基于地源热泵节能的技术经济性研究分析

王逸飞

(广东省环境保护工程职业学院，佛山 528216)



基于地源热泵节能的技术经济性研究分析

王逸飞

(广东省环境保护工程职业学院，佛山 528216)

摘要：地源热泵系统是一种高效、节能的采暖空调系统，文中介绍了地源热泵的分类及技术特点，并以西安地区的建筑物为例，利用简单投资回收期、投资回报率、动态费用年值、动态投资回收期等主要参数分析比较了地源热泵系统和传统中央空调系统的技术经济性。结果表明：与传统中央空调系统相比，采用地源热泵系统经营成本低，使用寿命长，在4～5年内可回收增量投资，具有显著的经济优势。

关键词：地源热泵；经济性评价；建筑节能；全寿命期

0引言

随着经济社会的发展和人们生活水平的不断提高，公共建筑和住宅的供热、空调已经成为了大众化的需求。据统计，发达国家的供热和空调的能耗占到全社会总能耗的25%～30%。随着我国城镇化的发展，每年新增的供热、空调建筑面积高达6.5亿m2，与相同气候条件的发达国家相比，我国建筑供暖能耗约为发达国家的3倍，这些高能耗建筑在冬季供暖和夏季制冷时造成了严重的能源浪费和环境污染[1-3]。因此，除了采取集中供热方式外，还应发展更节能的技术。地源热泵作为一种节能空调技术，利用地下浅层地热资源进行供热、供冷，能够实现节约能源、减少污染物排放，可广泛用于建筑物的冬季供暖和夏季制冷。由于地源热泵的热源温度比较高，全年比较稳定，不随外界环境温度的变化而变化，所以不管是冬季供暖，还是夏季制冷，地源热泵的性能系数都高于其他热源形式的热泵[4-5]。

1地源热泵概述

1.1地源热泵的定义

地源热泵是基于利用浅层地热能，通过热泵将低温热能向高温热能转移，实现供热、制冷的高效节能的空调技术。冬季，利用热泵提取浅层地热能，升高温度后给室内供暖；夏季，利用热泵制冷循环将室内的热量提取出来，释放到地下，实现对建筑物供冷。地源热泵的热源温度全年相对稳定，其供热、制冷系数高于传统中央空调系统。地源热泵作为一种高效的供热空调方式，可广泛应用在商业建筑、住宅建筑、公共建筑等领域[6-7]。

1.2地源热泵的分类及特点

根据热泵热源的不同，可将地源热泵分为地下土壤源热泵、地下水源热泵和地表水源热泵[8]。1.2.1地下土壤源热泵

地下土壤源热泵采用地下土壤作为热泵的热源，利用循环工质在封闭的埋管中循环流动，实现系统与大地土壤间的换热，既达到利用大地土壤作为热源，又不抽取地下水源的目的，主要适用于热负荷需求量较低的建筑物。系统安装时占地面积较大，钻井费用较高。如北京中央党校医院大楼就是采用地下土壤源热泵系统。

1.2.2地下水源热泵

地下水源热泵主要采用地下水作为热泵的热源，要求使用区域具有丰富和稳定的地下水资源，使用过程中要注意地下水的取水和回灌。如北京鸿基花园商场就是采用地下水源热泵系统。

1.2.3地表水源热泵

地表水源热泵系统主要采用江河、湖泊、污水等地表水作为热泵的热源，适用于靠近江河湖泊等大容量自然水体的区域。地表水源热泵系统造价低廉，运行过程的能耗和运行费用较低，维修周期长，稳定性较好。如北京奥运村工程就采用地表水源热泵系统。

2地源热泵应用的经济性理论

经济性理论主要分为静态投资理论和动态投资理论，静态投资理论不考虑资金的时间价值，动态投资理论考虑了资金的时间价值而产生的增值特性，在工程实际中经常采用经济性理论对项目的技术经济性进行评价[9]。

静态投资理论分析方法较为简单，由于忽略了资金的时间价值，因此不能反映项目全寿命期内的经济状况，通常用于项目方案的初步评价、短期项目的评价或项目规划阶段的评价。动态投资理论分析方法基于资金的时间价值，能够反映出经济发展对资金价值的影响规律，也能反映出整个项目寿命期内的经济性，采用此理论分析更符合工程实际。在比较多个项目方案时要同时进行静态投资和动态投资分析，以动态投资分析结果为主。

