王 勇，劉清華

（重慶大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045）

地源熱泵（GSHP）是利用地下土壤溫度相對(duì)穩(wěn)定的特性，通過埋于建筑物周圍的管路系統(tǒng)與建筑物內(nèi)部完成熱交換的裝置。實(shí)際工程中，在空調(diào)方案設(shè)計(jì)階段進(jìn)行的冷熱源技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析多為靜態(tài)分析，忽略了資金的時(shí)間價(jià)值，而動(dòng)態(tài)分析則考慮了資金的時(shí)間價(jià)值，也即全壽命周期成本分析。全壽命周期成本的概念首先由美國(guó)軍方于20世紀(jì)60年代提出，應(yīng)用于軍用器材采購(gòu)領(lǐng)域，并迅速推廣到民用企業(yè)，繼而國(guó)際建筑研究和文獻(xiàn)委員會(huì)（CIB）建筑經(jīng)濟(jì)學(xué)組在多屆年會(huì)上討論了壽命周期費(fèi)用的原理、方法和應(yīng)用[1－2]。國(guó)外學(xué)者Luaye等對(duì)澳大利亞商務(wù)辦公樓全壽命周期的費(fèi)用構(gòu)成進(jìn)行了分析，并對(duì)建筑物每平方米的用電、能源消耗以及全壽命周期進(jìn)行了分析[3]。Greyvenstein等針對(duì)南非的生活熱水供應(yīng)情況，對(duì)熱泵系統(tǒng)和太陽(yáng)能熱水器進(jìn)行了全壽命周期成本比較，最終得出在南非地區(qū)利用熱泵供應(yīng)生活熱水更具有成本效益的結(jié)論[4]。

LCC概念在我國(guó)起步較晚，以解放軍海軍工程大學(xué)張俊邁等人為主的團(tuán)隊(duì)致力于推動(dòng)LCC技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展，開創(chuàng)了中國(guó)LCC研究的先河[5]。清華大學(xué)江億院士從生產(chǎn)能耗、運(yùn)行能耗和間接能耗三個(gè)方面對(duì)我國(guó)城鎮(zhèn)住宅節(jié)能空調(diào)器進(jìn)行了壽命周期費(fèi)用的研究，并得出壽命周期費(fèi)用研究比單純考慮運(yùn)行能耗更為科學(xué)的結(jié)論[6]。同濟(jì)大學(xué)的周立等利用我國(guó)1977—2005年間的通貨膨脹率以及社會(huì)折現(xiàn)率等數(shù)據(jù)，結(jié)合國(guó)際組織的統(tǒng)計(jì)資料，討論了社會(huì)折現(xiàn)率的確定問題，建議在全壽命周期分析中的折現(xiàn)率采用2%～3%[7]。吉林大學(xué)高青教授等對(duì)地源熱泵的間歇控制方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為間歇過程可使熱量充分?jǐn)U散及地溫得以恢復(fù)，以最少的井孔數(shù)布置，最大程度地發(fā)揮換熱單元的換熱能力[8]。

對(duì)于地源熱泵系統(tǒng)而言，當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷超出了地下?lián)Q熱器的換熱能力時(shí)，換熱器的換熱效率將會(huì)降低，這將使換熱能耗增加，并進(jìn)而影響換熱成本，即影響熱泵系統(tǒng)的全壽命周期成本。在夏季，室內(nèi)冷負(fù)荷向大地轉(zhuǎn)移的熱量過多，埋管區(qū)域的地溫將過度升高，同理，在冬季將使地溫過度降低。對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)期的運(yùn)行過程，向大地吸收和釋放熱量的不平衡，將改變初始地溫，進(jìn)而將影響地下?lián)Q熱器的換熱效率。系統(tǒng)的啟停狀態(tài)決定了地下?lián)Q熱器的連續(xù)和間歇換熱狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，地下?lián)Q熱器所承擔(dān)的熱量將不斷排向大地；而在間歇運(yùn)行狀態(tài)下，地下?lián)Q熱器不再承擔(dān)負(fù)荷，但由于前一個(gè)運(yùn)行狀態(tài)的熱量堆積在埋管的周圍，熱量仍然將繼續(xù)向外擴(kuò)散，這改變了地下?lián)Q熱器附近的溫度。即在冬、夏季狀態(tài)下，間歇運(yùn)行可使地下?lián)Q熱器附近的溫度向初始溫度進(jìn)行“恢復(fù)”?！盎謴?fù)”的程度將直接影響地下?lián)Q熱器換熱效率，進(jìn)而影響系統(tǒng)運(yùn)行成本。因此，有必要研究間歇運(yùn)行對(duì)地源熱泵系統(tǒng)全壽命周期成本的影響。

