王立發(fā)，江 劍，欒英波

（1.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京100037；2.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195）

地源熱泵項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化
——以北京市昌平區(qū)某地源熱泵改造工程為例

王立發(fā)1，江 劍1，欒英波2

（1.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京100037；2.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195）

以北京地區(qū)淺層地溫能資源開發(fā)利用現(xiàn)狀調(diào)查為基礎(chǔ)，選取有代表性的昌平區(qū)某地源熱泵供暖改造工程為實(shí)例，對地源熱泵項(xiàng)目進(jìn)行了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析，并對地源熱泵的設(shè)計(jì)方案提出了合理化建議。

地源熱泵；經(jīng)濟(jì)分析；設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

0 引言

淺層地溫能是一種新型的優(yōu)質(zhì)環(huán)保能源，具有可再生、儲量大、清潔環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。開發(fā)利用淺層地溫能資源對改善北京市能源結(jié)構(gòu)，提高可再生能源利用比例，節(jié)能、減排均具有一定意義。根據(jù)北京市“十一五”能源發(fā)展與節(jié)能規(guī)劃，到2010年，北京市可再生能源利用量達(dá)到200萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，力爭達(dá)到占能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中總量4% ，其中熱泵系統(tǒng)供暖面積將達(dá)到3500萬m2。

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，截止到2007年9月底北京地區(qū)已建淺層地溫能資源開發(fā)利用工程479個(gè)，服務(wù)面積達(dá)到1052萬m2。

地下水式地源熱泵（簡稱為水源熱泵）和地埋管式地源熱泵（簡稱為地源熱泵）是北京地區(qū)淺層地溫能資源開發(fā)利用的兩種主要技術(shù)。

水源熱泵項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)需要通過抽取地下水作為能量傳遞的介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)供熱或制冷的目的，地下水在完成熱交換后，必須100%回灌入同一含水層中。因此，區(qū)域水文地質(zhì)條件能否滿足需水量和回灌量要求是項(xiàng)目選址的關(guān)鍵。

地源熱泵項(xiàng)目需根據(jù)項(xiàng)目的總冷、熱負(fù)荷鉆鑿數(shù)量眾多的地埋管孔，從理論講可以在任何地區(qū)和任何地層鉆鑿地埋管孔，但從經(jīng)濟(jì)上考慮，在粗顆粒地層中鉆鑿小口徑孔（150mm）的成孔難度非常大，成本昂貴。另外，地下水水位和流速對單孔換熱能力有著非常重要的影響。因此，區(qū)域地質(zhì)和水文地質(zhì)條件也是決定項(xiàng)目運(yùn)行效果及經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。

淺層地溫能資源開發(fā)利用技術(shù)方案，必須根據(jù)區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)條件確定。技術(shù)方案選擇是否合理，以及主機(jī)、循環(huán)泵選型，外管線布置，末端管理制度等都直接影響項(xiàng)目的投資和運(yùn)行成本。本文是在北京地區(qū)淺層地溫能資源開發(fā)利用現(xiàn)狀調(diào)查的基礎(chǔ)上，選擇昌平區(qū)某地源熱泵供暖改造工程為實(shí)例對地源熱泵項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，并提出了設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。

1 項(xiàng)目的代表性

淺層地溫能資源開發(fā)利用工程經(jīng)濟(jì)性分析涉及因素較多，如在同樣建筑面積的情況下，建筑物不同的使用功能、層高、保溫性能、設(shè)計(jì)方案、外管線布置、末端使用管理制度、地下?lián)Q熱系統(tǒng)效率等都會直接影響到工程的運(yùn)行成本，也就是影響項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。在眾多的已建項(xiàng)目中，選取具有普遍意義的項(xiàng)目進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析十分重要，其分析結(jié)果才具代表性。

北京地區(qū)淺層地溫能資源開發(fā)利用工程現(xiàn)狀調(diào)查，共搜集、整理了65個(gè)地源熱泵項(xiàng)目的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)資料，經(jīng)過綜合分析，將昌平區(qū)某地源熱泵項(xiàng)目列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目。該項(xiàng)目的5項(xiàng)特征具有普遍性意義。

（1）單獨(dú)供暖、制冷

該項(xiàng)目單獨(dú)供暖、制冷，不含生活熱水，沒有任何輔助冷、熱源（如冰蓄冷、電加熱和冷卻塔等），便于單獨(dú)分析、計(jì)算地源熱泵項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。

