某校區(qū)水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供暖經(jīng)濟(jì)性分析

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    摘要：本文針對東北某學(xué)院新校區(qū)的具體條件，給出其適用的水源熱泵系統(tǒng)形式，對其采用地下水水源熱泵進(jìn)行供暖的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，將地下水水源熱泵+風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用折算成供暖成本與傳統(tǒng)的燃煤區(qū)域鍋爐房+散熱器系統(tǒng)進(jìn)行了對比，得出了使用地源熱泵供暖也并非一定經(jīng)濟(jì)的結(jié)論，并提出了采用地下水源熱泵進(jìn)行供暖需要注意的一些問題。

    關(guān)鍵詞：地下水 水源熱泵 地源熱泵 供暖經(jīng)濟(jì)分析

    一、概況

    某學(xué)院新校區(qū)位于東北某市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)區(qū)內(nèi)，規(guī)劃用地3200畝，建筑面積60余萬平方米，分兩期實(shí)施。其中一期占地1600畝，建筑面積35萬平方米，包括教室、實(shí)驗(yàn)樓、圖書館、行政辦公樓等多種建筑。依照當(dāng)?shù)匾?guī)劃部門的意見，考慮環(huán)保要求，擬采用地下水水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供暖和供冷。地下水水源熱泵系統(tǒng)是地源熱泵系統(tǒng)中的一種，是以地下水作為冷熱源的供暖供冷系統(tǒng)。由于其環(huán)保性和節(jié)能性，近期在國內(nèi)外都得到了大力推廣和應(yīng)用。由于采用地下水水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供暖供冷在當(dāng)前沿是一項(xiàng)較新的技術(shù)，建筑方特委托我方對該工程采用水源熱泵系統(tǒng)的可行性進(jìn)行分析。本文重點(diǎn)介紹了對該工程采用地下水水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供暖的經(jīng)濟(jì)性。

    二、當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)狀況和能源狀況

    建設(shè)方委托當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)工程勘察院落對工程所在地進(jìn)行了實(shí)地勘查，并鉆控了觀察進(jìn)和試驗(yàn)井，對當(dāng)?shù)氐叵滤乃疁?，含水層分布，出水量以及回洪量等參?shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，給出了水文地質(zhì)報(bào)告和地下水水質(zhì)分析報(bào)告。根據(jù)上述報(bào)告，當(dāng)?shù)氐叵滤疁貫?.2-10℃，水質(zhì)較好，符合熱泵機(jī)組的用水要求；當(dāng)?shù)氐叵滤骄晗陆邓俾蕿?.18m/a，有效含水層平均厚度為34米；在適當(dāng)?shù)木涸O(shè)計(jì)下，建議采用Φ500的井管，在井深50米的情況下，每口井的出水量為5000m3/d，回灌水量為1800m3/d。

    由于該校區(qū)所在地市政設(shè)施沿不完善，熱力管網(wǎng)和燃?xì)夤芫W(wǎng)均未敷設(shè)到位。能源主要以煤礦和電為主，除地?zé)崮芡猓瑆*現(xiàn)實(shí)和被允許的供暖方式只有采用區(qū)域鍋爐房+散熱器的方式。

    根據(jù)甲方提供數(shù)據(jù)，該地區(qū)電價(jià)按照0.69元/度計(jì)算，燃煤按照250元/噸計(jì)算，暫不執(zhí)行分時(shí)電價(jià)政策。

    三、地下水水源熱泵系統(tǒng)的確定

    就地下水的運(yùn)行方式而言，地下水水源熱泵系統(tǒng)分為兩種，一種為直接式系統(tǒng)，另一種則為間接式系統(tǒng)，它們的區(qū)別主要在于地下水是直接引入熱泵機(jī)組還是地下水不直接進(jìn)入機(jī)組，而是通過板式換熱器通過小溫差換熱的方式運(yùn)行將熱量傳遞給熱泵機(jī)組。直接式系統(tǒng)能讓地下水的熱量得到充分利用，但地下水的品質(zhì)直接影響到水源熱泵機(jī)組的壽命；間接式系統(tǒng)雖然可以用廉價(jià)的板式換熱器保護(hù)了昂貴的水源熱泵機(jī)組，但由于存在換熱溫差，不能充分利用地下水熱量和溫度。

