长沙某高校土壤源热泵热水系统设计及经济性分析

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中图分类号： TH3；TQO51.5 文献标识码 ： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.01.019Design and Economy Analysis of Soil Source Heat Pump Hot W aterSystem in a college in ChangshaCHEN Di，HAN Jie，WU Hai-ping，CHEN Hai-feng，ZHANG Guo-qiang(Hunan University，Changsha 410082，China)Abstract： The first，the design of a soil source heat pump hot water system was introduced in student apartments in a colege inChangsha.Secondly，based on the cost efect analysis，to compare with the air source heat pump hot water system for economyefficiency，although this system has a higher initial investment，lower in cost and the effect of energy saving and emission reduc-tion is clear.Finaly，expounds the advantage the operation mode of contract energy management brings to the construction of hotwater system in university。

Key words：soil source heat pump；air source heat pump；hot water system；energy management contract1 前言土壤源热泵热水系统是指以地下土壤和岩层为低位热源，通过土壤源热泵热水机组来制取生活热水的系统 J。按照埋管形式的不同，土壤源热泵地下埋管系统又分为水平式和垂直式。垂直式埋管系统因为其占地面积少，系统 COP高且运行稳定的优势受到业主和设计师的青睐 。土壤源热泵已广泛应用于空调、采暖及热水供应，但是土壤源热泵热水系统在高校学生公寓的应用并不普遍。

笔者以长沙某高校土壤源热泵热水工程为设计和计算为例，详细介绍垂直式土壤源热泵热水系统的设计，对其在高校应用的可行性进行分析，表明垂直式土壤源热泵热水系统在全国高校推广收稿日期 ： 2012-04-25 修稿日期： 2012-1l-l9基金项目： 中央高校基本科研业务费资助(531107040165)的优势及广阔的发展前景。

2 工程概况及设计参数2.1 工程 概 况本项目为湖南长沙某高校学生公寓 6栋宿舍提供生活热水，目前系统已全部投入使用，且运行效果良好。6栋公寓共有学生约 4100人，根据实际情况，因地制宜将 6栋公寓划分为 3个热水系统。系统-共有学生2682人，系统二有 1155人；系统三有 286人。设计热水需求量每人 30L/天，则系统-热水需求量为 8Or/天，系统二热水需求量为35t!天，系统三热水需求量为9t/天。系统结构如图 1～3所示。

2013年第4l卷第 1期 流 体 机 械 83(a) 系统-6栋生活热水供水热水循环泵(-用-备) (b) 系统二地醺 生活热水回水管 、热水循环泵(-用-备)(c) 系统三图 1 土壤源热泵热水系统结构示意2.2 气象设计参数长沙市属亚热带季风性湿润气候 ，季节变化明显，冬寒夏热，四季分明。历年平均温度及相对湿度见表 1。

表 1 长沙市历年月平均温度及相对湿度月份 平均温度(℃) 相对湿度(%)1 3.3 842 3.6 823 l1.2 844 20.8 825 22.9 826 27.5 847 30.4 788 27.3 809 24.8 8210 18.4 8211 l5.4 8012 6.9 79年平均气温 l6.8～17.2℃，最热月平均温度29.3℃，夏季极端温度高达42.7℃。最冷月平均温度为4.6℃，冬季极端温度达 -11.3 。夏季 日平均气温在 30℃以上约有 85天，气温高于35℃的炎热日，约有 30天。全年相对湿度维持在70% ～80%之间，属于典型的夏热冬冷地区。

热水的供水温度不得低于40C，本次设计中热水的供水温度为 50C l6]。在确定热水供应装置的尺寸时，以冬季高峰负荷为准。

2.3 土壤类型及热物性参数本项 目测试孔埋管材料选用 HDPE100高密度聚乙烯地源热泵专用管材，下管形式为双 u，地埋管管径 为 De32，下管深度 为 60m。外径32mm，壁厚 2.9mm，承压 1.25MPa。回填材料采用膨润土混合水泥砂浆结合钻孔原浆组成回填料 ，回填 比例 1：6，补浆部分采用钻孔原浆。

