地源热泵与毛细管空调系统经济性分析

匡　力，刘成刚，黄新江

（苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州　215009）

人类社会发展离不开能源的开发利用，能源是经济发展的第一推动力，然而随着经济的持续高速增长，能源开发愈加困难，能源问题也日益严重。在全球总能耗中，空调能耗占着1/4以上的比重，如何高效地降低空调能耗也因此成为当今时代背景下的研究热点之一。地源热泵作为一种可再生能源技术，高效节能，与消耗着大量高品位能源的传统空调系统相比更具发展前景。地源热泵的埋管形式可分为水平埋管和竖直埋管，水平埋管的场地需求高，且换热性能不及竖直埋管[1]。依据竖直埋管的管道埋深可分为浅埋和深埋，埋深小于80 m为浅埋，大于80 m为深埋，一般工程应用为80～120 m，井深50 m的造价比井深100 m的造价低30%～50%[2]。依据苏州地区当地的地质，采用浅埋型地源热泵可减少地埋系统的投资，但会造成地下换热量不足的问题。毛细管是一种新型低品位空调末端，在满足舒适性的前提下可有效节能[3]，同时可降低地埋管所需的换热量。将毛细管辐射末端与浅埋型地源热泵技术相结合可达到更高的能源利用率，但成本是限制其发展的重要原因之一，高昂的初期投资能否在后期运行中取得应有的经济效益需进行长期测试分析来综合评价。

该文结合苏州某办公楼的50 m浅埋双U型的地源热泵与毛细管末端组合空调系统，经长期运行测试，从能源利用率效率和热经济指标三个方面分析毛细管空调的经济性，并与传统风机盘管末端的地源热泵系统进行对比，进行综合评价。

1　毛细管空调末端的特点

1.1　传热方式

毛细管空调起源于20世纪末的欧洲发达国家，其模型类似于植物叶脉和人体血管，由3～5 mm外径的塑料管组成毛细管网，管间距为10～30 mm，粘在吊顶下形成辐射板，通过管内流动的冷热液体与室内进行热交换。

图1　毛细管空调末端与室内热交换的原理图

毛细管房间的传热主要由辐射和对流两种传热方式组成，室内辐射换热量大约占60%，热交换的形式与自然界物体间动态热交换规律相一致[4]，更易满足人体舒适性。毛细管空调末端与室内热交换的原理图如图1所示。

1.2　毛细管空调的优劣势

毛细管辐射空调作为一种新型空调末端，与传统风机盘管相比具有许多优势。毛细管网的简易结构可直接粘于吊顶下方，无需设置支撑结构，安装简便，不仅能够节省建筑空间也能提升整体美观。毛细管末端传热以辐射为主，弥补了传统风机盘管造成的人体表面较强的吹风感和散热不均匀的缺点，可以给室内人员带来更舒适的环境。毛细管使用的生产材料具有耐腐蚀性、抗热抗压能力强等优点，经长期压力和材料测试，毛细管的使用寿命长达50 a[5]，经济寿命优于风机盘管。毛细管空调对供水水温的需求低于风机盘管[6]，不仅可以提升热泵机组的性能，还能降低地埋管所需换热量，弥补浅埋地源热泵系统地埋管换热量不足的问题，毛细管空调系统具体的节能效果将在第3节展开详细计算分析。

然而，毛细管空调也存在很多不足。由于毛细管空调末端是封闭环路，主要依靠辐射板面与室内空气的辐射和对流进行热交换，因此无法控制调节室内湿度和空气洁净度。当辐射顶板表面温度低于室内空气露点温度时还会产生结露问题，所以通常需要设置独立的新风系统和露点温度控制器，这无疑会增加毛细管空调的成本。除此之外，由于毛细管辐射末端较大的传热面积，系统出现管路漏水现象时，还会给维修工作带来难题。

2　工程概况

本地源热泵空调工程位于苏州市某办公楼A幢，占地面积为2 518 m2，其中中央空调面积为964 m2，经设计计算，夏季冷负荷为127 kW，冬季的热负荷为89 kW。根据现场的实际地质情况，当钻井达到50 m深时，遇到坚硬岩石层，继续钻井不仅难度较大而且投资较高，所以最终共钻50 m深井40口。为了确保足够的换热量，冷热源采用50 m双U型浅埋地埋管，双U型埋管由于增加了钻孔内的传热面积，可减小钻孔深度。热泵机组选用2台水-水模块式水源热泵机组，单台制冷量为69 kW，制热量为54.9 kW，冷却水泵和冷冻水泵均为一用一备。