1 豎埋管地源熱泵系統(tǒng)全壽命周期成本數(shù)學(xué)模型

1.1 熱泵系統(tǒng)全壽命周期成本組成分析

全壽命周期成本（life cycle cost，簡(jiǎn)稱LCC）是評(píng)價(jià)能源工程經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，該指標(biāo)綜合了能源工程的初投資和其壽命周期內(nèi)的總運(yùn)行費(fèi)用值[9]。就地源熱泵系統(tǒng)而言，對(duì)于特定的建筑負(fù)荷，地埋管換熱器越長(zhǎng)，系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用越低，而對(duì)應(yīng)的初投資越高，在系統(tǒng)的壽命周期內(nèi)，綜合初投資和運(yùn)行費(fèi)用等因素，可確定地源熱泵系統(tǒng)的LCC值。豎埋管地壤源熱泵系統(tǒng)的LCC值的基本組成如下：

1）初投資成本。初投資成本為工程建設(shè)所進(jìn)行的勘察、設(shè)計(jì)、設(shè)備采購(gòu)、施工安裝，直至系統(tǒng)運(yùn)行之間所發(fā)生的一切成本。對(duì)于地源熱泵系統(tǒng)而言，地質(zhì)勘探成本和地埋管的施工安裝成本是應(yīng)重點(diǎn)考慮的問題。

2）運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用。運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用指由于系統(tǒng)運(yùn)行而產(chǎn)生的能源費(fèi)用，包括電費(fèi)和燃料費(fèi)用、運(yùn)行人員的工資以及檢查和維修保養(yǎng)費(fèi)等。當(dāng)系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用沒有很詳細(xì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，可以按設(shè)備折舊費(fèi)用的10%進(jìn)行估算。設(shè)備折舊年限根據(jù)我國(guó)有關(guān)的財(cái)務(wù)制度規(guī)定平均為13～15年，計(jì)算設(shè)備折舊費(fèi)用要用到殘值率，殘值率一般取3%～5%[10]。

3）廢棄處理費(fèi)用。廢棄處理成本具體指到空調(diào)系統(tǒng)壽命終止期后發(fā)生的處理成本，包括拆除處置、環(huán)保處理等產(chǎn)生的成本。這里的壽命終止期可以指從設(shè)備使用的角度上來(lái)分析已不具備使用條件，也可指設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命，即從經(jīng)濟(jì)性的角度上，可以更新替換，來(lái)獲取更經(jīng)濟(jì)的效果。

4）殘值。通常來(lái)說(shuō)空調(diào)系統(tǒng)壽命終止時(shí)，空調(diào)設(shè)備仍具有一定的殘值，為了簡(jiǎn)化分析，可以考慮設(shè)備殘值與廢棄處理成本相互抵消。

1.2 熱泵系統(tǒng)全壽命周期計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

運(yùn)用全壽命周期成本方法分析地源熱泵系統(tǒng)首先要建立成本數(shù)學(xué)模型，主要考慮系統(tǒng)的初投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用，計(jì)算其全壽命周期成本。按系統(tǒng)初投資費(fèi)用、運(yùn)行成本、維護(hù)成本和殘值，并結(jié)合以上分析，建立地源熱泵系統(tǒng)的LCC的數(shù)學(xué)模型為[11]：

當(dāng)考慮設(shè)備殘值與廢棄處理成本相互抵消以及不考慮能源價(jià)格變動(dòng)因素時(shí)，地源熱泵系統(tǒng)的LCC的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化為：

式中：LCC為地源熱泵系統(tǒng)全壽命周期成本，萬(wàn)元；IC為系統(tǒng)初投資費(fèi)用，萬(wàn)元；OCt為第t年的運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用、廢棄處理費(fèi)用等[12]，萬(wàn)元；DC為廢棄處理成本，萬(wàn)元；t為設(shè)備已使用的年數(shù)，年；n為經(jīng)濟(jì)壽命期，取15年；i為折現(xiàn)率，取8%。

