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地热中高温热泵间接供暖系统的经济性分析点击：1982 日期：[ 2014-04-26 21:39:54 ] |
| 地热中高温热泵间接供暖系统的经济性分析 薛永明1,肖勇全1,李彬2,袁庆涛3 (1.山东建筑大学热能工程学院,山东济南250101; 2.山东省冶金设计院有限公司,山东济南250101; 3.核工业第二研究设计院建筑工作室,北京100840) 摘要:针对能源短缺和环境问题,结合一个工程实例,采用年度费用分析法原理对地热中高温热泵供暖系统进行了经济性分析。并与几种典型的供暖方式比较得出:在运行初期,该供暖方式年费用值较高;当系统运行5年后,其年费用除了高于燃煤锅炉外,均低于其他几种供暖方式。从经济性和环境影响方面综合考虑,认为地热中高温热泵供暖方式具有较好的利用前景。 关键词:地热供暖;高温水源热泵;经济性分析 中图分类号:TK529 文献标识码:A 文章编号: 1673-7644(2008)06-0496-05 0 引言 我国电热供暖技术历史悠久。进入21世纪以来,地热供暖有了突飞猛进的发展,以天津、北京为首的城市率先利用了该技术,供暖方式也由地热直接供暖向间接供暖、地板供暖以及高温热泵技术辅助其它能源的调峰供暖等多方面转变。然而,随着中高温水源热泵在地热供暖系统中的推广应用,经济性问题和环境影响逐渐成为人们关注的焦点。针对这些问题,本文结合一个工程实例,采用费用年值法对地热中高温热泵间接供暖系统进行了经济性分析,并与传统的常规供暖方式进行了分析比较,目的在于用事实说明高温热泵运用于地热供暖系统的经济性和可行性。 1·地热热泵间接供暖系统简介 地热供暖就是以一个或多个地热井的热水为热源向建筑物供暖。根据地区地热水的出水温度和水流量附加其他的调峰系统。地热供暖系统主要由三个部分组成:第一部分为地热水的开采系统,包括地热开采井和回灌井,调峰站以及井口换热器;第二部分为输送、分配系统,它是将地热水或被地热水加热的水引入建筑物;第三部分末端装置,主要有地板采暖末端、风机盘管末端和散热器末端[1]。目前最常用的地热供暖方式是地热热泵间接供暖系统。 在地热热泵间接供暖系统中,采用与板式换热器间接换热方式,解决了地热水对地热供暖系统管道和设备的腐蚀问题。起初,地热供暖系统仅有一级换热,即地热水进入换热器换热后直接排放,造成地热尾水排放温度过高,从而能源利用率下降且造成了环境的热污染。针对以上问题,国内提出了一种新的地热供暖模式—地热梯级供暖系统。该系统是一种改进的地热热泵间接供暖系统,具体流程是:(1)地热水经过一级板式换热器换热后,直接供管网系统的散热器末端供暖; (2)经过第一级换热后的地热水与第二级板式换热器再次换热,提取能量供地板辐射末端供暖; (3)由第二级板式换热器换热完的地热水进入第三级板式换热器,与中间循环水换热后,地热水由另一眼地热井回灌至地下。中间循环水通过高温水源热泵机组将热量传给供暖循环水,供风机盘管末端。地热热泵间接供暖系统流程图参见图2[2]。 1地热井2井口装置3回流管4热水表5旋流除砂器6板式换热器7高温水源热泵8常温水源热泵9循环水泵10分水器11集水器12散热器末端13散热器、地板采暖末端14风机盘管末端 图 1 地热热泵间接供暖系统流程图 2·年度费用分析法原理 按建设项目经济评价方法规定,比较效益相同的方案或效益基本相同但难以具体估算的方案,为简化计算,一般采用最小费用法,即净现值法或年度费用比较法[3]。年度费用比较法是指把所有现金流量化为与其等额的年值或年费用的方法。年度费用法只需计算方案的第一个寿命周期的年限,并且对该年限内的年度费用做出比较,因而解决了不同方案的寿命不等问题。年度费用法的计算公式[4, 5]: 式中:Ac为年度费用,元;C0为初投资,元;Ck为年运行费用,元;n为使用年限,年,该系统取30a;i为回收系数,取15%。 3·工程实例分析 某地区地热中高温热泵间接供暖工程,地热井的单井出水量120t/h,出水温度69℃,建筑供暖面积15万m2。