延邊地區(qū)采用地下水源熱泵與地板供暖系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
摘要 介紹了地下水源熱泵機(jī)組與地板供暖結(jié)合的供暖系統(tǒng)，分析了兩者結(jié)合應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)該系統(tǒng)和城市集中供熱和散熱器系統(tǒng)、城市集中供熱和地板供暖系統(tǒng)、電加熱地板供暖系統(tǒng)從一次能源消耗、初投資、運(yùn)行費(fèi)用等各方面進(jìn)行了比較。技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明，類似延邊地區(qū)這種冬季采暖期長、地下水資源較豐富的地區(qū)，采用地下水源熱泵與地板供暖系統(tǒng)相結(jié)合有很大的優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵詞 水源熱泵 地板供暖 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
一 引言
延邊地區(qū)為朝鮮族自治區(qū)，該地區(qū)臨近日本海，地下水資源比較豐富，地下水溫常年在12～14℃，地下水位一般在15～20米左右。氣候上屬于海洋性氣候，夏季涼爽，不需要空調(diào)；冬季十分嚴(yán)寒，所以搞好供暖工作十分重要。
當(dāng)?shù)厝藗冇胁捎凶詿乜蛔鳛槎竟┡绞降膫鹘y(tǒng)習(xí)慣，但隨著人們居住環(huán)境（由平房搬進(jìn)樓房），人們對(duì)生活質(zhì)量和環(huán)境要求的提高，這種方式已經(jīng)在城市住宅中淘汰。大部分采用城市集中供熱作為熱源，室內(nèi)系統(tǒng)采用散熱器系統(tǒng)和地板供暖系統(tǒng)，并且由于人們習(xí)慣于傳統(tǒng)地炕，采用地板供暖系統(tǒng)更受歡迎。近幾年隨著供暖技術(shù)的發(fā)展，供暖熱源又有了很多新的選擇，包括有地源熱泵（包括以土壤、地下水、地表水為熱源的不同形式）和直接電加熱。本文將對(duì)一些典型供暖方案作技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，供設(shè)計(jì)人和業(yè)主參考。
二 地下水源熱泵與地板供暖結(jié)合的供暖系統(tǒng)
1 地下水源熱泵
本文只考慮供暖情況，所涉及地下水源熱泵是指利用地下水作為低位熱源，通過電驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)做逆制冷循環(huán)，吸收地下水的熱量向房間供暖的單熱泵，它的主要優(yōu)點(diǎn)是：
�。�1）節(jié)能，冬季地下水溫度比環(huán)境空氣溫度高，并且地下水溫較為穩(wěn)定，使得熱泵工作效率高，熱泵機(jī)組COP可以達(dá)到3.5以上，加上水泵等系統(tǒng)的COP在3.0左右，而空氣熱泵系統(tǒng)的COP一般在1.8～2.2左右，在寒冷地區(qū)則更低，且由于結(jié)霜和排氣溫度太高而無法正常使用。
�。�2）污染小，由于熱效率高，其一次能源消耗量很小，由此造成的溫室氣體排放較其他幾熱源都要低。運(yùn)行沒有任何直接污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)。沒有排放及廢棄物，不需要堆放燃料和廢物的場(chǎng)地，以及不用遠(yuǎn)距離輸送熱量。沒有空氣源熱泵的熱污染和較大的噪聲污染等。
�。�3）運(yùn)行穩(wěn)定可靠，自動(dòng)控制程度高，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，壽命長。
但是地下水源熱泵受地下水源的限制，只有在有充足良好的地下水源情況下才可以使用，且一定要做好井水回灌工作，做到在使用地下水源的時(shí)候盡量保護(hù)地上水源。
2 地板輻射供暖
地板供暖供暖是通過在地下敷設(shè)熱水散熱盤管或直接敷設(shè)電熱絲，利用地面自身的蓄熱輻射而將熱量向地面上的空間散發(fā)，維持該空間具有較穩(wěn)定合適溫度狀態(tài)的一種供暖技術(shù)，它的主要優(yōu)點(diǎn)是：
�。�1）提高了室內(nèi)環(huán)境的舒適度，低溫地板供暖采暖給人以腳暖頭涼的舒適感，符合人體的生理學(xué)調(diào)節(jié)特點(diǎn)。熱容量大，熱穩(wěn)定性好。
