227 地源热泵与冰蓄冷联合运行空调系统经济性分析

地源热泵与冰蓄冷联合运行空调系统

经济性分析

山东省建筑设计研究院 郭晓强 山东建筑大学 楚广明 张士松

摘要 建立了地埋管地源热泵与冰蓄冷联合运行空调系统热泵机组的能耗分析模型，在此基础上精确计算了热泵机组的全年耗电量及全年运行费用。以实际工程为例，选取不同冷热源方案，采用一次投资回收年限和寿命期内年度费用指标两种方法进行了经济性比较，结果表明，地埋管地源热泵与冰蓄冷联合运行空调系统具有较大的经济效益。

关键词 地埋管地源热泵 冰蓄冷 能耗分析模型 经济性比较 0 引言

随着经济的发展，能源紧张问题日益突出，对建筑物的供暖空调方式提出了新的要求，是否节能已经成为衡量一个系统是否最佳的重要依据。但是，如果一味追求节能，势必会带来系统的直接投资较大。所以设计一个空调系统应该同时兼顾各种因素，既使系统节能，又使系统的初投资和运行费用最为合理。地埋管地源热泵与冰蓄冷联合运行空调系统将地埋管地源热泵与冰蓄冷这两项节能技术结合在一起，通过合理的配置，取长补短，使这两项技术的优越性得到充分发挥，可取得较好的经济效益。

1 工程概况及建筑动态负荷模拟

某办公楼位于济南市，共十一层，建筑高度为43.2m，总建筑面积9783.74㎡。房间类型分别为：办公室、会议室、辅助用房等。

用DeST模拟计算得出的本办公楼的逐时冷热负荷如图1所示。取济南地区供暖季为11月15日—3月15日，供冷季为6月1日—8月31日。计算所需办公楼逐时冷热负荷如图2所示。

图1 办公楼逐时负荷

图2 计算所需办公楼逐时负荷

2 地埋管地源热泵与冰蓄冷联合运行空调系统能耗分析及运行费用计算 2.1 热泵机组能耗分析

热泵机组是地源热泵与冰蓄冷联合运行空调系统中最重要的组成部件，也是最主要的耗能部件。热泵机组的能耗主要由建筑物逐时冷热负荷、热泵机组效率决定。建筑物逐时冷热负荷采用动态负荷模拟软件模拟计算，热泵效率由所选机组特性及进入机组的水温决定。

本文根据所选机组的特性，拟合了不同工况下、不同进口水温时热泵机组的性能函数： 1）设定制冷模式下冷冻水（使用侧）进出口水温为12/7℃,拟合地源侧不同进口水温下的机组性能函数为： COP??2E?05t?0.0762t?7.9668 （1）

22）设定制冰模式下冷冻水（使用侧）进出口水温为-1/-6℃,拟合地源侧不同进口水温下的机组性能函数为： COP??1E?052t?0.076t5? 0 2 6 （2） 5. 23）设定制热模式下空调水（使用侧）进出口水温为40/45℃,拟合地源侧不同进口水温下的机组性能函数为： COP?0.00225t?0.03t?82 . 0 2 1 42 （3）

其中，COP为各工况下热泵机组的性能系数，t为热泵机组地源侧进口水温。

由拟合公式计算各工况下的热泵机组COP值与样本资料值的比较见表1、表2、表3：

表1制冷工况下拟合公式计算值与样本资料值的比较

进口温度 ℃ 12 16 18 进口温度 ℃ 12 16 18 进口温度 ℃ 4 6 8 制冷工况下机组COP值 资料值 7.05 6.74 6.59 拟合值 7.049 6.742 6.589 误差% 0.019 -0.009 0.021 进口温度 ℃ 20 24 28 进口温度 ℃ 20 24 28 进口温度 ℃ 10 12 14 制冷工况下机组COP值 资料值 6.44 6.13 5.82 拟合值 6.435 6.126 5.818 误差% -0.051 -0.001 -0.069 表2制冰工况下拟合公式计算值与样本资料值的比较

制冰工况下机组COP值 资料值 4.28 3.98 3.82 拟合值 4.283 3.976 3.822 误差% 0.006 -0.059 -0.007 制冰工况下机组COP值 资料值 3.67 3.36 3.05 拟合值 3.669 3.361 3.053 误差% 0.048 -0.029 -0.081 表3制热工况下拟合公式计算值与样本资料值的比较

