较慢,需要一段时地速度较快,能在短时间内达到预想地间才能达到预想地制冷制热成效.制冷成效 .三、基于工程实例地地源热泵技术经济分析1、工程简况以及设备配置情形现有华东地区四个公建工程,都采纳垂直埋管地土壤源地源热泵空调系统,其中 A、C、D 工程位于上海市,B 工程位于南京市,均为多层或高层商业用房,设备请况如表 2 所 示：表 2 案例工程地源热泵空调系统主要设备及简况表工程ABCD主 要 机风机盘管 229 台辐射盘管 27600m风机盘管 40 台风机盘管25 台方型

11、逆流式冷却塔闭式冷却塔 1 台开式冷却塔 2 台横流式冷却塔 1 台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螺杆式地源热泵机天棚地源热泵机组螺杆式地源热泵机2 台/常规地源热泵组 设 备组 2 台组 4 台机组 1 台/热水地源组 2 台螺杆式冷水机组 2螺杆式冷水机组 2热泵机组 1 台螺杆式冷水机组 2螺杆式冷水机组 2台台台台定压装置 1 台名师归纳总结 新风机组 14台新风机组 2 台新风机组 28 台新风机组10 台第 3 页,共 12 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 室内机 12 台室内机 28

12、 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板式换热器 1 台台/热水板式换热器1 台/冷却板式换热/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 台四个工程地建筑面积以及初期投资组成情形如表3：表 3 案例工程地源热泵空调系统初期投资组成表工程名称ABCD总建筑面积（ m2）2270012690023714.8410230空调使用面积 /地上面积1315094411 22121 7213（ m2）主要设备购置费用（元）5320000270240006500000906000可调

13、剂空调末端购置费用81000041700001429660660000（元）建筑安装工程费用（元）228760088000005500000469770总计（元）841760039994000134296602035770基于空调使用面积地造价640 424 607 282 指标（元 /m2）基于工程总建筑面积地造371 315 566 199 价指标（元 /m2）分析案例工程初期投资组成可知,地源热泵空调系统初期投资主要是机组设备地购置费用 .地源热泵机组和新风机组在总设备购置费用中占地比例最大,为 80%左右 .另外,由于地源热泵空调系统仍需要进行地埋管地铺设（钻孔,设置泥浆护壁等）,埋管

14、深度大,施工难度较高,这就导致地源热泵空调系统地土建费用也比较高,平均占总投资地 28%左右.本文使用 Excel 软件拟合地源热泵单方造价与工程空调使用面积之间地关系,如图 2 所示.名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 2 地源热泵造价与空调使用面积之间地关系示意图从该曲线可以看出,地源热泵地单位平方M 造价大体上随着建筑面积地增大而逐步降低,出现出肯定地规模效应 .由此可见,在大型地公共建筑工程中使用地源热泵空调系统,是比较经济合理地 .需要指出地是,本文案例数量较少,图 2 中地曲线虽然显示了肯定地拟合度能

15、够帮忙决策者懂得系统单方造价地基本规律,但依旧不具备很强地统计学意义 .2、经济指标对比分析为了更好地争论土壤源地源热泵空调系统地经济性,将其与一般VRV 空调系统进行经济性上地对比,本文选取上述案例工程C 和某使用传统空调系统地工程E 进行对比分析,两个工程均为多层办公楼,建筑面积在2 万平方 M 左右,空调系统规模相当,因此具有可比性.工程 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 .两个工程基本情形如表：表 4 地源热泵空调系统与一般VRV 空调基本情形一览表工程CE总建筑面积（ m2）2371521939空调使用面积 /

16、地上面积2212121711（m2）设备占地面积情形机房占地面积小,设置于地下占地面积小,电负荷较大,制室冷成效受气候影响多设备寿命（年）20-257-10年均爱护修理成本100 元50 元安全性能没有危急,安全监控全智能没有危急,安全监控全智能化,需一套人员即可治理化,需一套人员即可治理设计冷负荷3442kW3518kW设计热负荷2277kW2038kW（i ）初期投资对比表 5 地源热泵空调系统与一般VRV 空调系统初期投资对比表名师归纳总结 工程CE第 5 页,共 12 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 总建筑面积（ m2）23715 2193

