空气源热泵与闭式热源塔热泵经济性对比

李净净, 温延军

(青岛开源热力设计研究院有限公司,山东青岛266071)

1 概述

截至2019年底,北方地区清洁供暖取得明显进展,改善了城乡居民用能条件和居住环境。北方地区清洁供暖面积达116×108m2,比2016年增加51×108m2。

本文结合工程实例,对空气源热泵与闭式热源塔热泵的经济性进行对比。

2 工程概况

河北石家庄某新建中学,供热建筑面积约7.8×104m2,末端采用风机盘管。拟采用闭式热源塔热泵系统、空气源热泵系统为用户供暖。项目设计热负荷为3.35 MW,设计供、回水温度为55、45 ℃,设计质量流量为288.1 t/h。石家庄供暖室外计算温度为-8 ℃,供暖室内设计温度为18 ℃,供暖期延续时间及热负荷见表1(将室外温度分为7个区间,每个室外温度区间用1个特征室外温度表征)。

表1 供暖期延续时间及热负荷

3 热源方案

① 空气源热泵系统

空气源热泵系统流程见图1。由图1可知,空气源热泵系统以空气源热泵为热源,为用户直接供应供暖热水。空气源热泵设计供、回水温度为55、45 ℃,设计质量流量为288.1 t/h。采用分阶段改变流量的质调节,不同特征室外温度下相对热负荷比、供水温度、相对流量比见表2。

图1 空气源热泵系统流程

表2 不同特征室外温度下相对热负荷比、供水温度、相对流量比

② 闭式热源塔热泵系统

闭式热源塔热泵系统流程见图2。由图2可知,闭式热源塔热泵额定供、回水温度为55、50 ℃,用户设计供、回水温度为55、45 ℃。由上述参数可知,热泵、用户的供回水温差不一致,且存在流量不匹配的问题。因此,在闭式热源塔热泵系统中增设1台平衡混水罐,将热泵与用户进行流量匹配,以降低系统运行能耗[1]。设置平衡混水罐时不同特征室外温度下热泵、用户的供回水温度、质量流量见表3。

图2 闭式热源塔热泵系统流程

表3 设置平衡混水罐时不同特征室外温度下热泵、用户的供回水温度、质量流量

4 设备造价

① 空气源热泵系统

空气源热泵系统主要设备额定参数及造价见表4。由表4可知,空气源热泵系统主要设备造价(含设备购置费和安装费)为289.8×104元。考虑管子、阀门材料费和安装费30×104元,空气源热泵系统设备造价为319.8×104元。

表4 空气源热泵系统主要设备额定参数及造价

② 闭式热源塔热泵系统

闭式热源塔热泵系统主要设备额定参数及造价见表5。由表5可知,闭式热源塔热泵系统主要设备造价为450.1×104元。考虑管子、阀门材料费和安装费35×104元,闭式热源塔热泵系统设备造价为485.1×104元。

表5 闭式热源塔热泵系统主要设备额定参数及造价

5 经济性分析

5.1 空气源热泵系统

热泵机组供暖期耗电量EHP的计算式为:

(1)

式中E——热泵机组供暖期耗电量,kW·h

n——室外温度区间的数量,为7

Φh,i——室外温度区间i对应的热负荷(见表1),kW

ti——第i个室外温度区间延续时间(见表1),h

ICOP——热泵机组供暖期平均制热性能系数

空气源热泵机组供暖期平均制热性能系数取2.5。将已知参数代入式(1),可计算得到空气源热泵机组供暖期耗电量为256.17×104kW·h。

循环泵供暖期耗电量EP的计算式为:

(2)

式中Ep——循环泵供暖期耗电量,kW·h

H——循环泵扬程,m

qm,i——室外温度区间i对应的热水质量流量,t/h

η——水泵全效率,本文取0.9

室外温度区间i对应的热水质量流量按表2数据确定。将已知参数代入式(2),可计算得到空气源热泵系统循环泵供暖期耗电量为6.43×104kW·h。由以上计算结果可知,空气源热泵系统供暖期总耗电量为262.60×104kW·h。电价按0.83 元/(kW·h)计算,可计算得到空气源热泵系统供暖期电费为217.96×104元。

5.2 闭式热源塔热泵系统

闭式热源塔热泵机组供暖期平均制热性能系数取4.0。将已知参数代入式(1),可计算得到闭式热源塔热泵机组供暖期耗电量为160.10×104kW·h。

室外温度区间i对应的热水质量流量按表3数据选取。将已知参数代入式(2),可计算得到闭式热源塔热泵系统用户循环泵、热源循环泵供暖期总耗电量为13.23×104kW·h。

由以上计算结果可知,闭式热源塔热泵系统供暖期总耗电量为173.33×104kW·h。电价按0.83 元/(kW·h)计算,可计算得到闭式热源塔热泵系统供暖期电费为143.86×104元。

5.3 经济性分析

两种系统设备造价与供暖期电费见表6。由表6可知,与空气源热泵系统相比,闭式热源塔热泵系统的设备造价高165.3×104元,供暖期电费低74.1×104元。由计算可知,多出的设备造价可在2.23 a后收回。

表6 两种系统设备造价与供暖期电费

6 结论

与空气源热泵系统相比,闭式热源塔热泵系统设备造价高165.3×104元,供暖期电费低74.1×104元,多出的设备造价可在2.23 a后收回。