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地下水地源热泵与水蓄能设计实例的经济分析北京工业大学赵建成张海涛安爱明李娟北京瑷玛斯区域供冷技术开发有限公司娄丽华高辉中国建筑科学研究院空调所王志忠摘要：以北京某综合楼工程为例，根据工程特点和水文地质条件，提出两种空调冷热源方案即常规冷热源方案和结合水蓄能的地下水源热泵方案，通过技术经济性分析和社会效益比较得出，结合水蓄能的地下水源热泵方案能源利用率高，运行费用低，在经济上具有明显优势，节能环保效益显著，对同类工程具有借鉴作用。关键字：水蓄能地下水源热泵运行策略经济性分析社会效益1.前言夏季空调的大量使用，造成我国电力高峰时段紧缺而低谷时段过剩的矛盾越来越突出，建筑节能的呼声也越来越高。使用节能环保型的空调系统，高效用能，科学用能是解决我国高峰时段用电短缺，实现建筑节能的有效途径。地下水源热泵是利用地下水资源既可供热又可制冷的高效节能型空调系统；蓄能空调系统是电力需求侧削峰填谷，节省运行费用，提高电厂发电效率的有效手段。本文通过工程实例分析了结合水蓄能的水源热泵空调冷热源的节能效果和经济可行性。指出该系统形式具有进一步推广的应用价值。2.工程概况该工程位于北京市昌平区，项目总建筑面积143，341.8平方米，空调面积100，000平方米，地下两层，地上十一层，其中地下一层和地下二层主要为设备机房和停车厂，地上一到三层为商场，四到十一层为娱乐和办公。夏季设计冷负荷14643.0KW，冬季设计热负荷5755.6KW（本建筑设有热回收装置，回收热量抵消了部分热负荷）。年供冷天数214天，年供热天数121天。地下二层消防水池面积500立方米。本文拟对该工程空调冷热源系统提出创新见解。3.方案设计经过各方比较，提出两种可行方案。方案一：常规冷热源方案，即电制冷冷水机组与燃气热水锅炉相接的方案，冷水机组负责夏季供冷，燃气锅炉负责冬季供热。方案二：采用水源热泵与水蓄能相结合的方案，冬夏两用，不受供冷、供暖时间限制，可根据季节气候独立启停机组。3.1方案一：常规空调系统冷热源常规方案是根据设计最大负荷选择冷水机组和热水锅炉。冷热水系统采用冷源侧定流量，负荷侧变流量的单级泵方式。冷冻水设计供回水温度7/12℃，选择4台CVHG-1067型三级压缩离心式冷水机组，单机容量为制冷量1100RT；冷冻水泵与冷水机组、冷却水泵与冷却塔采取一对一运行方式。冬季空调热水由燃气锅炉提供，选择2台额定热功率为1.75MWCWNS01.75-95/70燃气热水锅炉，1台额定热功率为2.8MWCWNS02.8-95/70燃气热水锅炉；2台工作压力0.8MPa的板式换热器；空调供、回水温度60/50℃。常规方案技术成熟，运行可靠。其他主要设备选型如下表：表1方案一设备表1设备数量电机功率(KW)流量(m³/h)冷冻水泵490690冷却水泵475810热水循环泵-122265.4热水循环泵-2230100冷却水塔8114003.2方案二：地下水源热泵与水蓄能相结合3.2.1技术可行性分析地下水源热泵的工作原理与热泵的工作原理相同，不同的是地下水源热泵的低位热源是地下水。夏季，由于地下水的温度远低于室外空气温度，因此可降低制冷循环的冷凝温度；冬季，由于地下水的温度远高于室外空气温度，因此可提高制冷循环的蒸发温度，所以热泵的性能系数会大大提高，其电热转换率可达到3~4，一般它比空气源热泵可节约20%~30%的运行费用。地下水的温度一年四季相对稳定，能保证热泵机组更可靠稳定地运行。该系统在水源井侧采用闭式循环，由于地下水抽出后经过换热器后又回灌至地下，属全封闭方式，冬夏交互式使用，是互为再生的清洁能源系统，能源利用率高。经探测，本地区地下第四系含水层为潜水-弱承压水分布区，补给条件好，富水性好，地下深度100米以内的含水层厚度为30－45米。恒温水层在地面30米以下，水层温度为15~18℃。根据该区域地下水文地质条件勘察结果可知,该工程采用地下水源热泵条件上可行。