（2）改造項(xiàng)目

該項(xiàng)目為供暖、制冷設(shè)備改造項(xiàng)目（未對建筑物保溫性能進(jìn)行改造），原有供暖方式為燃油鍋爐供暖，制冷方式為分體式空調(diào)供冷，項(xiàng)目原有方案的供暖成本清楚。在改造項(xiàng)目運(yùn)行后可以直接的進(jìn)行方案經(jīng)濟(jì)性對比。

（3）方案選擇、總體設(shè)計(jì)合理、施工難度適中

項(xiàng)目采用地源熱泵技術(shù)與當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件相符；項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案合理；項(xiàng)目開工前，進(jìn)行了前期勘察和打孔試驗(yàn)，施工難度適中。

（4）項(xiàng)目運(yùn)行后，各項(xiàng)監(jiān)測記錄完整

項(xiàng)目管理單位認(rèn)真，對各項(xiàng)重要數(shù)據(jù)記錄完整，包括日耗電量、末端和地埋側(cè)進(jìn)、出水溫度等，有利于進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析。

（5）項(xiàng)目功能、使用程度具有代表性

項(xiàng)目建筑主要為辦公室、住宅、旅館等，均為普通建筑物，有別于場館、游泳池、大棚等非常用建筑物，使用程度為整個(gè)供暖季全天24小時(shí)，有別于學(xué)校等間歇性供暖單位。

由于該項(xiàng)目具有上述特點(diǎn)，其經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果具有參考價(jià)值。

2 項(xiàng)目簡介

昌平區(qū)某地源熱泵改造工程位于昌平區(qū)城南約5km，占地面積近30000m2，工程總建筑面積10000m2，其中辦公室、餐廳、客房及其他附屬建筑的總建筑面積8400m2，臨時(shí)用房約1600m2（圖1）。建筑物分散、使用功能多樣。原先采用燃油鍋爐供暖，分體式空調(diào)制冷，由于燃油鍋爐已到使用年限，需要更新。

圖1 場區(qū)建筑物分布及鉆孔分布示意圖

經(jīng)水文地質(zhì)勘察，工程地點(diǎn)位于溫榆河上游支流東沙河形成的小沖洪積扇下部，地層以粘砂，粉砂為主，富水性一般，單井出水量在5000m3/d左右，回灌量一般只有抽水量的30%，因此，當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件不適宜采用水源熱泵技術(shù)。根據(jù)項(xiàng)目場區(qū)綠地、公共道路面積較大的特點(diǎn)，地質(zhì)勘察部門推薦采用地源熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)冬季供暖、夏季供冷。

設(shè)計(jì)院提供空調(diào)熱負(fù)荷為618kw，冷負(fù)荷為773kw。

項(xiàng)目于2005年8月開工建設(shè)，同年11月正式完工。工程總投資約440萬元，設(shè)計(jì)安裝了2臺克萊門特主機(jī)，4臺循環(huán)泵（2用2備），主機(jī)及循環(huán)泵耗電量均單獨(dú)計(jì)量，為經(jīng)濟(jì)性分析打下了基礎(chǔ)。項(xiàng)目共計(jì)施工了183個(gè)地埋管孔（100m，單U，PE管），所有鉆孔均布置在場區(qū)綠地和停車場地面下，見圖1。

3 經(jīng)濟(jì)評價(jià)方法

為解決冬季供暖問題，業(yè)主有兩種選擇方案：

方案一：繼續(xù)采用燃油鍋爐供暖，即更新燃油鍋爐和附屬管線；

方案二：采用地源熱泵供暖。

根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)評價(jià)擬采用費(fèi)用效果分析法。費(fèi)用效果分析系指通過比較項(xiàng)目預(yù)期效果與所支付的費(fèi)用，判斷項(xiàng)目費(fèi)用有效性或經(jīng)濟(jì)合理性。費(fèi)用效果分析中的費(fèi)用系指為實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目預(yù)定目標(biāo)所付出的財(cái)務(wù)代價(jià)或經(jīng)濟(jì)代價(jià)，采用貨幣計(jì)量。費(fèi)用效果分析法遵循多方案比選的原則，所分析項(xiàng)目應(yīng)滿足下列條件：

（1）備選方案不少于兩個(gè)，且為互斥方案或可轉(zhuǎn)化為互斥型方案；

（2）備選方案有共同的目標(biāo)；

（3）備選方案的費(fèi)用應(yīng)能貨幣化；

（4）備選方案應(yīng)具有可比的壽命周期。

（5）效果應(yīng)采用同一非貨幣計(jì)量單位衡量。

根據(jù)上述要求，對項(xiàng)目采用費(fèi)用效果分析法的適應(yīng)性進(jìn)行分析：

（1）本項(xiàng)目備選方案有兩個(gè)，為互斥方案，也就是只能采用方案一、二中的其中一個(gè)；

（2）項(xiàng)目有共同的目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)冬季供暖。根據(jù)現(xiàn)有的暖通空調(diào)技術(shù)，兩種方案效果均能滿足要求，且效果難于貨幣化。