2 間歇運(yùn)行對(duì)熱泵系統(tǒng)全壽命周期成本影響的計(jì)算模型

2.1 物理模型分析

2.1.1 假設(shè)條件

以換熱孔管群為研究對(duì)象，忽略各換熱孔內(nèi)U型管兩管腳的影響，將U型管的放熱量看成一個(gè)源項(xiàng)放熱量放在控制方程中，在土壤中的熱傳遞假設(shè)成為純導(dǎo)熱的方式進(jìn)行，物理模型的假設(shè)如下：

1）土壤初始溫度均勻，不隨地層深度的增加而改變；

2）地下土壤的物性均勻一致，不隨溫度的改變而改變；

3）忽略地表溫度變化對(duì)頂層土壤的影響，忽略空氣和地表面的對(duì)流換熱熱阻忽略雨雪凍結(jié)的影響；

4）忽略地下水遷移對(duì)傳熱的影響。

2.1.2 計(jì)算條件

1）初始條件。本次計(jì)算為某豎埋管地源熱泵系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)的換熱計(jì)算，選擇從夏季開始進(jìn)行計(jì)算，土壤初始溫度根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果確定為18℃，PE管、回填材料及土壤的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.44、1.5、2.04W（／m·K），并以6月1日早上8：00的負(fù)荷為初始輸入負(fù)荷，即系統(tǒng)初次投入運(yùn)行時(shí)刻的負(fù)荷。

2）邊界條件。該辦公建筑豎埋管地源熱泵系統(tǒng)共有60個(gè)換熱孔，以管群的中心為界，可劃分為四個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域各15個(gè)換熱孔，相鄰的兩界線設(shè)置為對(duì)稱面邊界條件。

埋管的進(jìn)口設(shè)為速度入口，速度值設(shè)定為0.8m／s（根據(jù)流量以及管徑計(jì)算得出），溫度值由前一步迭代計(jì)算終止的埋管出口溫度值以及埋管與大地間的換熱量（該部分包含了逐時(shí)的制冷、熱量）所決定，通過UDF函數(shù)輸入Fluent流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件，賦初值為18℃（初始地溫）。埋管的出口設(shè)置為壓力出口邊界條件。

U型管管壁設(shè)置為固定無(wú)滑移的壁面邊界條件[13]，同時(shí)它也是管內(nèi)流體和管外回填材料這兩個(gè)區(qū)域間的耦合換熱壁面。

換熱孔側(cè)壁也設(shè)置為固定無(wú)滑移的壁面邊界條件，時(shí)它也是換熱孔內(nèi)回填材料和巖土這兩個(gè)區(qū)域間的耦合換熱壁面。

由于巖土及換熱孔的上表面直接與空氣接觸，因此將它們?cè)O(shè)置為對(duì)流換熱的壁面邊界條件，邊界面周圍空氣溫度設(shè)為32.5℃，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)設(shè)為1.2W／（m2·K）[14]。

2.2 計(jì)算模型的建立

2.2.1 地下?lián)Q熱器管群數(shù)學(xué)模型

豎埋管換熱器管群及換熱孔內(nèi)的熱量傳輸過程相當(dāng)復(fù)雜，管群和周圍土壤之間長(zhǎng)期進(jìn)行著大范圍的熱量交換。土壤中整個(gè)熱量傳輸過程由周圍的每個(gè)換熱器局部熱量傳輸過程組成，整個(gè)蓄熱區(qū)域內(nèi)局部熱量傳輸過程具有相同的特性[15－16]。

對(duì)于地下?lián)Q熱器三維管群換熱模型，由于地埋管管內(nèi)流體是水，因此可以看作為不可壓縮流體，采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε兩方程模型，近壁區(qū)利用壁面函數(shù)法求解。在不考慮源項(xiàng)的情況下，連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程以及運(yùn)輸方程分別見式（3）～（7）[17－18]：

對(duì)于管群模型的巖土部分，換熱過程為三維非穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)熱過程，無(wú)內(nèi)熱源存在，其控制方程為：

式中：ρe、ce分別表示巖土的密度和比熱。

2.2.2 系統(tǒng)能耗數(shù)學(xué)模型

1）機(jī)組能耗模型的建立。該工程冷熱源選用螺桿式地源熱泵機(jī)組，現(xiàn)以螺桿式地源熱泵機(jī)組為研究對(duì)象，根據(jù)ASHRAE Handbook[19]上的熱泵機(jī)組的耗功量推薦式，將熱泵機(jī)組的耗功量擬合為機(jī)組蒸發(fā)器與冷凝器進(jìn)口溫度的函數(shù)，即