    就系統(tǒng)末端裝置的形式而言，地下水水源熱泵系統(tǒng)又分為集中的大型水-水水源熱泵機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管和分散的水-空氣水源熱泵機(jī)組形式。從投資上看，大型水-水水源熱泵機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管的系統(tǒng)形式是一種更為集中的空調(diào)方式，國內(nèi)已有生產(chǎn)，由于機(jī)組較為集中。因此水源熱泵機(jī)組初投資較小，但熱泵機(jī)組需要在建筑中設(shè)置專用的機(jī)房，水-空氣水源熱泵系統(tǒng)相對分散，目前成熟產(chǎn)品主要為國外品牌，機(jī)組初投資略高；從運(yùn)行上來看，由于水水-水水源熱泵機(jī)組的能量調(diào)節(jié)只能分有限的級(jí)數(shù)進(jìn)行，而且要同時(shí)供冷熱就必須采用四管制，因此比較適合于作息時(shí)間比較統(tǒng)一，負(fù)荷比較一致的場合；水-空氣水源熱泵機(jī)組自帶溫控器，可以根據(jù)使用要求進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)節(jié)和運(yùn)行，還可以在兩管制的情況下實(shí)現(xiàn)四管制才有的同進(jìn)供暖供冷的功能，但由于壓縮機(jī)集成在機(jī)組內(nèi)部，有一定的噪音問題，因此比較適合作息時(shí)間多樣化且使用要求也比較多樣但噪音要求不太嚴(yán)格的商用和公用建筑。

    針對以上系統(tǒng)特點(diǎn)，如果本工程采用間接式系統(tǒng)，由于當(dāng)?shù)氐叵滤疁囟緝H有9℃左右，熱泵機(jī)組的出水溫度可能在3℃以下，為避免凍結(jié)的危險(xiǎn)有必要在循環(huán)水種添加防凍劑。由于當(dāng)?shù)氐叵滤蠠岜脵C(jī)組的用水要求，為避免循環(huán)水中添加防凍液，由此帶來的一系列的運(yùn)行、設(shè)計(jì)和管理難題，在做好除砂過濾和除氧防府工作（僅限于物理處理）的前提下，該系統(tǒng)采用直接式系統(tǒng)。同時(shí)，考慮到學(xué)校用房的作息時(shí)間和使用功能都比較單一，一般整棟建筑的使用都是同步的，且學(xué)校教室對噪音要求較嚴(yán)，同時(shí)綜合考慮造價(jià)因素，決定本工程選用直接式地下水水-水熱泵機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管（或空調(diào)箱）的系統(tǒng)形式。

    在上述系統(tǒng)形式下，計(jì)算得到供暖所需理論地下水流量為2874m3/h。根據(jù)水文地質(zhì)報(bào)告和的需水量，計(jì)算得到所需供水井為14眼，回灌井?dāng)?shù)量為38眼。z*終設(shè)計(jì)井群為：供水井17眼（含3眼備用井），回灌井43眼（含5眼備用井）。
    

    四、經(jīng)濟(jì)分析

    考慮以學(xué)校地處東北，供冷時(shí)間較短，且大部分時(shí)間處于長達(dá)兩個(gè)月的暑假期間，地下水水源熱泵系統(tǒng)的主要功能為供暖，供冷只是一項(xiàng)附加的功能，因此甲方z*迫切需要知道的是系統(tǒng)用于供暖的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)當(dāng)?shù)啬茉礂l件，以下主要就燃煤區(qū)域鍋爐房+散熱器系統(tǒng)和地下水水源熱泵+風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的供暖功能就整個(gè)35萬平方米的一期工程進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。   

　　?“集中供熱”歷年數(shù)據(jù)分析

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    1．初投資

    燃燒區(qū)域鍋爐房+散熱器系統(tǒng)和地下水水源熱泵+風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的初投資比較結(jié)果如圖一所示。

