趙強 滿意 方肇洪

豎直地埋管價值系數(shù)的計算方法及其應(yīng)用

趙強1滿意2方肇洪2

1山東亞特爾集團股份有限公司
2山東建筑大學(xué)地源熱泵研究所

本文提出了一種用于豎直地埋管換熱器的價值系數(shù)計算方法。針對某實際地源熱泵工程，使用地埋管換熱器價值系數(shù)計算方法對U型地埋管換熱器設(shè)計方案進行了價值系數(shù)計算，并討論了鉆孔費用對設(shè)計方案價值系數(shù)和地埋管換熱器U型管選型的影響。分析和計算表明，地埋管換熱器的方案價值系數(shù)同鉆孔設(shè)計深度和孔數(shù)有較大的聯(lián)系。工程上人為設(shè)定鉆孔深度和數(shù)目會影響到地埋管換熱器的技術(shù)經(jīng)濟價值。在深的鉆孔和好的傳熱條件下，采用雙U管或大管徑會改善地埋管換熱器設(shè)計方案的經(jīng)濟性。

地埋管換熱器價值分析模型價值系數(shù)

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有節(jié)能與環(huán)保的優(yōu)點，閉式環(huán)路豎直埋管地埋管換熱器換熱工況穩(wěn)定，占地面積小，適合在地少人多的我國采用，目前在我國處于一種理論研究與工程應(yīng)用的熱潮中。豎直埋管地?zé)釗Q熱器有單U型和雙U型兩種主要形式。求解地埋管換熱器鉆孔熱阻和溫度分布，國內(nèi)學(xué)者分別給出了有限長線熱源模型[1]、鉆孔內(nèi)準(zhǔn)三維模型[2]的解析解，發(fā)展了關(guān)于地埋管換熱器的專業(yè)設(shè)計與校核軟件[3]，及逐時負荷計算軟件[4]，這給豎直地埋管換熱器的技術(shù)、經(jīng)濟分析提供了必要的技術(shù)工具。文獻求解了雙U管和單U管的鉆孔內(nèi)熱阻，由于雙U型地埋管的鉆孔內(nèi)熱阻較單U型埋管的要低[5～6]，從而對于既定的建筑負荷，可以用較少的鉆孔數(shù)量滿足要求。不過，采用雙U型埋管，也相應(yīng)增加了管材和管件的費用。二者孰優(yōu)孰劣，尚為未知之?dāng)?shù)。因此，不同結(jié)構(gòu)形式的豎直U型地埋管換熱器在技術(shù)、經(jīng)濟方面的優(yōu)劣，是研究者和暖通設(shè)計師們研究和討論的課題。價值工程（Value Engineering，VE），通過對產(chǎn)品或服務(wù)進行功能分析,使目標(biāo)以最低投資成本，可靠地實現(xiàn)產(chǎn)品或服務(wù)的必要功能，從而提高產(chǎn)品或服務(wù)的價值[7]。這種方法可以用來進行地埋管換熱器設(shè)計方案的技術(shù)經(jīng)濟分析，達到方案優(yōu)選的目的。

1地埋管換熱器價值系數(shù)

功能評價系數(shù)F反映各方案的技術(shù)指標(biāo)，成本系數(shù)C反映各方案的成本指標(biāo)，二者的比值（方案價值系數(shù)V）反映各方案的價值性，代表了單位成本所能實現(xiàn)的功能，價值系數(shù)計算公式如式（1）：

功能項目是價值工程研究對象技術(shù)、經(jīng)濟指標(biāo)的重要特征。設(shè)定功能項目加權(quán)系數(shù)（f）來表示各功能項目對功能分?jǐn)?shù)影響的比重。采用4分制確定功能項目加權(quán)系數(shù)，以其中一項與其他各項相比較打分（s），重要的一項得3～4分，另一項則得0～1分，重要性評價相當(dāng)則得2分。則功能項目加權(quán)系數(shù)的計算如式（2）：

對設(shè)計方案的各項功能項目，逐項比較記分，并進行加權(quán)計算，計算各功能項目累計得分，則各功能項目累計得分和各功能項目累計得分之比即為功能評價系數(shù)，計算如式（3）：

式中：s為各項能項目累計得分；t為各功能項目得分；T為方案各功能項目得分之和；i為功能項目代號；j為方案代號。

在成本費用的計算中，包括地埋管換熱器初期投資和循環(huán)水泵年運行費用兩項內(nèi)容。所有投資折算為以年為單位的壽命周期成本后再行計算方案成本費用。壽命周期成本定義為年固定費用與循環(huán)水泵年運行費用之和，計算如式（4）：