式中：f為熱泵機(jī)組耗功量，kW；N為熱泵機(jī)組的名義耗功率，kW；Tcl為地源側(cè)機(jī)組進(jìn)水溫度，℃；Tel為負(fù)荷側(cè)機(jī)組進(jìn)水溫度，℃為回歸用地源側(cè)機(jī)組進(jìn)水溫度平均值，℃為回歸用負(fù)荷側(cè)機(jī)組進(jìn)水溫度平均值，℃；Dij為回歸系數(shù)，由機(jī)組實(shí)際性能決定。

根據(jù)熱泵機(jī)組在各工況下的設(shè)備參數(shù)，采用Matlab進(jìn)行最小二乘擬合，得到上式中各回歸系數(shù)＝NDij的值，回歸系數(shù)值見表1。

表1 地源熱泵機(jī)組能耗模型回歸系數(shù)值表

2）水泵能耗模型的建立。對(duì)于熱泵系統(tǒng)的地源側(cè)而言，循環(huán)水泵的能耗是影響熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果的關(guān)鍵因素。因此，需建立地源熱泵系統(tǒng)循環(huán)水泵的能耗模型。地源熱泵系統(tǒng)循環(huán)水泵的H－G，η－G的關(guān)系曲線方程建立如下：

所選擇的地源熱泵系統(tǒng)循環(huán)水泵的軸功率方程為

根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)水泵能耗方程，結(jié)合水泵實(shí)際樣本參數(shù)，采用最小二乘法原理，按照流量與水泵能耗的三次函數(shù)關(guān)系，擬合出不同工況點(diǎn)下的水泵能耗與水流量關(guān)系式（管路特性曲線不變）：

式中：Wwp為水泵軸功率，kW；L為流經(jīng)水泵的循環(huán)水流量，m3／h；H為循環(huán)水泵揚(yáng)程，m；367為計(jì)算常數(shù)；η為水泵的效率，% ；a0、a1、a2、b0、b1、b2為曲線方程系數(shù)；R2為擬合優(yōu)度。

結(jié)合式（13）～（14），所以有

式中：Q（k）為k時(shí)刻的熱泵機(jī)組的實(shí)際制冷（熱）量，kW；Δt為循環(huán)水的進(jìn)出水溫差，℃；m0、m1、m2和m3為擬合系數(shù)。

3）末端風(fēng)系統(tǒng)的能耗模型建立。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[20]，基于單位冷（熱）量耗功率k，末端風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗與主機(jī)的實(shí)際制冷（熱）量的關(guān)系式為

式中：Wmd為末端風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗，kW；Q（t）為主機(jī)在每一時(shí)刻的實(shí)際制冷（熱）量，kW；k為空調(diào)末端風(fēng)系統(tǒng)的單位冷（熱）量耗功系數(shù)，其值與建筑功能有關(guān)，辦公建筑取0.033，賓館建筑取0.014，商場(chǎng)建筑取0.05。

3 工程背景

3.1 工程概況

該工程為重慶市某辦公建筑，總建筑面積為2273.17m2，冷熱源采用地源熱泵系統(tǒng)，熱泵系統(tǒng)夏、冬季為3＃裙房（共四層）供冷、熱，3＃樓一層主要為休閑茶餐廳、食堂及咖啡廳，二層主要為辦公室和閱覽室，三層和四層為專家公寓和備用房。

3.2 建筑負(fù)荷特征

地源熱泵系統(tǒng)是為控制建筑物熱濕環(huán)境服務(wù)的，其運(yùn)行受到負(fù)荷特性的影響。當(dāng)建筑物冷熱負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，熱泵機(jī)組的性能參數(shù)相應(yīng)發(fā)生變化，并隨之影響地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱器的換熱。因此，建筑負(fù)荷的全年變化特征分析是地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱器換熱性能分析的前提。本文以該實(shí)際某辦公建筑為例，建立了DeST模擬模型，并計(jì)算得到該建筑的全年逐時(shí)負(fù)荷，如圖1所示。

圖1 重慶市某辦公建筑逐時(shí)負(fù)荷圖

辦公建筑的功能和使用特點(diǎn)決定了其特有的負(fù)荷特點(diǎn)。該辦公建筑的最大負(fù)荷出現(xiàn)在7月1日16：00左右，最大值為278.78kW，冬季峰值負(fù)荷出現(xiàn)在1月19日6：00，其值為130.1kW。全年最大累計(jì)冷負(fù)荷為26450kW，全年最大累計(jì)熱負(fù)荷為9027.8kW，全年最大累計(jì)熱負(fù)荷約為最大累計(jì)冷負(fù)荷的34.13%。