�。�2）節(jié)約能源，低溫地板供暖采暖可以在比室內(nèi)正常設(shè)計(jì)溫度低2～3℃情況下達(dá)到對(duì)流散熱供暖相同的舒適度，比傳統(tǒng)的采暖方式要節(jié)約能源。熱量集中在房間下部的工作區(qū)間內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)上熱下冷的現(xiàn)象，另外，低溫地板輻射采暖可方便地實(shí)現(xiàn)分戶熱計(jì)量控制。
�。�3）擴(kuò)大了房間的有效使用面積，采用暖氣片采暖，一般100平方米占有效使用面積達(dá)2平方米左右，而且上下立橫管諸多，給用戶裝修和使用帶來不便。
�。�4）使用壽命長，低溫地板采暖可靠性高，使用壽命在50年以上，不腐蝕、不結(jié)垢，節(jié)約維修和更換費(fèi)用。
（5）對(duì)熱能溫度要求不高，大熱能溫度低于50度時(shí)，有較強(qiáng)的適應(yīng)性。
另外，地板供暖方式從室內(nèi)供暖方式上來講，與延邊地區(qū)傳統(tǒng)的地炕相同，所以在該地區(qū)很受歡迎。
地板輻射供暖的缺點(diǎn)是增加了地板的厚度，使房間凈高減小。另外；家具特別是厚地毯等對(duì)散熱效果有較大的影響。
3 地下水源熱泵與地板供暖結(jié)合的供暖系統(tǒng)
由于地板供暖供水溫度不能太高，混凝土地板輻射供暖的供水溫度宜采用45～60℃，供回水溫差宜采用5～10℃。城市集中供熱設(shè)計(jì)供回水溫度為95℃/70℃，要應(yīng)用地板供暖系統(tǒng)，用戶需自己加設(shè)換熱器。而采用地下水源熱泵為熱源時(shí)，較低的供水溫度正好使得熱泵機(jī)組的冷凝溫度較低，這樣可以使得機(jī)組的性能系數(shù)COP較高，在同樣的供暖量情況下減少了電耗。對(duì)于地下水源熱泵供熱系統(tǒng)，由于供水溫度較低，采和傳統(tǒng)的散熱器作為末端散熱設(shè)備的話勢(shì)必需要增加散熱器的散熱面積。所以地下水源熱泵結(jié)合地板供暖是利用了雙方的優(yōu)點(diǎn)而避免了雙方的缺點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)、高效的供暖系統(tǒng)形式。
三 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
本文以住宅樓為例，對(duì)地下水源熱泵結(jié)合地板供暖系統(tǒng)、現(xiàn)有的城市集中供熱和散熱器系統(tǒng)、城市集中供熱和地板供暖系統(tǒng)、直接電加熱地板供暖系統(tǒng)從一次能源消耗量、能源利用率、初投資和運(yùn)行費(fèi)用、投資經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行了比較。四個(gè)方案編號(hào)如下：
A 地下水源熱泵+地板供暖
B 電加熱+地板供暖
C 城市集中供熱+地板供暖
D 城市集中供熱+散熱器供暖
1 一次能源消耗量與能源利用率比較
比較能源消耗量需要有共同的標(biāo)準(zhǔn)，一般采用一次能源消耗量為基準(zhǔn)。一次能源是指在自然界現(xiàn)成存在，可以直接取得而不用改變其基本形態(tài)的能源，如煤、天然氣、石油等。能源利用率在這里指用戶需要的熱量與消耗的一次能源的比值。能耗計(jì)算原則如下：
散熱器供暖時(shí)設(shè)計(jì)供熱量60W/m2，地板供暖設(shè)計(jì)供熱量為50 W/m2，全年供暖期為150天，按每天供暖20小時(shí)計(jì)算，共3000小時(shí)，整個(gè)供暖季單位面積平均供熱量按設(shè)計(jì)供熱量的60%計(jì)算。
地下水供回水溫度為12℃/5℃，用戶側(cè)供回水溫度為45℃/38℃，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品樣本，熱泵機(jī)組COP為3.8。
水泵與電機(jī)綜合效率為50%，地下水位實(shí)測(cè)為15～20m，地下水泵揚(yáng)程取為25m，用戶側(cè)水泵揚(yáng)程為20m。水泵按定流量運(yùn)行，流量按設(shè)計(jì)供熱量計(jì)算。
電加熱效率取為100%，發(fā)電輸電配電系統(tǒng)總效率為30%。
集中供熱能量轉(zhuǎn)換與輸配綜合效率為80%，板式換熱器，設(shè)其效率為95%。
四個(gè)方案一次能源消耗量及能源效率比較見表1。
一次能源消耗量及能源效率比較 表1
2 初投資比較