测试过程中所用的水平管连接保温采用橡塑保温(厚度为 20ram)，地埋管内循环液介质为水。

钻孔孔径为 130mm。下管方式采用机械钻杆下带埋管，回填方式为加压返浆 回填，以保证回填效果。

本项 目测试采用现场测试法，通过模拟土壤源热泵系统的运行工况，对实验井进行吸热测试。通过测量流体流经地埋管前后的温度以及流体流量、地下岩土体温度，以及通过钻孔揭示的地层岩土情况测得的岩土热导率等热物性参数，得到制 热工况下测试孔 的单位井 深换热量 。

根据测试结果，测试孔在 10m以下土壤平均温度测量值为 17.4℃，土壤综合导热系数为2.34W/(in·K)。测试孔制热工况下 的换热量为51W/m。

2.4 热水水箱容积计算及热泵机组选型本次设计选型以计算所得最大小时耗热量为依据，最大小时耗热量的计算公式为 ]：Q KhpmLc(f -tf)/(24×3600)式中 Q --设计小时平均秒耗热量，wm--用水计算单位数，人数- - 热水用水定额，Lc--水的比热，4180J/(kg·oC)P--热水密度，kg/Lt --热水温度，cItf--冷水温度，℃- - 小时变化系数，见表 2FLUID MACHINERY Vo1.41，No.1，2013表2 热水小时变化系数 值居住人数 10l 150 l20 l 250 30 50 100 l3005.12 4.49l4.13 3.38 3.70 3.28 2.86 2.48系统制热水所需热负荷以最不利工况即冬季自来水温最低值为计算基准，长沙冬季 自来水温度最低值为 5 ，热水出水温度为50C。系统-有 2682人，则 K 2.54；系统二有 1155人，则 2.83；系统三有 286人，则 Kh3.61。

系统-：QdQ cp(t，-t )/(24×3600)174.5 kW系统二：QdQ cp(t -tf)/(24×3600)76.3.kW系统三：QdQ，cp(t -tf)/(24×3600)19.6 kW式中 Q --最高日平均秒耗热量，wQ，--最高日热水量，mc--水的比热，J/kg，c4187J/kg设计小时平均秒耗热量为：系统-：Q， 2.54×174.5443.2 kW系统二：Q，2.83×76.3215.9 kW系统三：Q 3.61×19.670.8 kW土壤源热泵机组的制热量为：Q 24kQd/T式中 Q --热泵机组设计小时平均秒供热量- - 热泵机组设计工作时问，根据用水规律和系统经济性等因素等综合考虑，-般取 l2～20 h，本次鳃组运行 16hk--安全系数，取 1.05～1.1则系统-：Q 287.9 kW系统二：Q 125.9 kW系统三： Q 32.3 kW参数名称 KLSH080S KHCⅥ 30D.H KHCⅥ 10S。H制热能力(kW) 298 116.7 33.4制热功率(kW) 69 27.7 8.2热水流量(1TI ) 40 16.2 4.5能效比 4.32 4.21 4.07半封闭双螺 全封闭涡旋 全封闭涡 压缩机型式杆式压缩机 式压缩机 旋式压缩机蒸发器进水 l5℃，出水 l0℃； 制热标准工况冷凝器进水 40C，冷凝器出水45%根据厂家样本，系统-至系统三分别选用垄霖空调公司生产的3台土壤源热泵热水机组，其参数如表3所示。

热泵热水系统储热水箱总容积为：系统-：Vr(Q -Q ) [1.163r/(t，-tf)P]9.3 In系统二：Vr(Q -Q )r，/[1.163r/(t，-tz)P]5.4 m系统三：Vr(Qh-Q ) [1.163r/(t -t1)P]2.3 In式中 --设计小时耗热量持续时间，2～4 h，此处取 3h卵--有效容积系数，此处取 0.95取 1.15的裕量系数，则实际取热水箱容积分别为 ：系统-： V12m系统二： V8m系统三： V3m2.5 地下埋管换热器设计2.5.1 换热器设计参数本工程地下埋管下管深度为 60m，埋管换热器底距离井底的距离为 1in，钻孔孔径为 130mm。