17、9 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 可调剂空调末端及阀门风管等购1429660 514061 置费用（元）建筑安装工程费用（元）5500000 1493400 初期投资费用（元）13429660 5285680 空调使用面积地平方M 初期投资607 243 额（元 /m2图 3 地源热泵空调系统与一般VRV 空调初期投资对比图如图 3 所示,从所选工程 C、E 地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、建安工程费等方面地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

18、方 M 造价指标比一般 VRV 空调系统高出 149.36%.其中主要地差距来自主要设备购置费和建安工程费,按每平 M 指标运算分别比单一般 VRV 空调系统高出 94.60%和 261.46%.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地初期投资偏高 .短期来看,一般 VRV 空调系统在工程中地应用更简洁为投资者所接受 .（ii ） 运营期能耗以及费用对比运营阶段地能耗运算科学评估空调机组地运行能耗和运行费用,既要考虑满负荷地效率,更要考虑部分负荷效率 .机组运行满负荷时间不到2%, 98%地时间是部分负荷运行.美国制冷空调学会（ARI ）为了科学评估空调机组

19、地综合效率,提出了一种被广泛接受地评估方法,即机组综合部分负荷性能指标（NPLV ）：将机组地运行负荷分为100%,75%,50%和 25%,根据不同地区气候特点,各分段有特定地时长 耗费用更科学,也更接近实际 .依据机组全年在不同负荷比例下运行来运算能名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 依据夏热冬冷地区地情形特点,本文地案例争论中依据夏季150 天运行,冬季120 天运行 1 ,运算运营阶段所消耗地电量 .部分负荷下地耗电量如表 6 和 7 所示,其中机组和水泵耗电量是依据表 2 中实际使用地设备情形运算得来：表

20、6 地源热泵机组夏季部分负荷下耗电量负荷特性100%75%50%25%夏季冷负荷3442 2582 1721 861 （KW ）机组耗电量487 365 244 122 （KW ）水泵耗电量146 146 97 49 （KW ）表 7 地源热泵机组冬季部分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 运行费用运算见表 8 和 9,假设工程每天白天开机 8 小时,按上海市商业电价分时段计价价格,取白天平均值 1.019 元/KW h

21、,负荷平均加权百分数为 0.7：表 8 地源热泵夏季工况耗电量运算表名师归纳总结 季节运算工程运算公式运算结果第 7 页,共 12 页夏季8%地时间负荷为100%487*150*8*0.0846752 地源热泵机32%地时间负荷为75%365*150*8*0.32140160 组（ KWh）30%地时间负荷为50%244*150*8*0.387840 30%地时间负荷为25%122*150*8*0.343920 机组耗电量合计（KWh）318672 水泵耗电量（ KWh）146*150*8*0.08+146*15122460 0*8*0.32+97*150*8*0.3+系统总耗电量（KWh）4

22、9*150*8*0.3441132 耗电费用（元）441132*1.019*0.7314659 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 耗电指标（空调使用面积）元/m2314659 2212114.22 表 9 地源热泵冬季工况耗电量运算表季节运算工程运算公式运算结果 41626 125030 78048 39168 283872 98112 381984 272469 12.32 8%地时间负荷为100%542*120*8*0.08地源热泵机32%地时间负荷为75%407*120*8*0.32组（ KWh）30%地时间负荷为50%271*120*8*0.3

23、30%地时间负荷为25%136*120*8*0.3机组耗电量合计（KWh）冬季146*120*8*0.08+146*12水泵耗电量（ KWh）0*8*0.32+97*120*8*0.3+49*120*8*0.3系统总耗电量（KWh）耗电费用（元）381984*1.019*0.7耗电指标（空调使用面积）元/m2272469 22121同理梳理 E 工程数据,一般VRV 空调运行能耗运算如表1013：表 10 VRV 空调机组夏季部分负荷下耗电量负荷特性100%75%50%25%夏季冷负荷3518 2639 1759 880 （KW ）机组耗电量650 488 325 163 （KW ）表 11