（3）兩種方案費(fèi)用（也就是成本）均能夠貨幣化，均為初投資和運(yùn)行成本。

（4）方案一燃油鍋爐的使用壽命為8年，每8年增加鍋爐費(fèi)用為50萬元；方案二地源熱泵主機(jī)的使用壽命為15年，每15年增加主機(jī)費(fèi)用60萬元，地埋管使用壽命為50年計(jì)算。

（5）由于未對末端建筑物進(jìn)行改造，可以認(rèn)為兩種方案熱負(fù)荷相等，供暖效果一致。需要指出的是：方案二還可實(shí)現(xiàn)夏季制冷，且淘汰了普通分體式空調(diào)機(jī)，因此方案二效果明顯大于方案一，但為評價(jià)工作便利，將方案一、方案二效果概化相同。

通過上述適應(yīng)性分析，確定費(fèi)用效果分析法適用于本項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)評價(jià)。

4 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性評價(jià)

方案一、方案二的費(fèi)用均由初投資和運(yùn)行成本構(gòu)成。下面將兩種方案的初投資和運(yùn)行成本進(jìn)行對比。

（1）方案一

①初投資

方案一初投資由購置燃油鍋爐、更新附屬陳舊設(shè)備及管線、安裝調(diào)試費(fèi)用構(gòu)成，投資金額約為50萬元，見表1（數(shù)據(jù)為業(yè)主提供）。

表1 方案一初投資計(jì)劃表

②運(yùn)行成本

冬季運(yùn)行成本由業(yè)主根據(jù)多年實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)提供，主要由柴油、循環(huán)泵耗電量、人工成本構(gòu)成，見表2。

表2 方案一冬季運(yùn)行成本統(tǒng)計(jì)表

（2）方案二

①初投資

業(yè)主采用方案二的實(shí)際初投資金額為440萬元（含施工和設(shè)計(jì)），主要為主機(jī)購置和安裝、地埋管孔施工、風(fēng)機(jī)盤管購置和安裝、外管線施工等。工程于2005年11月竣工完成。

②運(yùn)行成本

方案二已實(shí)際運(yùn)行了兩個(gè)供暖季，分別為2005~2006和2006~2007供暖季，運(yùn)行成本為主機(jī)、循環(huán)泵、風(fēng)機(jī)盤管實(shí)際耗電量成本，見表3。

表3 項(xiàng)目運(yùn)行成本統(tǒng)計(jì)表 （萬度）

很明顯，方案一初投資較小，但運(yùn)行成本昂貴；方案二初投資大，但運(yùn)行成本低廉，見圖2和圖3。

圖2 方案一和方案二初投資對比圖

圖3 方案一和方案二運(yùn)行成本對比圖

為科學(xué)評價(jià)兩種方案，根據(jù)費(fèi)用現(xiàn)值（PC）和費(fèi)用年值（AC）來計(jì)算，其前提是：假定在評價(jià)周期內(nèi)，柴油、電費(fèi)、人工成本、銀行折現(xiàn)率等保持不變。

根據(jù)方案一，燃油鍋爐的使用壽命為7~8年，每7~8年增加鍋爐費(fèi)用為50萬元；根據(jù)方案二，地源熱泵主機(jī)的使用壽命為15年，每15年增加主機(jī)費(fèi)用60萬元，地埋管使用壽命為50年計(jì)算；

項(xiàng)目費(fèi)用現(xiàn)值（PC）計(jì)算公式：

n —— 計(jì)算期；

i —— 折現(xiàn)率；

經(jīng)計(jì)算，方 需要說明的是，計(jì)算過程中在運(yùn)行的第7年，第15年，第22年，第30年，因燃油鍋爐使用壽命到 各增加鍋爐費(fèi)用為50萬元。同樣 的第15年，第30年，地源熱泵主機(jī)的使用壽 各增60萬元。

表4 項(xiàng)目投資方案費(fèi)用現(xiàn)值表 （萬元）

由表中可以看出，在假定兩種方案供暖效果一致的情況下（也就是未考慮方案二可以夏季使用的情況和方案二的環(huán)保、安全效益），在運(yùn)行后的第5年，方案一的費(fèi)用現(xiàn)值458萬元，而方案二的費(fèi)用現(xiàn)值629萬元，方案二高于方案一171萬元，而第10年方案二低于方案一48萬元，在第15年，20年，25年，30年方案二的費(fèi)用現(xiàn)值低于方案一越來越多，逐步顯示出方案二的優(yōu)越性。