地下水水井費(fèi)用每口井20000元，出水量20～30t/h，這樣的井2口可供6000 m2建筑面積使用，折合為6.67元/ m2。熱泵系統(tǒng)初投資為60元/ m2。
電加熱變電設(shè)備等投資為20元/ m2。延邊地區(qū)不收電力增容費(fèi)。
集中供熱入網(wǎng)費(fèi)為50元/ m2，視離供熱站距離遠(yuǎn)近而定的入網(wǎng)管道費(fèi)為10～30元/ m2，這里取為20元/ m2。方案C的換熱器系統(tǒng)投資為10元/ m2。
低溫輻射地板和散熱器系統(tǒng)的初投資相同，都是50元/ m2。
四個(gè)方案初投資比較見表2。
初投資比較 表2
3 運(yùn)行費(fèi)用比較
計(jì)入變壓器線路損失費(fèi)用后電價(jià)為0.4元 /kWh。
集中供熱收費(fèi)對(duì)住宅樓收費(fèi)為20元/ m2。
采暖地板供暖的方案ABC維修費(fèi)用按照設(shè)備投資的2%計(jì)算，散熱器系統(tǒng)的維修費(fèi)用按照散熱器設(shè)備投資的3%計(jì)算。
四個(gè)方案年運(yùn)行費(fèi)用比較見表3
年運(yùn)行費(fèi)用比較 表3
4 壽命周期費(fèi)用 （Life Cycle Cost ,LCC）
壽命周期費(fèi)用 （LCC）是指在設(shè)備壽命周期內(nèi)投入的設(shè)置費(fèi)用（初投資）和維持費(fèi)用（運(yùn)行費(fèi)）的總和，壽命周期費(fèi)用是設(shè)備投資方案的重要依據(jù)。由于初投資和運(yùn)行費(fèi)在時(shí)間概念上是不一樣的，應(yīng)該把它們折算到同一時(shí)間點(diǎn)上進(jìn)行比較。本文按資金年利率為10%都折算為現(xiàn)值進(jìn)行比較。
水井、地板供暖末端設(shè)備、散熱器末端壽命為30年，其余設(shè)備為15年，計(jì)算總費(fèi)用周期為30年。
四個(gè)方案壽命周期費(fèi)用現(xiàn)值比較見表4。
壽命周期費(fèi)用現(xiàn)值比較 表4
5 各方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
從能源利用角度來年，方案A最好，其一次能源消耗量最少，能源利用率最高；方案B最差，其一次能源消耗量最多，能源利用率最低；方案C的一次能源消耗量比方案D少，但是由于需要換熱器和運(yùn)行水泵等設(shè)備，其能源利用率比方案D要低。
初投資最少的是方案B，主要是電加熱設(shè)備價(jià)格低廉，而且不收取電力增容費(fèi)。倘若民取電力 增容費(fèi)800元/kW，方案B的初投資將接近其它方案。方案A的初投資方案C的初投資最高，同由于集中供熱入網(wǎng)費(fèi)用較高，并且為適應(yīng)地板供暖還需加設(shè)換熱器等設(shè)備。方案D初投資一般，與方案B相差很小。
運(yùn)行費(fèi)用最低的是方案A，這一方面是由于熱泵的運(yùn)行效率高，另一方面也是由于地下水位高，使得泵耗等也小。方案B的運(yùn)行費(fèi)用最高，是由于全年供暖時(shí)間較長，消耗電能較多，而電是屬于高品質(zhì)能源，價(jià)格自然較主。在供暖期較短，室外溫度較高的地區(qū)，采用電熱直接供暖其費(fèi)用才比較有競(jìng)爭(zhēng)力，在寒冷的東北地區(qū)則不太適宜。集中供熱按面積收費(fèi)使得地板供暖的節(jié)能優(yōu)勢(shì)沒有辦法得到應(yīng)有的回報(bào)，總費(fèi)用方案C還比方案D略高。
對(duì)各方案的壽命周期費(fèi)用分析表明，方案A的壽命周期費(fèi)用最低，是最優(yōu)的方案。方案B的壽命周期費(fèi)用最高，但其初投資小，在資金較短缺時(shí)也可采用。方案C的壽命周期費(fèi)用和初投資都比方案D要高，說明在集中供熱按面積收費(fèi)和供水溫度不適合地板供暖的情況下，采用地板供暖經(jīng)濟(jì)性不如散熱器供暖。
從該地區(qū)的特殊情況來說，當(dāng)?shù)厝藗儽容^習(xí)慣于地板供暖，而地下水源熱泵與地板供暖結(jié)合的供暖系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上有較大的優(yōu)勢(shì)，值得在該地區(qū)推廣。
四 結(jié)論
地下水源熱泵與地板供暖系統(tǒng)結(jié)合的供暖方案初投資適中、運(yùn)行費(fèi)少，在地下水源較充足的延邊地區(qū)應(yīng)該推廣使用。
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