动态投资理论分析方法全面考虑了项目方案的初投资和经济寿命期内的全部收益，方案对比结果更直观，也可用于评价企业内部的项目方案。由于建筑空调系统运行周期较长，在进行技术经济性比较时重点参考动态理论指标参数[10]。

3地源热泵在建筑中应用的经济性分析

3.1主要经济性分析参数

采用地源热泵的成本主要包括初投资和年经营成本，两者决定着地源热泵应用的技术经济性，在进行项目经济性分析时，要统筹整个寿命期内的成本和收益，科学地分析初期投资和使用阶段地成本，确定最经济方案[11]。

3.1.1基本经济指标

(1)初投资：指供暖空调系统各部分投资之和，包括设备购置费、安装费、钻孔费、土建费和其他费用(包括设计费、监理费及不可预见费等)。

(2)年运行费：地源热泵的运行费用主要包括设备运行时所需的能源费和设备的基本维护费，包括电费、水费、能源费等。

(3)年经营成本费：指系统各部分的年运行费，如水费、电费、能源费；管理人员工资、管理费；设备折旧费和设备维修、大修费等。

(4)单位面积经营成本：用年经营成本除以供暖或空调面积来计算。

3.1.2经济性分析评价指标

(1)简单投资回收期SPB

简单投资回收期法是对建筑物的短期成本进行评估时常采用的方法。简单投资回收期等于投资成本的增加额与该投资每年节约能源费的比值，计算公式如式(1)。根据这个方法，最好的投资项目是投资回收期最短或者少于规定回收期限的项目。投资回收的越快，投资效果越好。

(1)

(2)投资回报率ROI

投资回报率是投资回收期的倒数，通常以百分数表示，计算式如式(2)。

(2)

(3)动态费用年值

初投资和年经营成本不能综合反映各方案之间的经济效果，这样就出现了一个综合的经济指标—费用年值，他考虑了资金的时间价值所产生的增值。动态费用年值法将项目初期投资的现值按其时间价值等额分摊到各年，与各年使用阶段经营成本相加比较其值。费用年值最小者为最优方案。该方法的优点是简单、直观，能从客观上综合评价各方案的经济性。动态费用年值的计算公式如式(3)。

(3)

式中：AW为费用年值，万元；C0为初投资，包括土建费、设备购置费、安装费及其它费用，万元；i为利率，一般取10%；n为全寿命期，年；C为年经营成本，包括运行费(水费、电费、燃料费)、维修费、人工费等，元。

(4)动态投资回收期

投资回收期是指从项目的投建之日起，用项目所得的净收益偿还原始投资所需要的年限。投资回收期分为静态投资回收期与动态投资回收期两种，静态投资回收期不考虑资金的时间价值，动态投资回收期考虑了时间的增长而产生的增值。动态投资回收期是用项目运行后年经营成本的节约来补偿初期投资的增加(增量投资)所需要的年限，计算公式如式(4)。

(4)

式中：Pt为动态投资回收期，年；i0为基准收益率；(ACI-ACO)为第t年净现金流量；当t=0时，ACI=0，ACO为地源热泵多出的投资；当t=1，2，3，…时，ACI为第t年节省的运行费及维修费，ACO=0。3.2案例应用分析

以西安地区为例，室内采暖设计温度为20 ℃，室内供冷设计温度为27 ℃，年采暖天数为120 d，年供冷天数90 d。选取建筑面积为7 390 m2的住宅楼为计算对象，供暖热负荷指标取62.8 W/m2，空调冷负荷取111 W/m2，按系统实际所能供冷的面积计算。居民用电价取0.55元/kW·h，水费取2.90元/t。市政集中供暖收费标准以西安地区目前供暖收费标准每月5.3元/m2计算，且开户费按25元/m2进行计算。对比地源热泵方案与传统中央空调系统方案(电动冷水机组+市政集中供暖系统)的经济效益。

根据西安市的气候和地质情况，实测估算各方案的年用电量、补水量见表1。

表1　两种方案的年用电量、补水量

根据3.1的计算方法，结合工程实际可以得出安装费、配电费、钻孔费、土建费，各方案具体初投资费见表2。

表2　两种方案的初投资费用/万元

通过计算分析，两种方案的年经营成本见表3。

表3　两种方案的年经营成本

分析可知，与传统的中央空调系统方案相比，地源热泵系统方案的年经营成本较低，每年可节约14.03万元。

由于两种方案所使用的设备寿命不同，在理论计算时应考虑设备的全寿命期，其中：冷水机组为20年，地源热泵系统为50年，建筑物为50年，取基准收益率i=10%，则根据3.1的技术经济评价指标计算可得：