經(jīng)計(jì)算，兩方案約在運(yùn)行后第8.5年費(fèi)用現(xiàn)值相等，見方案一、二費(fèi)用現(xiàn)值對比圖4，從圖中可以看出在第15年和第30年，兩種方案均更新設(shè)備后，也就是兩種方案均處于新的工作狀態(tài)，方案二的費(fèi)用現(xiàn)值仍低于方案一，顯示出方案二的優(yōu)勢。

圖4 方案一、方案二費(fèi)用現(xiàn)值對比圖

費(fèi)用年值（AC）計(jì)算公式：

式中：（A/P,I,t）——資金回收系數(shù)

經(jīng)計(jì)算，兩種方案費(fèi)用年值表見表5。

表5 項(xiàng)目投資方案費(fèi)用年值表 （萬元）

從表中同樣可以看出，方案二的費(fèi)用年值在前期較方案一高，隨著時(shí)間推移，方案二的經(jīng)濟(jì)效益逐漸顯現(xiàn)出來，在第15年方案一的費(fèi)用年值為102萬元，而方案二費(fèi)用年值為85萬元，節(jié)省17萬元，第30年節(jié)省29萬元。

兩種方案費(fèi)用年值對比見圖5。

圖5 方案一、方案二費(fèi)用年值對比圖

結(jié)論已經(jīng)很清晰，兩種方案在費(fèi)用現(xiàn)值與費(fèi)用年值的比較中，前期燃油方案費(fèi)用低于地源方案，后期燃油方案高于地源方案，兩種方案在約8.5年左右費(fèi)用平衡。

5 項(xiàng)目技術(shù)分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

利用經(jīng)濟(jì)性分析成果對項(xiàng)目的技術(shù)方案和管理制度進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，在保證供暖效果不變的前提下，實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)電，以降低運(yùn)行成本是進(jìn)行各項(xiàng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析的最終目的。

盡管本項(xiàng)目采用地源熱泵單位面積供暖成本較高（41元/m2），但與燃油鍋爐相比(88.19元/m2)，還是節(jié)省了一半的運(yùn)行成本，且與燃油方案在約8.5年左右費(fèi)用現(xiàn)值相同，在一定程度上體現(xiàn)出了地源熱泵項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性。

在經(jīng)濟(jì)性分析的基礎(chǔ)上，經(jīng)過實(shí)地調(diào)查找出了地源熱泵運(yùn)行成本偏高的原因是：

（1）循環(huán)泵耗電量過大

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，項(xiàng)目冬季運(yùn)行時(shí)循環(huán)泵所耗電量占總耗電量的36%，在夏季運(yùn)行時(shí)循環(huán)泵所耗電量占總耗電量的45%，明顯高于一般項(xiàng)目，原因一：末端建筑分散，導(dǎo)致循環(huán)泵設(shè)計(jì)功率大（22kw）。經(jīng)實(shí)際調(diào)查，項(xiàng)目南北相距320m，東西距60m，大多數(shù)建筑物只有一層，且分布分散。原因二：項(xiàng)目共施工地埋管孔183個(gè)，由于場地限制，地埋管孔分布分散，且距主機(jī)房較遠(yuǎn)，導(dǎo)致地埋側(cè)循環(huán)泵功率大（22kw）。原因三：循環(huán)泵均未安裝變頻裝置，也就是說只要主機(jī)運(yùn)行，循環(huán)泵就消耗44kw/h電量，這在供暖初期和末期明顯不經(jīng)濟(jì)。原因四：項(xiàng)目單孔換熱能力設(shè)計(jì)為22w/m，與一般項(xiàng)目相比明顯偏低，導(dǎo)致項(xiàng)目初投資偏大和地埋側(cè)循環(huán)泵功率偏大。

（2）項(xiàng)目供暖期長達(dá)5個(gè)月

因項(xiàng)目位于昌平區(qū)，天氣較城區(qū)寒冷，供暖時(shí)間長達(dá)5個(gè)月，較正常供暖時(shí)間多出一個(gè)月。

（3）項(xiàng)目電價(jià)偏高，未實(shí)現(xiàn)峰谷電價(jià)

