水源熱泵在某辦公樓的可行性研究及能耗分析

強天偉 屈悅瀅

水源熱泵在某辦公樓的可行性研究及能耗分析

強天偉 屈悅瀅

（西安工程大學 西安 710048）

根據項目辦公樓所在地的水文地質及相關資料，應用層次分析法建立地下水源熱泵系統和土壤源熱泵系統的評價體系模型并計算二者的適宜性指數，得出兩種系統均適宜項目所在區域。綜合分析兩種系統的經濟性、環境影響及地下水源熱泵的回灌方式，比較確定地下水源熱泵系統方案。利用DEST軟件模擬結合負荷頻率法計算年運行能耗，利用概算指標計算初投資并與傳統系統進行對比。得出該辦公樓地下水源熱泵系統的費用年值比采用冷水機組+燃煤鍋爐方案節省18%。對于地下水源熱泵系統的設計及方案的選擇具有很好的借鑒意義。

地下水源熱泵系統；層次分析法；負荷特性；經濟性分析；費用年值

0 引言

隨著社會的發展，我國已經成為了世界上最大的能源消耗國，其中建筑能耗占比達到30%～50%[1]，而在建筑能耗中，用于暖通空調的能耗又占據建筑能耗的40%～50%，由于傳統空調設備利用率低，北方地區采暖常用中小型的鍋爐，其燃料利用率普遍偏低，大多不到60%甚至為30%，即使是現代化的大型鍋爐其一次能源利用率也僅70%[2]，我國發電主要是采用燃煤鍋爐產生蒸汽帶動汽輪機發電為主，其一次能源的利用率更低，一般為27%～33%[3]，因此造成了能源的大量浪費，節能減排迫在眉睫。

熱泵作為一種利用少量高品位能源驅動搬運自然界的冷量和熱量到室內的裝置逐漸發展起來[4]。水源熱泵系統屬于可持續發展的能源利用技術[5]，減少空氣污染、減少溫室氣體排放、有效利用資源方面有其明顯的優勢，但同時它又是一項非常復雜的“技術”。近年來，“地下水源熱泵系統”在我國項目數量已達300多個[6-8]。西安市是一個水資源比較緊張的城市，因此非常有必要進行深入全面的調查研究減少不必要的浪費。

1 水源熱泵空調工作機理

每種熱泵空調各有優勢和不足，選擇系統的種類時應充分結合項目所在區域具體的水文地質、氣象、場地等條件因地制宜的選擇[9]。

水源熱泵主要是利用地表水、地下水或污水作為熱泵系統的冷熱源進行建筑的采暖或制冷的節能技術。水源熱泵空調系統由與用戶側冷凍水（或熱水）換熱的換熱器、壓縮機、熱源側換熱器及其他輔助設備等組成。水源熱泵系統工作原理如圖1所示。

圖1 水源熱泵工作流程圖

2 系統方案設計

2.1 項目概況

本項目位于西安市未央區郊區某魚塘辦公樓，東臨草灘四路，北臨渭河，屬于寒冷區域，氣象統計30多年平均干球溫度為13.5℃，累計最熱月平均溫度最高為29.8℃，最冷月平均溫度-0.3℃，統計極端最高氣溫達41.2℃，統計極端最低氣溫為-20℃。該建筑目前剛好處于北郊市政供暖范圍之外，建筑總面積1227.9m2，其中空調面積967.68m2，共分三層全部為地上建筑，總高度9.3m。六個魚塘總面積達32568.3m2，魚塘的東西兩邊各有一個120m深的水井，單井出水量達1200m3/d。

2.2 地下水源/土壤源熱泵系統回灌分析及適宜性評價

針對常用的地下水源熱泵系統中存在的一些問題，不能完全回灌、地下水熱污染和井間距過小造成的機組效率下降等問題結合項目所在的場地條件，本項目采用部分用作魚塘的補水，其余部分水采用異井重力回灌。這樣做既能減少回灌量，同時又降低了魚塘補水的成本，也避免了不能完全回灌造成的水資源的浪費等問題，采用重力回灌通過緩慢的自然滲透到深層可以有效的避免對地下水造成熱污染，本項目場區內現有的水井間距足夠大，采用異井回灌不會造成水源熱泵機組的效率降低。

通過層次分析法，根據適宜性指數=∑（每一因素的權重值×相應的無量綱標準值），計算得出該項目區域內地下水源熱泵的綜合指數為0.8059，土壤源熱泵的適宜性綜合指數為0.9127，均屬于適宜區域，結合現場的條件、經濟性、環境影響、以及地下水源熱泵的回灌性等最終確定本項目的系統方案采用地下水源熱泵系統。

2.3 方案設計

本項目建筑物負荷計算結果如表1所示，方案采用地下水系統作為熱泵主機的冷熱源，對建筑物夏季提供7℃冷凍水（冬季60℃的熱水），末端采用風機盤管加新風的形式對每個房間進行制冷及供暖。機房設計的原理圖如圖2所示。主要設備選型如表2所示，包括熱泵機組的選型、循環泵的選型、潛水泵的選型及水處理設備的選型等。選型原則主要滿足經濟性、可靠性、系統的整體性。

表1 建筑物負荷計算表

圖2 水源熱泵機房原理圖

表2 主要設備選型表

3 經濟性分析

本項目辦公樓位于西安市北郊緊鄰渭河南岸，根據我國現有冷熱源的應用狀況結合現場的水文地質及場地條件，確定出以下冷熱源方案。方案一為地下水源熱泵系統，方案二為冷水機組+燃煤鍋爐。