24、VRV 空调机组冬季部分负荷下耗电量负荷特性100%75%50%25%冬季热负荷2038 1529 1019 510 （KW ）机组耗电量650 488 325 163 （KW ）表 12 VRV 空调夏季运行阶段耗电量名师归纳总结 季节VRV 空调机运算工程100%运算公式运算结果第 8 页,共 12 页8%地时间负荷为650*150*8*0.0862400 夏季组32%地时间负荷为75%488*150*8*0.32187392 （KWh）30%地时间负荷为50%325*150*8*0.3117000 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 30%地时间负

25、荷为25%163*150*8*0.358680 机组耗电量合计（KWh）/m2425472*1.019425472 耗电费用（元）433556 耗电指标（空调使用面积）元433556 2171119.97 表 13 VRV 空调冬季运行阶段耗电量季节运算工程运算公式运算结果冬季8%地时间负荷为100%650*120*8*0.0849920 VRV 空调机32%地时间负荷为75%488*120*8*0.32188641 组325*120*8*0.393600 （KWh）30%地时间负荷为50%30%地时间负荷为25%163*120*8*0.346944 机组耗电量合计（KWh）379105*1.

26、019379105 耗电费用（元）386308 耗电指标（空调使用面积）元/m2386308 2171117.79 运营阶段地其他费用运算运营阶段除了能耗分析之外,仍应考虑设备地修理费用.修理费主要包括：材料费、修理人员工资、平常修理保养费等 .对修理地主要是机组、空气处理机、循环泵、附属设备及管道.修理费地运算取折旧费地 30%,折旧费采纳直线折旧法,设备残值按设备购置费地 5%运算 .就运算结果如表 14 所示：表 14 地源热泵空调系统和一般VRV 空调系统修理费对比表工程CE设备使用年限2010年折旧费282625302556修理费 /元84787.590766.8修理费指标 /元/m

27、23.354.12此外仍有其他一些费用：主要包括治理费、排污费、人工费等,取固定资产地 0.75%2 ,如表 15.表 15 地源热泵空调系统和一般VRV 空调系统其他费对比表名师归纳总结 工程C16：E第 9 页,共 12 页其他费用45517.519108.8其他费用指标 /元/m21.80.87综上所述,对运营阶段所产生地费用进行汇总,如表- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 表 16 地源热泵空调系统与一般VRV 空调系统运营阶段费用投资对比表工程CE运行电费（元）587128819754修理费用（元）84787.590766.8其他费用（元）45

28、517.519108.8运行费用（元）717433929629.6每平方 M 运行电费（元 /m2）26.5437.76每平方 M 修理费用（元 /m2）3.834.18每平方 M 其他费用（元 /m2）2.060.88每平方 M 运行总费用（元/m2）32.4342.82图 4 地源热泵空调系统与一般VRV 空调系统运营阶段费用投资对比图将工程 C 与工程 E 地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 空调系统地比地源热泵空调系统高出 42.26%.另外在年修理费用上,地源热泵空调系统相比一般 VRV 空调系统,每年可节约 1.44 元/m2.因

29、此地源热泵空调系统在运行期地总费用要显著低于一般 VRV 空调系统,工程 C 年运行费用要比工程 E 节约21.2 万元 .（iii ） 经济型指标地处理费用年值是评判方案地标准之一,能综合考虑在不同条件下初期投资和年运行费用地综合情形,费用年值最小地方案即是正确方案.采纳回收公式将所选取地两个工程地初期投资等额折算到每年,并与该年地运行费用求和,即可得到工程地费用年值 .费用年值运算公式：名师归纳总结 AcCii 1iin1Ck第 10 页,共 12 页1n- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - Ac 每平方 M 费用年值,元 /m2 Ci 每平方 M 初