鉴于北京市的电价政策，为减少系统运行费用，考虑使用水蓄能系统，水蓄能冬夏两用，但水蓄能的蓄能密度低，使蓄水槽需占用更多的建筑面积，但由于该工程位于郊区，地下二层的商用价值不大，故可利用该层设置蓄水槽并利用该层的消防水池以减少部分占地面积和水池造价。该工程实际条件满足水蓄能和水源热泵的技术要求，且两种技术成熟，国内外应用广泛，两种技术的结合具有优势互补性。3.2.2运行策略及设备选择在本方案中，在设计日负荷下，夜间利用低谷电价时段进行水蓄热或蓄冷，在日间用热或用冷高峰期间用夜间所蓄的热量或冷量进行调峰，其中在电价高峰时段采用释冷（释热）优先的策略，在电力平价时段采用冷机（热泵机组）优先的策略，并兼顾冷机（热泵机组）能在高效率下运行。方案二运行策略图如图1所示。100%热负荷运行策略0.0200.0400.0600.0800.01000.01200.01400.01600.01800.01357911131517192123时刻(h)热负荷（RT）机组供热RT用蓄热RT蓄热负荷RT100%冷负荷运行策略0.0500.01000.01500.02000.02500.03000.03500.04000.04500.01471013161922时刻（h)冷负荷（RT)机组供冷RT冷水供冷RT蓄冷负荷RT图1方案二运行策略图根据冬夏季的设计日负荷特性和设计日负荷下的运行策略，选用了两台制冷量为1000冷吨的三级离心式低温冷水机组，4台热泵机组，制冷量313RT,制热量333RT。利用水池夏季蓄冷总量12350RTH,冬季蓄热总量10656RTH。蓄能水槽6000立方米（其中利用消防水池500立方米），内部结构按水分层进行技术处理，池水深4.5米，占地面积约1333平方米。选用工作压力为0.8MPa的板式换热器4台。其他主要设备选型见表2。冷热源系统原理见图2。2接水源机井4.4C(2.7C)消防水池蓄水槽5.0-8.0C(35.0-45C)30C13.3C()用户冷水泵膨胀罐冷冻水分配泵3.7-7.0C(40-50C)板换15/30C2.7C(55C)冷却水泵-2冷却水泵-1热泵机组机组低温15/30C12.2C12.2C主冷冻水泵-1主冷冻水泵-2图2方案二系统原理图表2方案二设备表3.2.3水井设计根据水源热泵机组夏季供冷原理可知，每得到3个单位的高位冷量需要提供1个单位的压缩机做功和4个单位的地下水低位冷量，则夏季地下水需提供冷量为：Q=14643*4/3KW=19524KW。根据公式Q=V·△T·1.163其中，夏季地下水供、回水温差△T取值为15℃，经计算可得出：夏季供冷地下水流量V=1119.2立方米/小时，即最大需水量为1119.2立方米/小时，根据对本地区水文地质条件和工程实际特点的分析，决定沿该建筑周边实际布设8眼抽水井和16眼回灌井，井间距大于30米。各井之间与水源热泵机房的联络管网采用双管路，这样可以保证在使用过程中，根据各井的使用状况，方便的将各井由抽水井转换为回灌井，或由回灌井转换为抽水井，从而可以解决回灌堵塞的问题。4.经济性分析4.1初投资比较方案一与方案二初投资比较见表3。通过对比可以看出，与常规电制冷加燃气锅炉供热方案相比，采用地下水源热泵加水蓄能方案在初投资方面增加262.64万元。4.2运行费用分析对于有蓄能的系统年运行费用应根据负荷率的分布情况及运行策略来确定。在本项目设计阶段，依据该地区历年统计平均负荷率分布情况（见表4）与电价谷段蓄能，峰段释能优先，平段削峰并适时调整的运行策略计算运行电费。其中北京地区商业用电电价（不满1千伏）如表5。方案一与方案二运行费用比较见表6。对比看出，采用方案二比采用方案一每年可节省运行费用331.01万元。因本项目属于辅助工程，不产生收入现金流，故采用费用对比法进行现金流分析：将两种方案的运行费用差值视为运行费用较小一方的费用节约值，相当于现金流入计设备数量电机功率流量(KW)(m³/h)主冷冻水泵_1245650主冷冻水泵_2418.5230冷却水泵_1218.5260冷却水泵_241186.6冷冻水分配泵3376003算。