根据工程所在地的地形特征，本工程地能井钻孔间距为4.5m，钻井按单排布置，通过设定水箱水位及进出水温度限值实现机组的自动启拓制，充分发挥土壤的热恢复能力，从而避免全年取热对地下温度场的破坏。图2示出本工程 3个系统地埋井布置平面。

注：圆点表示地能井图2 地能井布置平面设计中，竖埋管及水平埋管均采用国内目前广泛使用的国产高密度聚乙烯管：其公称直径为2013年第 4l卷第 1期 流 体 机 械 8525mm，外径 为 32mm，内径为 26.2mm，热阻为0.05643W/(m ·℃)，导 热系数 为 0.42W/(m· ℃)，可承受压力为 1.25MPa。回填材料-般选用工程原土、膨润土类、水泥砂浆类、砂石类及混凝土类等。本工程鉴于导热系数以及成本等因素，选用30%混凝土70%砂子的混合物作为回填材料，导热系数大约为2.08W/(m·℃) 。

2.5.2 地下换热器长度的计算该工程地埋管换热器的换热量，以热水机组的制热量为设计依据，3台热泵热水机组总制热量q 为448.1kW。由下述公式可以计算制热时地埋管需要从地下吸取的热量 01J。

q q -W式中 q --热泵机组制热时地下埋管换热器从土壤吸取的热量，kWq --热泵机组总制热量，kW- - 热泵机组制热时压缩机的功耗，由选定的3台机组知为 104.9kW代人数据计算得 Q 343.2 kW。

根据项目所在地岩土热物性测试结果，该园区PE管双 U型换热器换热量约为 50W/m。为了保证园区热水系统换热的稳定和安全性，地下换热器换热量取45W/m。根据热泵机组制热时地下埋管换热器从土壤吸取的热量为 343.2 kW，设计地热换热器总长为 7680m，地能井总数为128口。联结方式采用闭式同程系统。

3 系统经济性评价通过费用效果分析法，将现有土壤源热泵热水系统(以下称方案-)与原有空气源热泵热水系统(以下称方案二)进行对比研究 ，首先比较初投资和运行成本。两个系统费用均由初投资和运行成本构成。

3.1 土壤源热泵热水系统初投资表 4 初投资表合价 费用明细 单价(万元) 台数(万元)主机 33.8/14.8/3.8 3 52.4更新附属陈 33. 35 33.35 旧设备及管线打井及地埋管费 56 56设计及安装调试费 63.12 63.12合计 194.87土壤源热泵热水系统初投资由主机、更新附属陈旧设备及管线、打井及地埋管费、安装调试费用组成，投资金额约194.87万元，项目于2011年3月完工，工程投资见表 4(数据为工程实际支出费用)。

3.2 土壤源热泵热水系统运行成本本项 目至 2011年5月开始投入运行，至今已运行-年。根据实际运行数据，运行成本由实际耗电量成本组成，见表 5。

表 5 运行成本统计表运行费 项目运行期间 用电量(万度)(万元)2011-2012年供热水 41.2 25.54平均成本 25.54万元/年备注 电价按 0.62元/度计算3.3 空气源热水系统初投资土壤源热泵系统与风冷热泵系统的区别主要在于冷热源部分，其他基本-致。对于风冷热泵系统，冷热源只有室外的热泵机组；对于土壤源热泵系统，冷热源除了热泵机组，还有地热换热器。

基于这-情况，比较系统的初投资主要也就是比较冷热源部分的费用 。在风冷热泵和土壤源热泵机组价格相差不大的情况下，方案二初投资比方案-的初投资差额为地热换热器部分的费用，则根据表 4，方案二的初投资为 148.87万元。

3.4 空气源热水系统运行成本根据2009-2010、2010-2011两年的运行数据。运行成本主要由主机、循环泵实际耗电量成本组成，见表 6(数据由业主提供)。

表 6 方案二运行成本统计表运行费 项 目运行期间 用电量(万度)(万元 )2009-2010年供热水 58.8 36.462010-2011年供热水 62.4 38.69平均成本 37.58万元/年备注 电价按 0.62元/度计算很明显，方案-初投资较大，但运行成本较低；方案二初投资小，但运行成本较贵。