項(xiàng)目業(yè)主實(shí)際繳納的電費(fèi)為0.79元/kw·h，由于地源熱泵項(xiàng)目運(yùn)行成本基本就是供電成本，電價(jià)偏高直接導(dǎo)致供暖成本增加。由于冬季供暖時(shí)，主機(jī)耗電量主要集中在晚上，但項(xiàng)目未實(shí)行峰谷電價(jià)，優(yōu)勢未體現(xiàn)出來。

（4）項(xiàng)目建筑為輕體房，保溫性能較差，導(dǎo)致負(fù)荷偏大，增加了主機(jī)的耗電量。

針對上述問題和不足，提出了優(yōu)化方案和建議：

（1）采用分散式機(jī)房和自動變頻控制

針對項(xiàng)目建筑物分散和地埋管孔分散的實(shí)際情況，建議采用分散式機(jī)房，提高系統(tǒng)的COP值，這在建筑物分散且服務(wù)面積較大的項(xiàng)目中尤其顯得重要。

采用自動變頻控制是降低能耗的有效方法，應(yīng)注意流速降低后，最遠(yuǎn)端建筑的供暖效果，或?qū)⒀h(huán)泵在揚(yáng)程不變情況下，采用兩臺小流量（原泵流量的一半）循環(huán)泵，然后根據(jù)實(shí)際情況控制循環(huán)泵開啟的數(shù)量。

如果最遠(yuǎn)端建筑物面積較小，建議采用其它方式供暖。本項(xiàng)目最遠(yuǎn)端為一加油站，服務(wù)面積僅30m2左右，為了給其供暖不但增加了管徑，也增大了循環(huán)泵功率，從經(jīng)濟(jì)上講不如直接采用兩用空調(diào)更為節(jié)省。

（2）加強(qiáng)管理制度

主機(jī)耗電量是根據(jù)末端負(fù)荷確定的，負(fù)荷降低能夠直接降低運(yùn)行成本。因此，采用有效的管理制度降低末端負(fù)荷將節(jié)省運(yùn)行成本。如：夜間將辦公室溫度控制在5℃左右，白天在宿舍無人時(shí)將宿舍溫度適當(dāng)降低等靈活措施將能夠有效降低運(yùn)行成本。

項(xiàng)目供暖時(shí)間長達(dá)5個(gè)月，在供暖的初期和末期根據(jù)天氣情況，適當(dāng)開停主機(jī)也是節(jié)能非常重要的措施。

（3）建議有關(guān)部門擴(kuò)大峰、谷電價(jià)適用范圍。采用峰、谷電價(jià)，再加上儲熱、儲冷裝置利用夜間電價(jià)較低時(shí)儲熱或儲冷，然后在白天循環(huán)使用，將能夠有效節(jié)省運(yùn)行成本。

（4）加強(qiáng)研究和監(jiān)測。根據(jù)地埋側(cè)供回水溫度適當(dāng)調(diào)整地埋側(cè)循環(huán)泵功率和型號，將有進(jìn)一步節(jié)能空間。其監(jiān)測數(shù)據(jù)將作為今后其它工程重要的設(shè)計(jì)參數(shù)（單延長米換熱能力）。

6 結(jié)論

（1）在未考慮地源熱泵方案可以夏季制冷，運(yùn)行時(shí)安全、清潔、環(huán)保和無人值守的特點(diǎn)，采用費(fèi)用效果分析法，地源熱泵供暖方案與燃油方案相比，前期燃油方案費(fèi)用低于地源方案，后期燃油方案高于地源方案，兩種方案在約8.5年左右費(fèi)用平衡。

（2）針對經(jīng)濟(jì)性分析中發(fā)現(xiàn)的地源熱泵冬季供暖時(shí)運(yùn)行成本偏高的情況，提出了采用分散式機(jī)房、采用變頻控制、變換循環(huán)泵型號等技術(shù)優(yōu)化方案，并根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況提出了進(jìn)一步加強(qiáng)管理制度的詳細(xì)措施。

Economical Assessment and Design Optimization on the Ground Source Heat Pump(GSHP)—To Take a GSHP Upgrading Project in Changping District of Beijing as Example

WANG Lifang1，JIANG Jian1，LUAN Yingbo2
（1.Beijing Geo-engineering Investigation Institute, Beijing 100037; 2. Beijing Geological Mineral Exploration and Development Bureau，Beijing 100195）

Based on current investigation of Beijing shallow geothermal energy development, a heating upgrading project used by Ground Source Heat Pump (GSHP) in Changping Distinct is selected to an example. Moreover the economical index and technology design have been assessed, and some reasonable suggestions on the design plan of the GSHP have been put forward.

Ground Source Heat Pump(GSHP); economical Assessment; design Optimization

（略）

F223

A

1007-1903(2009)02-0004-06