3.3 運(yùn)行調(diào)節(jié)方式

由于辦公建筑的負(fù)荷特性受社會(huì)生活模式的影響，一天中非零負(fù)荷持續(xù)時(shí)間與人員上下班時(shí)間一致。該辦公建筑地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)6、7、8、9四個(gè)月夏季制冷，12、1、2三個(gè)月冬季制熱，熱泵系統(tǒng)每天運(yùn)行時(shí)間為8：00—17：00。該地源熱泵系統(tǒng)的壽命周期確定為15年。本次計(jì)算的運(yùn)行方式分為以下兩種工況：

工況1：連續(xù)運(yùn)行模式，地源熱泵在6—9四個(gè)制冷月及12—2三個(gè)制熱月內(nèi)每天運(yùn)行；

工況2：間歇運(yùn)行模式，采用日間歇方式，即在6～9四個(gè)制冷月內(nèi)的每周周六、周日系統(tǒng)停機(jī)休息。

該辦公建筑豎埋管地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行中，運(yùn)行管理人員對(duì)熱泵機(jī)組設(shè)置了100%、67%、33%、0%四個(gè)能量調(diào)節(jié)檔。機(jī)組的啟停條件如下：在制冷工況下，當(dāng)冷凍水出機(jī)組的溫度大于8℃時(shí)機(jī)組開機(jī)，小于6℃時(shí)機(jī)組關(guān)機(jī)；在制熱工況下，當(dāng)用戶側(cè)機(jī)組出水溫度大于48℃時(shí)機(jī)組停機(jī)，小于46℃時(shí)機(jī)組開機(jī)。本文針對(duì)該辦公建筑豎埋管地源熱泵系統(tǒng)，在保證設(shè)計(jì)冷、熱負(fù)荷值不變的前提下，分別進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行和間歇運(yùn)行，工況1和工況2的全年累計(jì)冷熱負(fù)荷比分別為2.9∶1和2.0∶1。

4 計(jì)算及計(jì)算結(jié)果分析

4.1 數(shù)值求解的計(jì)算流程

圖2 管群模型數(shù)值求解過程的流程圖

4.2 地下埋管換熱器出水溫度

圖3是在工況1和工況2下的埋管換熱器出水溫度的計(jì)算結(jié)果。由圖3可以看出，在工況1和工況2這兩種工況下，地下埋管換熱器逐時(shí)出水溫度均呈近似簡(jiǎn)諧脈動(dòng)曲線增加。在兩種運(yùn)行工況下，地埋管換熱器夏季出水溫度的最大值均出現(xiàn)在第15年8月，最大值分別為31.32℃和28.31℃；地埋管換熱器冬季出水溫度的最小值均出現(xiàn)在第2年2月，最小值分別為18.15℃和18.07℃。由于在這兩種工況下，后一年任一時(shí)刻的出水溫度值均大于前一年同時(shí)刻的出水溫度值，也就意味著，后一年任一時(shí)刻的土壤溫度均大于前一年同時(shí)刻的土壤溫度，由此可見，兩種工況均存在熱累積效應(yīng)。相比于工況1，工況2下的埋管換熱器夏季出水溫度最大值偏小3.01℃，第15個(gè)運(yùn)行季的冬季出水溫度最小值偏小2.95℃（工況1為28.33℃，工況2為25.38℃），由此可以看出，工況2對(duì)換熱器出水溫度上、下限值的逐年增大情況均有顯著的減緩作用。在第1～4運(yùn)行年期間，工況1和工況2的逐年出水溫度峰值差值差異較小，而在第5～15運(yùn)行年期間，每一運(yùn)行年的出水溫度峰值差值逐年增大，工況2相比于工況1的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)的越來(lái)越顯著。