3.5 2种方案经济性分析方案-和方案二比较，增量成本为 194.87-148.8746万元，而方案-比方案二每年节省运行费37.58-25.5412.04万元，则相较于方案二，方案-投资回收年限为3.82年。

为科学评价两种方案，根据费用现值(Pc)来86 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.1，2013计算，其前提是：假定在评价周期内，电费、银行折现率等保持不变。

方案-土壤源热泵主机的使用寿命为 15年，每 15年增加主机费用 52.4万元，地埋管使用寿命为50年计算；方案二空气源热泵主机由于受环境影响较大，使用寿命按 10年计算，每 10年增加主机购置费53.2万元。

项 目费用现值(Pc)计算公式：PC (co) (P/F，i，t) 、式中 (CO)，--第 t期现金流出量n--计算期i--社会折现率，8%(P/F，i，t)-现值系数 J经计算，方案-、方案二费用现值见表 7，需要说明的是，计算过程中在运行的第 1O年，第 20年，第 30年，因风冷热泵使用寿命到期，各增加风冷热泵机组费用为52.4万元。同样，在运行的第15年，第 3O年，土壤源热泵主机的使用寿命到期，各增加主机费用 52.4万元。

表7 项 目投资方案费用现值表(万元)方案 第5年 第 l0年 第 15年 第加年 第25年 第30年土壤源热泵 273 343 406 439 460 480风冷热泵 264 391 460 5l9 551 578差值 9 -48 -54 -80 -90 -971旺职图5 2种方案费用现值比较由表 7中可以看出，在假定 2种方案供热水效果-致的情况下，在运行后的第5年，方案-的费用现值 273万元，而方案二的费用现值 264万元，方案-高于方案二9万元，而第 l0年方案-低于方案二48万元，在第 l5年，20年，25年，30年方案-的费用现值低于方案二越来越多，逐步显示出方案-的优越性。

经计算，两方案约在运行后第 6.8年费用现值相等如图所示，可以看出，第 30年，2种方案均更新设备后，也就是两种方案均处于新的工作状态，方案-的费 现值仍低于方案二，显示出方案-的优势。

因此无论是从经济I生静态分析还是费用现值分析来看，土壤源热泵热水系统比空气源热泵热水系统具有更大的经济效益。

4 项目环境效益评价根据表5、6，土壤源热泵系统相比空气源热泵系统，每年约节约运行运行成本 12.o4万元，以电价 0.62 kW ·h计算，折合年节约用 电19.42万 kW ·h。其节能环保效益见表 8。

序 标准煤 二氧化碳 二氧化硫 氮氧化物 碳粉尘号 节省量 减排量 减排量 减排量 减少量1 O.4 O.67 0.00803 0.0069 0.003352 77.68t l30.11t 1.56 1.34 0.65综上所述，土壤源热泵系统节能减排效果非常明显，生态效益十分巨大。

5 项目运营模式本项目采用合同能源管理方式，聘请合同能源管理公司全过程进行系统的设计、施工、运行及维护。为避免收费混乱的现象发生，收费由学校统-管理，合同能源管理公司不直接参与对学生收费。本项 目是对空气源热泵热水系统进行改造，根据以往学校的运营情况，向学生的热水收费单价为0.1元/L，即 100 YvJt。土壤源热泵热水系统建成运营后，热水收费单价为 0.04元/L，即40元/t。因此每吨热水优惠60元，本项 目的建成不仅经济环境效益显著，更造福学生的学习生活，值得大力推广。合同能源管理的运营模式是-种双赢模式，在未来高校热水系统的新建、改造项目中将会成为-种新的趋势，也必将推动土壤源热泵技术在全国的发展。

6 结语土壤源热泵热水系统的应用要因地制宜，要结合建筑物和地质环境的特点设计合适的热水系统≌气源热泵热水系统在夏热冬冷地区应2013年第 4l卷第 1期 流 体 机 械 87用广泛，但与空气源热泵或其他形式的热水系统相比，土壤源热泵热水系统经济效益显著，节能减排效果明显 ，引入合 同能源管理模式对湖南拾其周边地区的高校中应用土壤源热泵热水系统的项 目具有-定的示范作用 ，垂直式土壤源热泵热水系统在全国具有很大的推广和应用前景。