3.1 兩種方案的初投資分析

方案一的初投資包括設備購置費和施工安裝費等，設備購置費主要包括水源熱泵機組的購置費、水泵的購置費、管材的購置費、風機盤管的購置費、及新風機組的購置費（因為現場已有水井可供使用，故方案一中不再計算打井費用）。方案二的初投資包括設備購置費和施工安裝費等，設備購置費主要包括冷水機組的購置費和燃煤鍋爐的購置費、水泵的購置費、管材的購置費、風機盤管的購置費、及新風機組的購置費。經計算，兩種方案的初投資費用對比如圖4所示。方案一初投資費用比方案二初投資低9.85%。主要因為本項目已經有水井可供使用，無需打井，方案二需多購置一套燃煤鍋爐。

3.2 兩種方案的運行能耗分析及費用分析

兩種方案的運行能耗分別如表3和表4所示，年運行費用對比如圖3所示。可得方案二的年運行費用比方案一節省26.3%。

表3 方案一主要設備全年運行能耗及費用匯總表

表4 方案二主要設備全年運行能耗及費用匯總表

圖3 兩種方案的年運行費用對比

3.3 年維護費用計算

年維護費用主要包括運行管理人員的工資福利，及系統的維護檢修費用等。影響因素有很多，波動性也比較大，很難計算出準確的費用。根據概算指標（設備初投資費用的5%）進行估算。計算得方案一的年運行維護費用為9706.5元，方案二的年運行維護費用為10767.5元。年維護費用對比如圖3所示。方案二的年維護費用比方案一節省10%。

3.4 動態費用年值分析

式中：A為費用年值，元；C為初投資，元；C為年運行費用與年維護費用之和，元；為回收系數，取10%；為使用年限，年。

本項目方案中的設備根據廠家推薦的經濟使用年限均為20年，即取20。根據公式（1）計算兩種方案的費用年值，方案一費用年值為6.771萬元，方案二費用年值為8.259萬元。兩種方案的經濟性指標對比如圖4所示。由以上分析可知方案一全壽命周期的費用年值比方案二全壽命周期的費用年值少18%，因此對于該項目來說采用方案一地下水源熱泵系統更經濟。

圖4 兩種方案經濟指標對比

4 結論

（1）通過利用層次分析法分別構建了地下水源熱泵和土壤源熱泵的評價體系結構模型，并分別計算了兩種系統的適宜性指標，結果表明兩種系統均適宜。結合工程的現場的條件、經濟性、環境影響、以及地下水源熱泵的回灌性等進行分析比較最終確定地下水源熱泵系統更適合。

（2）通過DEST進行全年建筑最大負荷的模擬計算，進行系統的設計及設備的選型。根據現場的場地條件因地制宜的進行系統的設計，場區內有6個魚塘夏季魚塘需要補水，因此地下水源熱泵系統的設計中中關于回灌水的去向，將部分回灌水用作魚塘的補水，即減輕了回灌井的壓力，又節省了魚塘補水的成本。

（3）通過計算可得，采用地下水源熱泵系統比傳統方案的初投資低9.85%、年運行費用節省26.3%、年維護費用節省10%、費用年值低18%，因此采用地下水源熱泵系統更經濟。在水資源豐富的地區具有較好的應用優勢和前景。

[1] 劉華清.上海地區空調系統年耗能計算與能耗評估研究[D].上海:東華大學,2002.

[2] HL von庫伯著.王子介譯.熱泵的理論與實踐[M].北京:中國建筑工業出版社,1986.

[3] 龍柄清,趙仕林,朱明,等.熵文明與綠色文明[J].四川師范大學學報（自然科學版）,2001,(2):166-167.

[4] MJ Hatten. Ground water heat pumping leassons learned in 43 years at one building[J]. ASHRAE Trans-action, 1992,98(1):1031-1037.

[5] A L Snijders. Aquifer Seasonal Cold storage for space Conditioning some cost-effective[J]. ASHRAE Trans-action, 1992,98(3):1123-1129.

[6] 陳曉.地表水源熱泵系統的運行特性與運行優化研究[D].長沙:湖南大學,2006.

[7] 白亞娟.地下水源熱泵系統的性能分析及經濟性評價[D].西安:西安科技大學,2009.

[8] D Chwieduk. Analysis of Utilisation Renewable Energy as Heat Source for Heat Pump in Building sector in Poland[J]. WREC, 1996:720-723.

[9] 牛銀龍.淺談地表水源熱泵系統[J].潔凈與空調技術,2015,(4):47-50.

[10] 牛銀龍.水源熱泵在渭河邊某辦公樓應用可行性研究及能耗分析[D].西安:西安工程大學,2017.

Feasibility Study and Energy Consumption Analysis of Water Source Heat Pump in an Office Building

Qiang Tianwei Qu Yueying

( Xi'an Polytechnic University, Xi’an, 710048 )

According to the hydrogeology and related data of the office building, the evaluation system model of groundwater source heat pump system and ground source heat pump system is established by using analytic hierarchy process, and the suitability index of the two systems is calculated. It is concluded that both systems are suitable for the project area. The economy, environmental impact and recharge mode of groundwater source heat pump are comprehensively analyzed, and the scheme of groundwater source heat pump system is determined by comparison. The annual energy consumption is calculated by using DEST software simulation combined with load frequency method. The initial investment is calculated by using budget estimates and compared with the traditional system. It is concluded that the annual cost of groundwater source heat pump system in this office building is 18% less than that of water chiller plus coal-fired boiler. It has a good reference significance for the design and scheme selection of groundwater source heat pump system.

groundwater source heat pump system; analytic hierarchy process; load characteristics; economic analysis; annual cost

TU831.5

A

陜西省大學生創新創業項目（編號：201822067）

強天偉（1970.11-），男，博士研究生，教授，E-mail：254599797@xpu.edu.cn

屈悅瀅（1995.1-），女，在讀研究生，E-mail：530037889@qq.com

2019-04-30