圖3 地下埋管換熱器出水溫度變化圖

4.3 連續(xù)與間歇運(yùn)行工況下的動(dòng)態(tài)EER和逐年能耗對(duì)比

圖4是在工況1和工況2條件下的地源熱泵系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的動(dòng)態(tài)EER曲線圖。在工況1下，熱泵系統(tǒng)在制冷工況下的EER值在1.75～2.76范圍內(nèi)，最大值2.76出現(xiàn)在第1個(gè)運(yùn)行年的7月份，最小值1.75出現(xiàn)在第15個(gè)運(yùn)行年的9月份；在制熱工況下的EER值在1.92～2.01范圍內(nèi)，最大值2.01出現(xiàn)在第1個(gè)運(yùn)行年的1月份，最小值1.92出現(xiàn)在第15個(gè)運(yùn)行年的2月份。在工況2下，熱泵系統(tǒng)在制冷工況下的EER值在2.19～3.32范圍內(nèi)，最大值3.32出現(xiàn)在第1個(gè)運(yùn)行年的7月份，最小值2.19出現(xiàn)在第15個(gè)運(yùn)行年的9月份；在制熱工況下的EER值在2.05～2.19范圍內(nèi)，最大值2.19出現(xiàn)在第1年1月份，最小值2.05出現(xiàn)在第15年的2月份。在工況1和工況2兩種工況下，該地源熱泵系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)的系統(tǒng)EER均值分別為2.14和2.71。由此可見，相比較于工況1（連續(xù)運(yùn)行模式），工況2（間歇運(yùn)行模式）可以有效的改善熱泵系統(tǒng)的換熱性能，從而提高了系統(tǒng)能效。

圖4 地源熱泵系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的動(dòng)態(tài)EER曲線圖

圖5是工況1和工況2下的地源熱泵系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的逐年運(yùn)行能耗圖。由圖5可以看出，在這兩種不同的工況下，逐年能耗的最大值和最小值均分別出現(xiàn)在第15運(yùn)行年和第1運(yùn)行年。在工況1下，地源熱泵系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的逐年能耗在115125～122503kW范圍內(nèi)；在工況2下，地源熱泵系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的逐年能耗在103875～109602kW范圍內(nèi)。相比于工況1，工況2的系統(tǒng)逐年運(yùn)行能耗均小于工況1的系統(tǒng)逐年運(yùn)行能耗。

圖5 全壽命周期內(nèi)的逐年運(yùn)行能耗圖

4.4 地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

4.4.1 系統(tǒng)LCC各部分計(jì)算

本文討論的重點(diǎn)是豎埋管地壤源熱泵工程的全壽命周期內(nèi)的運(yùn)行能耗，并且在確定系統(tǒng)初投資時(shí)，系統(tǒng)的組成設(shè)備與所處地域無(wú)關(guān)，僅受設(shè)備容量的制約，因此，可將地源熱泵系統(tǒng)的初投資看成固定值，該地源熱泵系統(tǒng)的總初投資為106.68萬(wàn)元，系統(tǒng)各部分的初投資見表2。

表2 地源熱泵系統(tǒng)各部分初投資

管理維護(hù)費(fèi)用包括人工費(fèi)用和維修折舊費(fèi)用。其中，人工費(fèi)用按照2名項(xiàng)目管理人員，工資按2000元／（人·月）計(jì)算；維修折舊費(fèi)用按照折舊費(fèi)用的10%計(jì)算[12]，設(shè)備折舊年限為15a[10]。維護(hù)管理費(fèi)用計(jì)算結(jié)果詳見表3。

表3 維護(hù)管理費(fèi)用計(jì)算匯總表

根據(jù)重慶市目前的能源價(jià)格情況，商業(yè)用電的電價(jià)取為0.85元／kW·h，兩工況下的運(yùn)行費(fèi)用分別通過地源熱泵系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的逐年能耗圖5計(jì)算得到，該地源熱泵項(xiàng)目的逐年運(yùn)行以及維護(hù)管理費(fèi)用見表4。

表4 全壽命周期內(nèi)逐年運(yùn)行以及維護(hù)管理費(fèi)用匯總表 萬(wàn)元

4.4.2 地源熱泵系統(tǒng)LCC值分析

根據(jù)以上述計(jì)算結(jié)果，將地源熱泵系統(tǒng)全壽命周期LCC值的各組成部分匯總于表5，并結(jié)合式（1）和式（2），分別計(jì)算得到該地源熱泵系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行和間歇運(yùn)行工況下的系統(tǒng)LCC值。