30、期投资,元 /m2Ck 每平方 M 年运行费用,元 /m2 i 回收系数,取 10% n 使用年限, 20 年 表 17 两方案地费用年值对比表工程CE增幅比例每平方 M 运行费用（元 /m2）32.4342.8232.04%每平方 M 初期投资费用年值98.7739.55149.73%（元 /m2）每平方 M 费用年值（元 /m2）131.282.3759.28%每平方 M 年运行费用与每平5.34%17.59%229.26%方 M 初期投资比例每平方 M 年运行费用与每平方 M 初期投资费用年值地比32.83%108.27%229.75%例地源热泵工程和VRV 系统工程地费用年值运算结果如

31、表17.从纵向对比来看,地源热泵空调系统地单位建筑面初期投资部分占了单位建筑面总费用年值地很大比例,约为费用年 值地 75.28%,而地源热泵空调系统地单位建筑面积地运行费用仅仅是单位建筑面积地初期投资地5.34%,单位建筑面积初期投资费用年值地32.83%,说明白地源热泵系统初期投资地大额性与运行费用地经济性；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地约 48.02%,是单位建筑面积初期投资地 17.59%,单位建筑面积初期投资费用年值地 108.27%,反应了一般 VRV 空调系统初期投资比较经济合理,但是运行费偏高 .从横向对比来看,一般VRV 空调系统地单

32、位建筑面积运行费用比地源热泵空调系统高出 32.04%,但是单位建筑面积地费用年值也比地源热泵空调系统低 59.28%,而地源热泵空调系统地单位建筑面积初期投资费用年值要比一般 VRV 空调系统高 149.43%.从截取地工程运行前 10 年地情形来看,如表 18,地源热泵空调系统地经济性不如一般 VRV 空调系统,主要是由于地源热泵空调系统初期投资过高.但从长远地角度来看,随着电价地逐步提高,以及地源热泵技术逐步成熟导致地初期投资降低,地源热泵地经济性可能会优于 VRV空调系统 .另一方面,考虑到地源热泵空调地寿命长于 设备更新地投资地源热泵要低于 VRV 系统 .VRV 空调系统,建筑物使

33、用寿命内表 18 两方案每年费用对比表名师归纳总结 C年份012345678910第 11 页,共 12 页静态指标60732.4332.4332.4332.4332.4332.4332.4332.4332.4332.43E静态指标24342.8242.8242.8242.8242.8242.8242.8242.8242.8242.82C-E静态指标364-10.39 -10.39-10.39 -10.39-10.39-10.39-10.39-10.39-10.39-10.39C-E 累计静态指标364353.61 343.22 332.83 322.44 312.05301.66291.27

34、 280.88 270.49260.1- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - C动态指标60729.4826.824.3722.1520.1418.3116.6415.1313.7512.5E动态指标24338.9335.3932.1729.2526.5924.1721.9719.9818.16166.51C-E动态指标364-9.45-8.59-7.81-7.1-6.45-5.86-5.33-4.85-4.41-4.01C-E 累计动态指标364354.55 345.97 338.16 331.07 324.61318.75313.42 308.57 30

35、4.16300.16按表 18 运算可知：在不考虑资金地时间价值条件下,在6.01 年时,使用地源热泵工程地总费用就会小于一般 VRV 空调,到第 10 年,能够节约出 123.53 元/m2 地费用；在考虑资金地时间价值条件下,在 9.65 年时,使用地源热泵工程地总费用就会小于一般 VRV 空调,到第 10 年时,能够节约出 4.17 元/m2 地费用 .综上,在工程地全寿命周期内,地源热泵地财务评判是好于一般 VRV 空调地 .四、结论地源热泵系统虽然有较高初期投资金额和更为复杂地施工安装内容,但从运行阶段能耗以及对环境地影响,对可连续进展政策地响应等长远利益来看,地源热泵系统仍旧是特别值得应用推广地 .参考文献：1 索凤、何妨、赵淑娟. 地源热泵中心空调设计及运行费用分析J. 中国新技术新产品, 2022 年 2 月.名师归纳总结 2 孙晓光、林豹、王新北. 地源热泵工程技术与治理. 中国建筑工业出版社. 第 12 页,共 12 页- - - - - - -