(1)简单投资回收期

即不考虑资金的时间价值，采用地源热泵方案可在4年内回收成本。

(2)投资回报率

(3)动态投资回收期

当t=0时，ACI=50.962万元，ACO=0 ；

当t=1，2，3，…时，ACI=0，ACO=14.03万元。

根据动态投资回收期公式计算得：Pt=4.8年，即考虑资金的时间价值，采用地源热泵方案在5年内可回收成本。

(4)动态费用年值

通过对两种方案的各种费用的计算分析，得出各方案的费用年值，结果见表4。

表4　两种方案的综合费用年值

分析可知，采用地源热泵系统方案的经营成本较低，初投资较高，年值费用较低，相对于传统中央空调系统方案，其投资成本可在4～5年内回收，经济效益较好，但是地源热泵系统地下埋管换热器占地面积较大。

4结束语

文中对地源热泵系统进行了技术经济性分析和评价。与传统中央空调系统相比，地源热泵系统是一种既节能又环保的采暖供冷方式。结合西安地区建筑物工程实例，对比计算分析了地源热泵系统方案与传统中央空调系统方案的技术经济性。结果表明：地源热泵虽然安装比较复杂、初投资较高，但在实际运行中的经营成本较低，且使用寿命较长，其增量投资在4～5年内可回收，具有显著的经济优势，因此在新建建筑中可考虑采用地源热泵系统。

参考文献

[1]宋胡伟,刘金祥,陈晓春,等. 不同地区土壤温度及建筑负荷特性对地源热泵系统的影响[J]. 建筑科学,2010,8:68-73.

[2]李怀,徐伟,吴剑林，等. 基于实测数据的地源热泵系统在某近零能耗建筑中运行效果分析[J]. 建筑科学,2015,6:124-130.

[3]王艳,胡映宁,林俊. 地源热泵用于高层建筑集中供热水的运行特性[J]. 中国给水排水,2012,15:64-67.

[4]池鸿鸥. 某住宅建筑地源热泵经济性评价分析[J]. 节能,2014,4:33-37.

[5]付红阳,陈伟,张国辉. 基于全寿命周期的地源热泵工程经济性评价[J]. 建筑经济,2012,5:98-100.

[6]姜宝成,王永镖,李炳熙. 地源热泵的技术经济性评价[J]. 哈尔滨工业大学学报,2003,2:195-198+202.

[7]龙激波,裴清清. 地埋管地源热泵空调系统在广州地区应用经济性分析[J]. 暖通空调,2006,4:43-46+112.

[8]林跃朝,刘立才. 北京市地下水地源热泵系统应用效果分析评价[J]. 暖通空调,2014,7:63-66.

[9]胡平放,黄峙,孙心明,等. 地源热泵技术研究与应用发展状况[J]. 制冷与空调,2014,12:104-109.

[10]陈焰华,於仲义,雷建平,等. 武汉地区地源热泵技术应用存在的主要问题及对策分析[J]. 暖通空调,2009,6:6-11.

[11]唐凯,张旭,张恩泽,等. 基于层次分析法的铁路客站地埋管地源热泵系统适宜性评价[J]. 暖通空调,2013,10:110-115+109.

Economic Evaluation of Ground Source Heat Pump Based on Energy Saving

WANG Yi-fei

(Guangdong Polytechnic Environmential Protection Engineering, Foshan 528216,Guangdong Province, China)

Abstract:Ground source heat pump is a highly efficient and energy-saving air-conditioning system. It is analysed that the classification and the technical specialty of ground source heat pump．With a civial dwelling in Xi'an as an example，a comparative calculation is made up for the air conditioning of ground source heat pump paln and the traditional air conditioning plan．The payback period，the return on investment，the cost year-end value and the dynamic investment recovery period are proposed．The results indicate that the ground source heat pump paln has the features of lower operating costs and longer life，and the incremental investment can be recycled between 4years and 5 years．The ground source heat pump paln features for the distinct economic advantages compared with the traditional plan．

Key words:Ground source heat pump; Economic evalutation; Whole life cycle

doi:10.3969/j.issn.1009-3230.2016.06.011

收稿日期：2016-05-10

修订日期：2016-05-27

基金项目：广东环境保护工程职业学院网络课程建设项目(2015PJWLK9)

作者简介：王逸飞(1986-)，男，硕士研究生，节能专任教师，主要从事新能源与节能评价研究。

中图分类号：TU201.1

文献标志码：B

文章编号：1009-3230(2016)06-0034-04