式中：dP為鉆孔單價，元/m；L為地埋管換熱器的設(shè)計長度，m；G為地埋管換熱器的管材與安裝費用，元；yi為年利率，%；n為折算年限，年；P為循環(huán)水泵的功率，kW；t為循環(huán)水泵的運行時間，h；η為循環(huán)水泵的運行份額，%；UP為電費單價，元/kWh。在價值分析理論中，設(shè)計方案成本系數(shù)定義為設(shè)計方案壽命周期成本與各方案壽命周期成本之和的比值，即地埋管方案的成本系數(shù)的計算如式（5）：

將式（2）代入式（3），將式（4）代入式（5），并將結(jié)果代入式（1），可得地埋管換熱器方案價值系數(shù)的計算公式，如式（6）所示：

2算例概況

某住宅工程擬采用地埋管地源熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)設(shè)定4種不同的地埋管換熱器設(shè)計方案，分別為方案1（De25單U型地埋管換熱器）、方案2（De25雙U型地埋管換熱器）、方案3（De32單U型地埋管換熱器）、方案4（De32雙U型地埋管換熱器）。方案功能項目為：D1滿足換熱量要求；D2鉆孔米數(shù)少；D3壽命周期成本少；D4占地面積??；D5施工方便。地埋管換熱器采用SDR11規(guī)格的高密度聚氯乙烯管，當(dāng)?shù)貛r土綜合導(dǎo)熱系數(shù)取1.85W/(m·℃)，回填材料導(dǎo)熱系數(shù)取1.5W/(m·℃)，地埋管循環(huán)水采用純水，鉆孔間距采用5m×5m，計算[3]得其換熱孔總長度分別為18400m、13860m，16512m、12936m。在水平管路設(shè)計中對于單U管為八孔一組的分組并聯(lián)方式，對于雙U管為四孔一組的分組并聯(lián)方式。在設(shè)計中根據(jù)流量和流速分別采用De50和De63的管道作為水平主管道。冬、夏兩季地埋管循環(huán)水泵每年運行4800h，負荷份額取0.6，電費按照0.8元/kWh計算，年利率取10%，折算年限取30年。

3價值系數(shù)應(yīng)用分析

鉆換熱孔費用，從土砂層到全石層，價格相差很大，會嚴(yán)重影響到設(shè)計方案的比較結(jié)果。本節(jié)以鉆孔費用為例討論地埋管換熱器價值系數(shù)的影響分析。在鉆孔費用從10～190元變化范圍內(nèi)，計算了De25單U型、De32單U型管、De25雙U型和De32雙U型設(shè)計方案的價值系數(shù)。地埋管換熱器工程實踐中，一般會有理想工況、固定孔深工況和固定孔數(shù)工況3種設(shè)計工況。本文所采用的數(shù)據(jù)，地埋管循環(huán)水的紊流運行是可以保證的先決條件。

3.1理想工況

在理想工況下，設(shè)計者具有充分的條件來盡量完善方案設(shè)計，四種埋管形式的換熱孔個數(shù)和設(shè)計深度將根據(jù)換熱量和循環(huán)流體的要求合理設(shè)定。經(jīng)計算4個設(shè)計方案的換熱孔鉆孔深度分別采用46m，64m，63m，98m，分別為400個、258個、220個，132個鉆孔，其價值系數(shù)變化趨勢如圖1所示。

圖1理想工況

單U型埋管的價值系數(shù)隨鉆孔費用的增大而減小，雙U型埋管的價值系數(shù)隨鉆孔費用變化的趨勢反之。De25單U型埋管的方案價值系數(shù)始終最小，相對于其他三項設(shè)計方案，實際應(yīng)用性價比很低，是最劣方案。當(dāng)鉆孔費用較低時，單U型埋管價值系數(shù)較高，反之，雙U型埋管價值系數(shù)較高。在本工況下，De32單U型埋管適用于鉆孔費小于40元/m的地層，而De32雙U型埋管適用于鉆孔費大于40元/m的地層。當(dāng)鉆孔費用較低時，De25雙U型埋管價值系數(shù)較高，反之，De32雙U型埋管價值系數(shù)較高。在工況下，De25雙U型埋管適用于鉆孔費小于110元/m的地層，而De32雙U型埋管適用于鉆孔費大于110元/m的地層。

3.2固定孔深工況

在固定孔深工況下，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件的影響和減少工程造價的考慮，對于四種埋管型式采用同樣的鉆孔深度。在本工況下分別采用鉆孔深度為82m、64m、47m為設(shè)計條件。其價值系數(shù)的變化趨勢如圖2～4所示。