表5 全壽命周期LCC費(fèi)用組成匯總表 萬(wàn)元

由表5可以看出，該地源熱泵系統(tǒng)的LCC值在連續(xù)運(yùn)行工況下為237.92萬(wàn)元，而在間歇運(yùn)行工況下僅為205.92萬(wàn)元，相比于連續(xù)運(yùn)行減少了32.0萬(wàn)元，即相對(duì)降低了13.45%，占初投資的30.0%。由于間歇運(yùn)行模式使得地溫在一定程度上得到了較好的恢復(fù)，地下?lián)Q熱器換熱效率增強(qiáng)，逐年運(yùn)行能耗降低，從而使得系統(tǒng)LCC值低于連續(xù)運(yùn)行工況下的LCC值。由此可見，間歇運(yùn)行模式對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的換熱性能的改善是有積極作用的，同時(shí)也具有很大的節(jié)能潛力。

4.5 節(jié)能率分析

為了具體說(shuō)明間歇運(yùn)行模式對(duì)豎埋管地源熱泵系統(tǒng)全壽命周期成本的影響，在上述計(jì)算分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，以連續(xù)運(yùn)行工況下的熱泵系統(tǒng)逐年能耗為對(duì)比基礎(chǔ)，分析間歇運(yùn)行對(duì)豎埋管地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能率。節(jié)能率定義為以續(xù)運(yùn)行工況下的熱泵系統(tǒng)逐年能耗為較基礎(chǔ)，W 為地源熱泵系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行工況下的系統(tǒng)年能耗，W′為地源熱泵系統(tǒng)在間歇運(yùn)行工況下的系統(tǒng)年能耗，兩者的差值再與連續(xù)運(yùn)行工況下的系統(tǒng)年能耗相除，得到f值，f即為節(jié)能率。節(jié)能率的數(shù)學(xué)描述可以表達(dá)為：

針對(duì)某豎埋管地源熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用一臺(tái)DRSW－80N-1F地源熱泵機(jī)組，根據(jù)式（17）計(jì)算豎埋管地源熱泵系統(tǒng)間歇運(yùn)行模式的節(jié)能率，如圖6所示：

圖6 間歇運(yùn)行工況下的逐年節(jié)能率

圖6的計(jì)算結(jié)果表明，間歇運(yùn)行的節(jié)能效果較明顯。在系統(tǒng)的整個(gè)壽命周期內(nèi)，間歇運(yùn)行的節(jié)能率在16.98%～17.31%范圍內(nèi)，最小值16.98%出現(xiàn)在第1個(gè)運(yùn)行年，由于在系統(tǒng)運(yùn)行初期，地溫較低，埋管周圍土壤熱堆積現(xiàn)象不明顯，間歇運(yùn)行的節(jié)能率相比于全壽命周期內(nèi)的后期幾年較低一些。間歇運(yùn)行的節(jié)能率在第10個(gè)運(yùn)行年后基本維持在17.30%左右。間歇運(yùn)行模式相比于連續(xù)運(yùn)行，對(duì)地源熱泵系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)的平均節(jié)能率為17.20%，節(jié)能效果顯著。

5 結(jié) 論

通過間歇運(yùn)行狀態(tài)對(duì)豎埋管地源熱泵系統(tǒng)全壽命周期成本的影響分析討論，可以得出如下結(jié)論：

1）間歇運(yùn)行對(duì)換熱器出水溫度上、下限值的逐年增大情況均有顯著的緩解作用。在運(yùn)行終止年（第15個(gè)運(yùn)行年），相比于連續(xù)運(yùn)行15年，間歇運(yùn)行15年工況下的埋管換熱器夏季出水溫度最大值偏小3.01℃，冬季出水溫度最小值偏小2.95℃。

2）在連續(xù)運(yùn)行和間歇運(yùn)行這兩種工況下，后一年任一時(shí)刻的出水溫度值均大于前一年同時(shí)刻的出水溫度值，也就意味著，后一年任一時(shí)刻的土壤溫度均大于前一年同時(shí)刻的土壤溫度，由此可見，這兩種工況均存在熱累積效應(yīng)，但是間歇運(yùn)行的熱累積效應(yīng)明顯小于連續(xù)運(yùn)行。

