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基于换热成本的U形地下换热器经济性评估研究点击：1712 日期：[ 2014-04-26 21:35:59 ] |
| 基于换热成本的U形地下换热器经济性评估研究 李伟 (深圳市市政设计研究院有限公司) 摘 要:分析地下换热器的埋管方式、钻孔深度、U形管内流体流量及设计进水温度对地下换热器的初投资和热泵运行费用的影响,提出地下换热器单位换热量的换热成本指数的概念,并推导其具体的计算式。利用地下换热器的换热成本指数可以评估不同设计方案的经济性。最后通过计算换热成本指数评估不同设计方案的经济性。 关键词:U形地下换热器;热泵;土壤源;换热成本指数;经济性评估 土壤源热泵系统是一种绿色节能的空调系统,它将低品质的浅层地热能供建筑使用,其能源利用效率高于传统的空调系统,被认为是本世纪最具发展前途的热泵空调技术之一[1]。U形地下换热器是土壤源热泵系统的核心部件,占土壤源热泵系统初投资的比重较大。因此,U形地下换热器的优化设计和经济性评估对减少系统初投资和热泵的运行能耗有着重要的意义。目前U形地下换热器主要采用地源热泵协会推荐的设计方法进行设计计算[2],该设计计算方法比较简单,工程设计人员容易掌握和使用。但是这种设计方法并未考虑系统的初投资与热泵的运行费用之间的关系,也不能直观地反映U形地下换热器的经济性。笔者将在综合考虑系统初投资和运行费用的基础上提出U形地下换热器经济性评估方法。 1·地下换热器单位换热量的换热成本指数 U形地下换热器的设计是土壤源热泵系统设计的核心之一,主要包括:埋管方式的选择、钻孔深度的设计、U形管内流体流量的设计、设计进水温度的选择。U形地下换热器主要有单U形和双U形2种埋管方式。不同的埋管方式对钻孔的传热会有一定的影响,双U形埋管单位长度的平均换热量是单U形埋管方式的1.1~1.2倍[3],在相同换热量下,单U形地下换热器总埋管长度是双U形地下换热器的1.1~1.2倍。因此,不同埋管方式下的地下换热器的造价是不一样的。杨昌智等[4]分析了不同埋管深度、U形管内流体流量、设计进水温度对U形地下换热器换热的影响。不同埋管深度下的单位钻孔深度的平均换热量不同,埋管越深单位钻孔长度的平均换热量越低,钻孔的设计长度越长,单位长度的钻孔价格越高,地下换热器的造价越高,但是钻孔的出水温度越低,热泵的运行能耗越低。因此,埋管的设计深度直接影响到地下换热器的初投资和热泵的运行费用。 U形管内流体流量也会对地下换热器的换热状况有一定的影响:流量越大,钻孔的换热量越大,但是当U形管内流体流量增加到一定值后,钻孔的换热量将不会随流量发生改变,反而会使地下换热器的进出口温差减小,从而影响热泵的能耗。U形地下换热器的设计进水温度主要影响地下换热器的设计长度和热泵的能耗,从而影响土壤源热泵系统的初投资和运行费用。综上所述,在进行地下换热器设计时应综合考虑以上4个影响因素对地下换热器的初投资和热泵运行费用的影响。如何将这4个影响因素整合为一个指标来评估U形地下换热器的经济性是笔者研究的重点。利用地下换热器单位换热量的换热成本的评价方法评估地下换热器的埋管方式、钻孔深度、U形管管内流体流量、设计进水温度对地下换热器换热经济性的影响,其评估指数定义为:地下换热器单位换热量的换热成本指数———U形地下换热器的安装成本和热泵在设定的运行周期内的运行费用与地下换热器在设定的运行周期内的总换热量之比。换热成本包括地下换热器的安装成本和热泵的运行费用。地下换热器的安装成本包括:钻井费用、灌浆的材料费、埋管的材料费、人工费等。地下换热器环路的运行费用主要包括热泵和水泵的运行费用,不考虑末端环路的水泵和末端的运行费用以及系统运行所产生的管理费用。地下换热器的初投资和运行费用的影响因素很复杂,笔者提出的换热成本指数的目的是将地下换热器的各种影响因素对地下换热器换热性能的影响及其经济性整合为一个指标,通过计算换热成本指数可以很直观地比较不同方案的地下换热器的换热性能和经济性。地下换热器单位换热量的换热成本指数(元/千焦)为: 式中:L为地下换热器的设计长度(m);cb为单位长度的地下换热器钻井成本(元/米),包括钻井费用、灌浆的材料费和人工费等;cp为单位长度的地下换热器的埋管材料费用(元/米);whi为第i年的热泵的耗电量(kW·h);Np为水泵的功率(kW);h为一个冷暖期水泵的运行时间(h);pi为第i年的单位电价(元/千瓦时);S为设定的计算换热成本指数的运行时间(年);d为折现率;Qi为地下换热器在第i年的换热量之和(kJ)。水泵的功率可通过下式进行计算: 式中:ρ为流体的密度(kg/m3);g为重力加速度,取9.8m/s2;Qp为水泵的流量(m3/s);H为水泵的扬程(mH2O);η为水泵的运行效率。 利用式(1)可以计算出地下换热器单位换热量的换热成本指数,用于评估不同设计方案的经济性。