空调末端采用毛细管辐射末端，毛细管空调房间共有37个，各房间尺寸为7.2 m×3.6 m×3.6 m，吊顶高2.8 m，毛细管网由4.3 mm×0.8 mm的塑料毛细管组成，管间距为20 mm。独立新风系统和控制调节系统是毛细管空调系统重要组成部分。由于毛细管网封闭的特性，毛细管网只能承担房间内的大部分显热负荷，而所有湿负荷和部分显热负荷需要独立除湿新风机组来承担处理。控制器由防结露温控器和调节阀组成，室内温湿度可通过毛细管网和新风机组的进出水温和流量调节进行控制。

与本案例形成对比的传统地源热泵系统，选择同地区中央空调面积为985 m2的办公建筑，各空调房间的尺寸仍为7.2 m×3.6 m×3.6 m，共38个房间，空调末端为风机盘管系统。

3　经济性分析

3.1　能耗分析

相同的舒适条件和空调环境下，毛细管辐射空调由于辐射换热，房间夏季室内设计温度比风机盘管房间低（冬季高）1.6℃[7]，可降低室内负荷计算，减少地埋管所需换热量。同时，毛细管空调夏季制冷的供水温度高于风机盘管，可降低机组的蒸发温度，冬季供热可降低机组的冷凝温度，因而可以提高机组COP减少能耗。为分析地源热泵与毛细管末端组合空调系统的运行特性和能耗情况，通过能源管理监控平台对系统各环节进行长期监测，监测内容包括温湿度监测、负荷监测、电量监测等。最近测试时间为2017年夏季，以7月1日至7月7日为例，毛细管房间与风机盘管房间室内温度随室外温度的变化曲线如图2所示。

从图2数据分析可知，两种空调末端的室内温度满足室内的舒适性要求。毛细管房间的平均温度比风机盘管房间大约高0.5℃，温度波动小，较稳定。这是由于毛细管空调采用辐射形式制冷，换热面积大，相同换热量下所需换热温差小，换热效率更高，同时受供水温度变化影响较小。

两种地源热泵系统空调面积相同，所使用的热泵机组都是相同名义制冷量可变频的MWH020机组。机组的性能通常以制冷效率（COP）作为评价指标，COP越大效率越高。机组COP可由下式求得：

式中，Q为热泵机组制冷量，kW；W为热泵机组功耗，kW；L为冷冻水流量，m3/h；ρ为水的密度，kg/m3；tg为冷冻水供水温度，℃；th为冷冻水回水温度，℃。

图2　毛细管和风机盘管末端房间温度变化曲线

通过2017年夏季对机组功耗和冷冻水温度流量监测数据的计算，毛细管空调末端的地源热泵系统冷水机组的平均COP为4.16，风机盘管空调末端的系统冷水机组平均COP为3.23。由此可知，毛细管空调在供冷季可提高冷水机组能源利用效率。

毛细管辐射末端的工作原理是通过毛细管网内流动的水与室内进行热交换，为保证除湿效果，每层楼都设有独立新风系统。毛细管网并不需要电能驱动，主要能耗是独立新风机组消耗的电能，而风机盘管的能耗主要是电机耗功，电机可通过改变输入电压来变换转速，使风量按低、中、高三挡调节，两种空调末端的能耗对比如表1所列，年总运行费用通过功率、年运行时间、负荷率（取0.85）和实时电价计算得出。

从表1数据可知，毛细管系统中的新风机组承担所有毛细管房间的新风处理，平均每个房间功率约为32.4 W，对于空调末端总能耗，毛细管空调比风机盘管每年可节约运行费用5 238.1元，约为毛细管末端系统自身运行费用的2.2倍，可见节能效果显著。

仅从能量角度分析不足以充分说明毛细管空调系统的节能效果，分析法既考虑到能的“量”，更重视能的“质”，更能从本质上揭示系统的不可逆损失。两种末端系统均为稳定流动的开口系统，根据热力学定理采用焓对两者冬夏季工况分别进行分析。由热力学第二定律，可得焓火用：

对于一定冷负荷的房间,工质质量流量由下式计算:

表1　毛细管与风机盘管末端系统能耗对比

以2016年全年工况下的运行为例，相同环境下两种空调末端效率对比如表2所列。

从表2可以得知，在保证相同室内舒适性的前提下，毛细管空调对供水温度需求低，可充分利用低品质的热量，经过计算，毛细管末端的效率比风机盘管高出大约38%，可见毛细管空调末端在能源品位利用上高于风机盘管。

表2　毛细管与风机盘管末端效率对比

表2　毛细管与风机盘管末端效率对比

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3.3　系统热经济学分析

热经济学分析法综合运用热力学分析原理与经济学理论，对工程技术方案的决策具有指导意义[8]。不同系统由于设备型号、使用方法、管理手段等差异，各环节的输入火用和最终输出产品火用及其单位成本不一样。单位火用成本的计算分析为不同方案提供经济决策依据。地源热泵系统的热经济学分析模型如图3所示。

图3　地源热泵系统热经济学分析模型

式中，EX8为产品流，即空调末端获得的热（冷）量，计算方法见公式（4）和（5）；C8为单位热（冷成本，所求经济评价指标；C1为地埋管输入流，这部分热（冷）量虽然通过地埋管获得，但为了获得这部分只是付出了初投资和运行费用，不需要购买，所以 C1=0；EX2、EX4、EX5、EX7分别是地源泵、热泵机组、循环泵、末端设备的输入，在不计损耗的情况下，电能能够完全转变为有用功所以输以电能代替；C2、C4、C5、C7为当地电价，0.85元/kWh；Ca为三个子系统的年度化成本，即把非能量的成本折合到每个年度内。年度化成本的计算公式为

式中，C0为子系统设备的初投资；SV为系统寿命周期后的残值，地埋管的残值以初投资的50%计算，其余设备皆以初投资的10%计算[9]；Fm为第m年，年运行费用；PWF（i，n）为现金系数，即n年后资金值折现为现时值；CRF（i，n）为资金回收系数，即把 n年后本金和利息的总额平摊到每一年，见公式（10）和（11）。式中，i为年利率，取10%；n为系统的经济寿命。

系统的运行费用主要包括机组、水泵和末端设备的能耗。机组在不同负荷下运行，不同供水温度下压缩机功率是不一样的。在给定的建筑内，采暖热负荷与室外温度成线性关系[10]，不同室外温度下，变水温后压缩机功率和水泵功率可由监控系统直接测出，以2017年夏季运行为例，地源热泵与毛细管末端组合系统的机组压缩机功率与室外温度的关系如图4所示，系统全年运行时间采用温频数（BIN）法[11]分析，苏州地区8：00-18：00温频段为2℃的空调BIN参数如图5所示。将不同室外干球温度条件下各设备运行功率，乘以各温度段（BIN）出现的小时数，便可计算出系统年运行费用。

图4　压缩机功率与室外温度的关系　

图5　苏州地区2℃温频段空调BIN参数

表3　系统经济性对比

两种空调末端的地源热泵系统的详细经济对比如表3所列。

由表3可知，在空调末端投资上，地源热泵与毛细管末端组合空调系统比传统风机盘管末端的地源热泵系统多出1/3，但可相应降低系统运行费用，主要包括热泵机组的能耗和空调末端能耗，需要4.8 a可通过节约的运行费用将两种系统总投资的差价回收。而在热经济学指标上，地源热泵与毛细管末端组合空调系统的单位成本全年最低，节能效果在“量”与“质”上十分显著。

4　结论

结合苏州地区浅埋地源热泵与毛细管末端组合空调系统进行的经济性分析，与传统风机盘管末端的地源热泵系统对比，可以得出以下结论：（1）毛细管空调可以弥补地源热泵地埋管浅埋时换热量不足的问题；毛细管空调对供水温度的低需求可提高冷水机组的COP，降低能耗，空调末端的耗电量低于风机盘管；（2）毛细管末端的效率比风机盘管高出大约38%，系统的不可逆损失更低，在能源的“质”量上，毛细管空调实现了更高的利用率；（3）毛细管空调的末端总投资比传统风机盘管系统高出1/3，但系统节能效果明显，在4.8 a可以通过节约的运行费用回收；通过热经济学计算分析，地源热泵与毛细管空调系统的单位火用成本比传统地源热泵系统更低，因此经济效益更大。

参考文献：

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