3）相對(duì)于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，間歇運(yùn)行狀態(tài)可以有效的改善熱泵系統(tǒng)的換熱性能，提高地源熱泵系統(tǒng)的能效。對(duì)于該豎埋管地源熱泵系統(tǒng)，在連續(xù)運(yùn)行15年工況下，熱泵系統(tǒng)制冷動(dòng)態(tài)EER值在1.75～2.76范圍內(nèi)，制熱動(dòng)態(tài)EER值在1.92～2.01范圍內(nèi)。在間歇運(yùn)行15年工況下，熱泵系統(tǒng)制冷動(dòng)態(tài)EER值在2.19～3.32范圍內(nèi)，制熱動(dòng)態(tài)EER值在2.05～2.19范圍內(nèi)。在連續(xù)運(yùn)行和間歇運(yùn)行兩種工況下，該地源熱泵系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)的系統(tǒng)EER均值分別為2.14和2.71。

4）間歇運(yùn)行狀態(tài)下的地源熱泵系統(tǒng)LCC值明顯小于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下的系統(tǒng)LCC值。對(duì)于該地源熱泵系統(tǒng)，在連續(xù)運(yùn)行工況下的系統(tǒng)LCC值為237.92萬(wàn)元，而在間歇運(yùn)行工況下系統(tǒng)LCC值僅為205.92萬(wàn)元，相比于連續(xù)運(yùn)行減少了30.0萬(wàn)元，即相對(duì)降低了13.45%，占初投資的30.0%。

5）對(duì)該地源熱泵系統(tǒng)間歇運(yùn)行工況下的節(jié)能率進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，間歇運(yùn)行工況的節(jié)能效果明顯。在整個(gè)壽命周期內(nèi)，間歇運(yùn)行的節(jié)能率在16.98%～17.31%范圍內(nèi)，全壽命周期平均節(jié)能率為17.20%。

[1]Gordon A.The economic of the 3L′s concept[J].Charted Survey or Building and Quantity Surveying Quarterly June，1974：30.

[2]American Institute of Architects.Life cycle cost analysis：a guide for architects[M].The USA：AIA，1977.

[3]Aye L，Bamford N，Charters B，et al.A life-cycle costing approach for a commercial office building in Melbourne australia[J].Construction Management and Economics，2000，18：927-934.

[4]Greyvenstein G P，Van Niekerk W M K.Life-cycle cost comparison between heat pumps and solar water heaters for the heating of domestic water in South Africa[J].Journal of Energy in Southern Africa，1999，10（3）：86-91.

[5]羅云，張俊邁，吳奕亮.設(shè)備壽命周期費(fèi)用方法及其應(yīng)用[M].北京：海洋出版社，2010.

[6]李兆堅(jiān).江億.我國(guó)城鎮(zhèn)住宅空調(diào)生命周期能耗與資源消耗研究[D].北京：清華大學(xué)，2007.

[7]周立.葛耀君.全壽命經(jīng)濟(jì)分析中折現(xiàn)率的確定[J].上海公路.2007，2：51-55.

[8]高青，于鳴，喬廣.地?zé)崂弥械牡販乜苫謴?fù)特性及其傳熱的增強(qiáng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2004（34）：107-111.

[9]董士波.建設(shè)項(xiàng)目全壽命周期成本管理[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[10]李相然.工程經(jīng)濟(jì)學(xué)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008：297-299.

[11]王勇.賴道新.基于全壽命周期成本方法的地表水源熱泵系統(tǒng)分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（43）：75-80.

[12]王樹鵬.設(shè)備壽命周期費(fèi)用研究及其應(yīng)用[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[13]王勇，唐曦.衛(wèi)生熱水蓄熱方式對(duì)地埋管換熱性能的影響分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，35（3）：140-146.

[14]唐曦，王勇.水平埋管地下巖土傳熱模型中上墊面邊界條件的確定方法研究[J].制冷與空調(diào)，2011，107（25）：197-201.

[15]刁乃仁，曾和義，方肇洪.豎直U型管地?zé)釗Q熱器的準(zhǔn)三維傳熱模型[J].熱能動(dòng)力工程，2008（18）：387-390.

[16]Ingersoll L R，Plass H J.Theory of the ground pipe heat source for the heat pump[J].ASHVE Transactions，1948（47）：339-348.

[17]陳金華，劉猛，吳淑霞，等.湖水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)取水方式性能分析[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，36（12）：79-83.

[18]Florides G A，Christodoulides P，Pouloupatis P.An analysis of heat flow through a borehole heat exchanger validated model[J].Applied Energy，2012，92：523-533.

[19]Ashrae.Systems and equipment handbook[M].Atlanta：Society of Heating，Refrigerating，and Air-Conditioning Engineers，1992.

[20]楊李寧.公共建筑空調(diào)工程能效比的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2007.