通过对地下换热器进行全年能耗模拟,可以计算出式(1)中热泵各年的运行能耗和地下换热器的换热量。在计算地下换热器单位换热量的换热成本指数时所需要的热泵能耗和地下换热器的总换热量,可以用地下换热器全年运行模拟模型[5]计算得出。土壤的蓄热性和冷热负荷的不均通常会改变土壤的温度,使得传热工况恶化而影响到地下换热器的换热性能,因此热泵的运行能耗会有相应的增加。为了简化计算,忽略地下换热器由于长期运行时土壤蓄热而引起的换热性能变差和热泵运行能耗的增加,假设电的价格每年上涨指数相等(其变化不可预测)。由于相关的运行费用是按时间顺序发生的(且要经历一段比较长的时间),为便于在相同的时间基础上进行比较,就须要将各时间段内产生的费用统一折算成初始年的现值[6],则地下换热器单位换热量的换热成本指数(元/千焦)表示为: 式中:Wh为热泵在一个冷暖期的电耗(kW·h);p为单位电价(元/千瓦时);e为相关能源价格上涨指数,假设每年的能源上涨指数相同;Q为地下换热器在一个冷暖期的换热量之和(kJ)。 式(3)中的热泵能耗和地下换热器的换热量可以用地下换热器全年运行模拟模型[5]进行计算,钻孔费用和埋管材料费用按实际情况选取,折现率和能源价格上涨指数可以从相关文献选取[6],水泵的功率可以用式(2)进行计算。代入各参数,就可以计算U形地下换热器的换热成本指数。计算出的换热成本指数综合考虑了地下换热器的埋管方式、钻孔深度、U形管内流体流量、设计进水温度等对地下换热器换热经济性的影响。通过计算不同设计方案的U形地下换热器的换热成本指数来评估各种设计方案的经济性,根据实际情况选取换热成本指数较低的设计方案为最优设计方案。 2 案例分析 选取位于武汉的一栋办公建筑作为研究的建筑模型,夏季设计负荷为189kW,冬季设计负荷为135kW。热泵运行期为:夏季5月22日—9月30日,冬季11月10日—次年3月10日。开机时间为7:00—18:00。使用Energyplus模拟建筑的逐时负荷(见图1)。选取6种设计方案来设计地下换热器。土壤及埋管的基本参数见表1,钻井费用和相关的安装成本见表2,根据不同的埋管方式和U形管进水设计温度设计的地下换热器长度见表3。使用全年能耗模拟模型[5],采用C语言编程计算热泵、水泵的能耗和地下换热器的换热量(见表4)。 将各方案的参数代入式(3),计算地下换热器单位换热量的换热成本指数(见表5),其中折现率取7%,能源价格平均上涨指数取3%[6],电价格取1元/千瓦时,设备的运行周期取10年。从表5可以看出,方案5的换热成本指数最低,方案4换热成本指数最高。地下换热器的设计进水温度相同时,单U形埋管方式下的地下换热器换热成本指数要低于双U形埋管方式的。在相同埋管方式下,设计进水温度为37℃的地下换热器的换热成本指数反而低于设计进水温度为35℃的,这主要是因为前者的地下换热器长度比后者的要短,由于建筑的逐时负荷在大部分时间低于设计负荷,导致这2种设计方案的能耗相差不大。方案5的设计负荷不是按照夏季设计负荷进行设计的,从图1可以看出,建筑大部分时间处于部分负荷,地下换热器的长度基本能够满足负荷需求。方案6虽然初投资最低,但是由于埋管较短,在夏季很难满足负荷需求,热泵能耗较高(在换热成本指数中占主导地位),计算出的换热成本较高。因此方案5为最优设计方案。 3·结论 提出采用地下换热器单位换热量的换热成本指数来评估U形地下换热器的经济性,并推导出换热成本指数具体的计算式。最后通过实例分析了换热成本指数的应用。提出的U形地下换热器换热成本指数可以作为不同设计方案的经济性评估的依据。 参考文献 [1]殷平.地源热泵在中国∥空调热泵设计方法专辑3:现代空调[M].北京:中国建筑工业出版社,2001:1-8. [2]中国建筑科学研究院.GB50366—2005地源热泵系统工程技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2005:3-12 [3]蔡颖林,张华,陈帅,等.不同埋深换热器地源热泵冬季供暖实验研究[J].湖南大学学报:自然科学版,2009,38(12):22-26. [4]杨昌智,黄兵.U形管换热性能影响因素研究[J].湖南大学学报,2009,38(12):44-48. [5]黄兵,杨昌智.土壤源泵系统模拟和经济性评估研究[J].流体机械,2010,38(1):76-81. [6]Nyuk Hien Wong,Su Fen Tay,Raymond Wong.Lifecycle cost analysis of rooftop gardens in Singapore[J].Building and Environment,2003,38(6): 499-509. |
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