将两种方案的初投资差额视作节省运行费用而做的初投资。当节省的费用累计净现值大于初投资差额净现值时，说明项目在经济上可行。即：时说明方案二优于方案一。本项目中设定IRR为15%，经计算有∑NPV=2611.230，说明方案二优于方案一即：虽然采用方案二比采用方案一多投资262.64万元，但是通过采取科学的运行策略，使得年运行成本大幅降低，项目在第一年运行中节省的运行成本就足以弥补多出的投资。说明采用地下水源热泵结合水蓄能的方案在经济上具有明显优势。()∑=≥2500NPV-NPV¨t方案一方案二表3初投资比较表表4负荷率分布表表5北京市分时电价表表6运行费用比较表5.社会效益分析该项目采用地下水源热泵结合水蓄能技术的空调工艺与常规冷热源相比，降低了大楼的峰值电力需求，提高了电厂发电机组的效率及电网的利用率，减少了电厂侧对大气的污染,该项目削峰电力1285KW,经科学计算，每年可减少耗煤771吨（标煤），每年可降低向大气排放二氧化硫（SO2）5.07吨、二氧化碳（CO2）1014.47吨和8.52吨粉尘。且采用地下水源热泵系统无冷却塔，无噪音，采用地下水封闭换热系统进行能量交换，不会产生飘洒现象，无空气污染，无水量损失，无需补水。方案二与常规燃气锅炉供热系统相比，不会产生废气排放，在环境保护方面有巨大优势。且地下水源热泵使用低品位的地下热能加辅助电力，系统COP达到3~4，降低了一次能源使用，提高了能序号费用名称方案二[万元]方案一[万元]1建设投资静态部分1755.171506.841.1设备购置费873.301115.101.2建筑工程费624.51116.511.2.1机房建筑工程费84.51116.511.2.2蓄水池工程费180.000.001.2.3打井费360.000.001.3安装工程费169.57216.521.4工程建设其他费用56.5652.881.5基本预备费31.235.832建设投资动态部分101.1086.792.1涨价预备费0.000.002.2建设期利息101.1086.79项目初投资1856.271593.63负荷率冷负荷天数热负荷天数100%212180%614960%612140%711025%020时段起止时间电价（RMB/KWh）高峰段8:00-11:0018:00-23:001.077平段期7:00-8:0011:00-18:000.688低谷段23:00-7:000.322序号比较项目方案二[万元]方案一[万元]一固定成本41.8546.771设备维护、维修费14.8510.772运行人员工资及福利费27.0036.00二可变成本359.81685.901电费359.81449.062燃气费0.00196.843补水费及水处理费0.0040.00运行成本合计401.66732.674源使用价值。6.结论结合项目特点和该地区水文地质条件，对常规冷热源方案（方案一）与结合水蓄能的地下水源热泵冷热源方案（方案二）对比分析后，得出如下结论：6.1方案一在技术工艺上成熟，运行可靠，应用广泛。方案二技术上可行，但运行控制要求较高，且地下水源热泵需要先进的回灌技术确保地下水等量的回灌到原地质层。6.2方案二与方案一相比在经济上有着明显的优势。6.3方案二与方案一相比在电力需求侧削峰填谷，提高了一次能源综合利用率，因此方案二环保节能，社会效益显著。综上所述，采用地下水源热泵与水蓄能的空调方案是一项经济，环保，节能的方案。本项目运行成功后，具有极大的推广价值，对我国蓄能空调今后的发展将起到推动作用。参考文献[1]曲云霞等.地下水源热泵及设计方法.可再生能源.2002（6）：11-14[2]赵荣义，钱以明等.简明空调设计手册.北京：中国建筑工业出版社.1998[3]方贵银.蓄能空调工程实用新技术.人民邮电出版社.2000.*赵建成，男，1955年2月出生，教授，北京工业大学建筑工程学院北京