圖2固定孔深工況（H=82m）

圖3固定孔深工況（H=64m）

圖4固定孔深工況（H=46m）

De25雙U型埋管在不同鉆孔深度下均具有最高的價值指數(shù)，為最優(yōu)方案。De32雙U型埋管的價值系數(shù)近似線性增長，對鉆孔費用最為敏感。隨鉆孔深度增加和鉆孔費用提高，De32雙U型埋管的價值系數(shù)有超越De25雙U埋管的趨勢，說明De32雙U埋管適用于鉆孔深，鉆孔費用高的地層。在46m鉆孔深度下，單U型埋管在鉆孔費用低時其價值指數(shù)相對較高，說明在鉆孔深度取值較淺時，單U型埋管可能會有應(yīng)用價值。

3.3固定孔數(shù)工況

在固定孔數(shù)工況下，用地面積有限，各方案采用相同的鉆孔數(shù)目來滿足設(shè)計長度。在本文中采用220孔和300孔作為計算條件，計算了鉆孔費用對于價值指數(shù)的影響，如圖5～6所示。

圖5固定孔數(shù)工況（N=300孔）

圖6固定孔數(shù)工況（N=220孔）

由于鉆孔數(shù)目取為相同，假設(shè)各孔埋管間實現(xiàn)水力平衡，即單孔流量是固定的，顯然這對于De32雙U型埋管減小沿程阻力是有利的，經(jīng)計算其豎直埋管的比摩阻僅為45.8Pa/m，這導(dǎo)致循環(huán)水泵運行費用最低，但是在鉆孔費用較低時（小于50元/m），其價值指數(shù)仍小于1.0，這顯然屬于一種功能浪費。相對來講當(dāng)鉆孔數(shù)量多時（300孔），De25雙U型埋管仍具有較高的價值系數(shù)。對比圖3和圖6，在固定孔數(shù)設(shè)計工況中雙U型埋管的價值系數(shù)顯著減小，單U型埋管的價值系數(shù)顯著增加，說明雙U管更適用于深孔，而單U管更適用于淺孔。

4結(jié)論

1）利用價值工程分析模型建立的地埋管換熱器設(shè)計方案價值系數(shù)計算方法，可使定性的問題轉(zhuǎn)化為定量數(shù)據(jù)進行分析，將設(shè)計方案的技術(shù)特性和經(jīng)濟特性有機地結(jié)合起來，有利于方案的優(yōu)化設(shè)計和改進，可使方案全壽命周期投資產(chǎn)生最大的經(jīng)濟效益，有利于科學(xué)、完善地確定相對的最佳設(shè)計方案。

2）單U型埋管隨鉆孔費用的增加其價值系數(shù)變小，雙U型埋管隨鉆孔費用的增加其價值系數(shù)變大。De32雙U型地埋管換熱器的價值系數(shù)對鉆孔費用影響最為敏感。De25雙U型地埋管換熱器在實用工況下（鉆孔費用小于110元/m，鉆孔深度＜100m）價值系數(shù)最高，是最佳方案；De25單U型地埋管換熱器價值系數(shù)最低，是最劣方案。

3）地埋管換熱器的方案價值系數(shù)同鉆孔設(shè)計深度和孔數(shù)有較大的聯(lián)系，工程上人為確定的鉆孔深度和孔數(shù)影響到地埋管換熱器的技術(shù)經(jīng)濟價值。在鉆孔費用較高（＞110元/m）、鉆孔深度較深（98m或更深）時，De32雙U型地埋管換熱器具有較高的應(yīng)用價值。雙U型地埋管換熱器，由于鉆孔內(nèi)熱阻小，單孔承擔(dān)的流量大，在鉆孔費用高、鉆孔深度深、埋管面積緊張的場合使用更具優(yōu)勢。

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A Ca lc ula tion Me thod a nd Ana lys is of Va lue Coe ffic ie nt for Ve rtic a l Ground He a t Exc ha nge r

ZHAO Qiang1,MAN Yi2,FANG Zhao-hong2
1 Shandong Yateer Group Co.,Ltd.
2 Ground Source Heat Pump Research Center,Shandong Jianzhu University

The present paper creatively proposes a novel Calculation method of value coefficient for the vertical Ground Heat Exchanger(GHE).Selecting a practical Ground Source Heat Pump(GSHP)project as the sample,the presented method is utilized to calculate the value coefficients and make selection analysis of different U-tube GHE design schemes.The influences of drilling price on the value coefficients and selection analysis of scheme are discussed. Analysis and calculation denote that,preset the depth and number of borehole from an engineering perspective have effect on the technical and economic value of GHE.Additionally,for the GHE possesses deep borehole and good heat transfer condition,adopting the double U-tube configuration and utilizing the buried pipe with large diameter can improve the economical efficiency of the GHE system.

ground heat exchanger,value analysis model,value coefficient

1003-0344（2014）05-060-4

2013-7-15

趙強（1980～），男，碩士，工程師；山東濟南文化西路13號海辰大廈A座9層山東亞特爾集團股份有限公司（250011）；0531-81675560；E-mail:zhaoqiang009@126.com