制热工况下机组COP值 资料值 4.22 4.32 4.47 拟合值 4.214 4.340 4.489 误差% -0.106 0.489 0.252 制热工况下机组COP值 资料值 4.68 4.86 5.04 拟合值 4.653 4.840 5.046 误差% -0.618 -0.390 0.119 由上述表中数据可以看出，采用拟合公式计算得出的各工况下的机组COP值与资料值相比误差很小，各工况下误差均在5‰以内。

在拟合出机组COP的计算函数后，只要计算出进入热泵机组地源侧的逐时水温就能计算逐时的热泵COP值。逐时热泵机组地源侧入口水温的计算采用地源热泵专用设计模拟软件“地热之星”模拟计算。软件模拟计算时需输入制冷、制热时所选机组的额定COP值，本文制冷时COP值采用制冷和制冰时额定COP的加权平均值。计算公式如下：

COPp?COPlQsQs?Qg?COPiQgQs?Qg （4）

其中，COPp为制冷和制冰时额定COP的加权平均值；COPl、COPi为制冷、制冰时额定COP值；Qs为全年累加释冷供冷量；Qg为全年累加热泵机组直供供冷量。

这样，已知建筑物逐时冷热负荷、热泵机组效率，则热泵机组的年耗电量W可由下式计算：

87598759W=?Wn?n=0?COPn=0Qn8759??n=0Qnf?tn? （5）

n其中，W为热泵机组年耗电量；Wn为热泵机组逐时耗电量；Qn为建筑物逐时冷热负荷；

COPn为热泵机组逐时性能系数；f?tn?为热泵机组性能系数计算公式，对于不同工况分别

选用对应的拟合公式。

计算供冷季、供暖季的耗电量，结果如图3所示。供热季累积耗电量为43051.74kW，供冷季累积耗电量为90292.81 kW，全年累积耗电量为133344.55 kW。根据热泵机组全年逐时耗电量，再根据山东省的电价结构，计算全年逐时运行费用，结果如图4所示。供热季累积电费为33113元，供冷季累积电费为28438元，全年累积电费为61551元。

图3热泵机组全年逐时耗电量

2.2 泵的能耗分析

图4 热泵机组全年逐时电费

对于泵，其运行期耗电量采用其额定功率乘以有效运行小时数的方法计算。有效运行小时数按如下原则确定：当设备在额定负荷下运行时，有效小时数取实际运行小时数；当设备在部分部分负荷下运行时，有效运行小时数取：实际运行小时数?1）充冷运行方式下耗电量计算式：

MNPg?NP?HE?NP?该月负荷最大月负荷。

?1?k2??(MQSR?MQTg)ECC （6）

其中，MNPg为充冷运行方式下用电量；NP为泵的额定功率；HE为有效运行时间；k2为充制冷站内附加冷负荷，占MQT的百分数，MQT为月供冷负荷；MQSR为蓄冷装置所需月释冷量；MQTg为谷段月供冷负荷；ECC为制冷机组月平均运行工况下的实际制冷能力。 2）供冷时的耗电量计算式：

MNPf?NP?HEf?NP?HRfMQT?MQTgMQTmax （7）

其中，MQTmax为最大月供冷负荷；NP为泵的额定功率；HEf为该月有效供冷运行时间；HRf为该月实际供冷运行时间。 3）供暖时的耗电量计算式：

MNP?NP?HE?NP?HRMQTMQTmax （8）

由图2中数据及所选泵的特性计算各泵的耗电量如表 4所示：

表4各泵耗电量 充、释冷泵 负荷泵 地源侧循环泵 供热季 供冷季 供热季 供冷季 电力谷段耗电电力平段耗电量电力峰段耗电电力尖峰段耗电量kW·Hr kW·Hr 量kW·Hr 量kW·Hr 6435.45 0 0 0 7111.54 0 4417.93 4882.02 2414.56 1681.78 658 1701.4 2079.7 929.88 727.13 0 1677.02 1653.64 916.55 0 根据各泵的耗电量，再根据山东省的电价结构，计算全年运行费用，结果如表5所示：