圖一系統(tǒng)初投資比較

  上述比較中，燃煤區(qū)域鍋爐房+散熱器系統(tǒng)整個(gè)校區(qū)統(tǒng)一設(shè)置一個(gè)區(qū)域鍋爐房，末端采用傳統(tǒng)的鑄鐵采暖散熱器，熱力管道直埋敷設(shè)，沒有包含熱力站和鍋爐房的土建費(fèi)用和其他當(dāng)?shù)匾?guī)定應(yīng)收限的費(fèi)用，如排放費(fèi)等。地下水水源熱泵+風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)平均5萬平爐左右設(shè)一個(gè)熱力（冷凍）站，共7個(gè)熱力站，末端裝置采用風(fēng)機(jī)盤管，有的建筑中還需要增加新風(fēng)機(jī)組，熱力管道直埋敷設(shè)，沒有包含熱力站和土建費(fèi)用和其他當(dāng)?shù)匾?guī)定應(yīng)收取的費(fèi)用，如水資源費(fèi)等。

    2．運(yùn)行費(fèi)用

    燃煤區(qū)域鍋爐房+散熱器系統(tǒng)和地下水水源熱泵+風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用比較結(jié)果如圖二所示，后者運(yùn)行費(fèi)用主要由電費(fèi)構(gòu)成。  

圖二 系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用比較

    上述比較中，燃煤區(qū)域鍋爐房+散熱器系統(tǒng)的運(yùn)行沒有考慮可調(diào)節(jié)控制和可計(jì)量的手段和因素，仍假設(shè)所有的散熱器在供暖期間24小時(shí)運(yùn)行，熱網(wǎng)定流量運(yùn)行。

    地下水水源熱泵+風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)假定地下水和系統(tǒng)冷熱水都是定流量運(yùn)行，每棟建筑風(fēng)機(jī)盤管制運(yùn)行調(diào)節(jié)規(guī)律與供暖負(fù)荷的分布情況一致，供暖負(fù)荷按穩(wěn)態(tài)計(jì)算，與室外溫度分布情況一致，水源熱泵機(jī)組的使用按照60%滿負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。由于學(xué)校建筑使用時(shí)間不一，也不可能全天運(yùn)行，所有建筑的平均使用時(shí)間按每天10小時(shí)計(jì)算，供暖時(shí)間根據(jù)規(guī)范為152天。

    3．單位面積供暖成本

    燃煤區(qū)域鍋爐房+散熱器系統(tǒng)和地下水水源熱泵+風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的單位面積供暖成本比較結(jié)果如圖三所示。計(jì)算中考慮到燃煤區(qū)域鍋爐房+散熱器的供暖系統(tǒng)的壽命為15年，地下水水源熱泵+風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)壽命也按15年考慮，所有設(shè)備按直線折舊計(jì)算。

    綜合以上比較，采用燃煤區(qū)域鍋爐房+風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的初投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于燃煤區(qū)域鍋爐房+風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，前者因?yàn)橥瑫r(shí)兼有供冷供熱功能，系統(tǒng)造價(jià)理所當(dāng)然要高，但在本工程中卻用不到供冷功能，系統(tǒng)初投資部分浪費(fèi)，投資沒有發(fā)揮其全部功能。

    （1）地下水水源熱泵+風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用高于燃煤區(qū)域鍋爐房+風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，主要原因是前者所提供的熱量中有大約三分之一為優(yōu)質(zhì)高價(jià)的電能轉(zhuǎn)化而成（包括潛水泵耗電、熱泵機(jī)組耗電、循環(huán)泵耗電），而后者所供熱量主要由廉價(jià)的燃煤轉(zhuǎn)化而成。當(dāng)?shù)仉妰r(jià)過高是造成前者運(yùn)行費(fèi)用過高的主要原因。
     

圖三 系統(tǒng)單位面積供暖成本比較

    （２）地下水水源熱泵+風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)和燃煤區(qū)域鍋爐房+散熱器系統(tǒng)是兩種不同檔次的系統(tǒng)，它們的使用效果和舒適性都有一定差異，所產(chǎn)生出的質(zhì)是不一樣的，如果從性能價(jià)格比這個(gè)角度上來看，它們的差距并不象前文得出的結(jié)果那樣懸殊。   

　　?“集中供熱”歷年數(shù)據(jù)分析

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