表5各泵全年运行费用

电力时段 电力谷段 单位电费(元/kW·Hr) 0.24 供热季 耗电量供冷季 kW·Hr 运行年 供热季 电费（元） 供冷季 运行年 0.00 13546.99 13546.99 0.00 3251.28 3251.28 电力平段 0.60 6832.49 6563.80 13396.29 4099.49 3938.28 8037.77 电力峰段 0.96 2631.28 3464.81 6096.09 2526.03 3326.22 5852.25 电力尖峰段 1.02 2593.57 1653.64 4247.21 2645.44 1686.71 4332.15 总计 12057.34 25229.24 37286.58 9270.96 12202.49 21473.45 3 地埋管地源热泵与冰蓄冷联合运行空调系统的经济性评价

地埋管地源热泵与冰蓄冷联合运行空调系统的经济性评价通常采用计算一次投资回收年限和寿命期内年度费用指标两种方法。 3.1初投资回收年限法

地埋管地源热泵与冰蓄冷联合运行空调系统的回收年限宜采用动态回收年限，具体方法是将地埋管地源热泵与冰蓄冷联合运行空调系统与常规电制冷空调的超额投资部分作为建设投资，将每年节省的运行费用作为现金流入，根据适当的基准收益来计算动态回收年限。计算公式为：

Pt??CI?CO??1?i?tct?0'?1?0 （9）

其中，Pt为动态投资回收期；CI为冰蓄冷比常规空调每年节省的运行费用；CO为冰蓄冷比常规空调增加的投资；ic为基准收益率。

本文选取水冷冷水机组+城市热网作为常规系统，分别对冰蓄冷+城市热网系统、地埋管地源热泵系统、地埋管地源热泵与冰蓄冷联合运行空调系统进行了比较，结果如表6所示。

表6各方案回收年限比较

方案 一次性投资（元） 水冷冷水机组冰蓄冷系统+城地埋管地源地埋管地源热泵与冰蓄系统+城市热网 999474 254378 105762 市热网 1330132 254378 44704 5.4 热泵系统 1775627 47470 72329 3.5 冷联合运行空调系统 2175463 42384 40640 4.2 冬季运行的费用（元） 夏季运行费用（元） 回收年限（年） 由上表可以看出，采用地源热泵系统时，机组效率较高，运行费用较低，回收年限最少。由于系统较小，且供暖时无法利用低谷电价，采用冰蓄冷系统回收年限将大于5年。地埋管地源热泵与冰蓄冷联合运行空调系统虽一次投资最大，但运行费用最省，回收年限较合适。 3.2寿命期内年度费用指标法

寿命期内年度费用指标法是将初投资按时间价值分散到各使用年限中去，其中年度费用最小者为最经济方案。这种算法体现了不同系统在经济上的可比性。年度费用的计算公式为:

（10） AF?B?CR?C

其中，AF为年度费用；B为初投资，包括土建，设备购置费，设备安装费等；C为年运行费用；CR为等额分付资本回收系统，CR?使用寿命，取15a；

同样选取水冷冷水机组+城市热网系统、冰蓄冷+城市热网系统、地埋管地源热泵系统、地埋管地源热泵与冰蓄冷联合运行系统四种方案进行比较，结果如表7所示。

表7 各方案平均年度费用

i?1?i?n?1?i?n。其中：i为回收率，取10%；n为

?1方案 年度费用（元） 水冷冷水机组+城冰蓄冷+城市地埋管地源热地埋管地源热泵与冰蓄市热网 热网 泵系统 冷联合运行系统 490071.62 471999.16 370630.51 365834.19 由表7可以看出,地埋管地源热泵与冰蓄冷联合运行空调系统的平均年度费用最小，方案最优。

4 结论

通过几种空调系统的经济性分析可知, 单纯地源热泵系统由于没有冰蓄冷系统的调峰，无法利用电力低谷电价优势，运行费用较地源热泵与冰蓄冷联合运行系统高。单纯冰蓄冷系统因冬季无法供暖，需引入城市热网供热，运行费用有所增加。而地源热泵与冰蓄冷联合运行系统既可利用电力低谷电价优势，又可实现冬季供暖，具有较好的经济效益，值得推广。

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