该工程采用的是地热梯级供暖方式,分三级利用:第一级、利用板式换热器换热后进入分水器,地热水温度从69℃降到50℃。高温热泵负荷侧参数为65℃/45℃,末端形式为散热器末端,供热量为2651kW,可满足4. 42万m2的供暖需求;第二级、利用高温水源热泵制取65℃供热循环水,地热水温度从50℃降到25℃。高温热泵水源侧参数为43℃/22℃,末端形式为散热器供暖。可提供热量为4675kW,电功率1011kW,可满足3. 87万m2地板采暖和3. 29万m2散热器末端用户的供暖需求;第三级、利用中温水源热泵,从25℃地热尾水提取热量,地热水温度降低到10℃回灌,热泵二次水侧输出50℃热水供暖,末端为地板采暖末端,可提供热量:2670kW,电功率744kW,供热面积为3. 56万m2 [2]。 3.1 初投资 初投资是指在整个供暖系统中各个部分的总投资,主要包括:土建费、设备购置费、安装费、打井费、工程建设其他费用等。本工程主要考虑三个部分,即地热井部分、中间换热部分和末端散热部分,其计算公式为[4] C0=C01+C02+C03(2) 式中:C01为地热井工程费用;C02为中间换热部分工程费用;C03为末端散热部分费用。 C01按实际打井费为准(本工程按700元/m计算);C02包括三个板式换热器、三台高温水源热泵和三台常温水源热泵。板式换热器价格根据流量和进出水温度计算求得,本工程中的板式换热器价格估算值是6600元/m2。水源热泵单位价格与出水温度关系见表1[6]。对于常温热泵,当tc=45℃时,热泵的单位价格为0. 651元/W;对于中高温热泵,当tc=75℃时,热泵的单位价格为1. 444元/W。根据随着热源侧供水温度每升高或降低1℃,热泵单位价格升高降低1. 5%,可得出热泵单位价格随热源侧供水温度变化的关系式[6]: 45℃<tc≤55℃时, r=0. 651×[1+(tc-45)×1. 5% ] (3) 式中:r为单位热负荷下的热泵价格,元/W; 55℃<tc≤75℃时, r=1. 444×[1-(75-tc)×1. 5% ] (4) 型号QYHP-1580M的高温水源热泵冬季制热功率是346kW,热源侧供水温度65℃;型号QYHP-900C的常温水源热泵冬季制热功率是248kW,热源侧供水温度52℃。于是热泵价格与供水温度的关系式: 45℃<tc≤55℃时, r=0. 651×[1+(tc-45)×1. 5% ]×248000 =17. 8(万元/台) 55℃<tc≤75℃时, r=1. 444×[1-(75-tc)×1. 5% ]×346000 =42. 5(万元/台) 地热水工程和中间换热部分价格和型号参见表2。C03包括散热器末端和地板采暖末端,一般情况下,取散热器末端价格为45~60元/m2,取45元/m2;地板采暖价格为35~40元/m2,取35元/m2。 其价格表见表3。由表2和表3可估算整个系统的初投资为1369. 18万元。 3.2 运行费用 年费用分析法的运行费用以年为单位计算。年运行费用主要包括电费、水费、燃料费、人工费、设备折旧费、维修费、其他费用等。年运行费用计算公式[4]:Ck=Ck1+Ck2+Ck3+Ck4+Ck5+Ck6(5)式中:Ck1为电费,元,在本工程中耗电设备主要包括常、高温水源热泵机组、水泵两种设备;Ck1=Ckg+Ckc+Ckb,式中Ckg为中高温水源热泵运行费用,Ckc为常温水源热泵运行费用,Ckb为水泵运行费用。Ck2为水费,主要包括地下水费和自来水费(包括补给水费),本工程的补水量取系统总循环水量的5%,Ck2=Ckd+Ckz,式中Ckd表示地热水费,Ckz表示自来水费。Ck3为人工费,工人工资按42元/日计算,福利按工资的15%计算。Ck4为设备折旧费,采用直线折旧法。Ck5为维修费,主要包括设备维修费(水源热泵系统还包括深井维护费用)、材料费、维修人员工资、平时维修保养费。Ck6为其他费用,主要包括排污费、管理费、税金等,取固定资产的2.5%[4]。电价0.55元/(kWh)(商业用电是0.72元/(kWh),该地区供暖天数按130d/a计算,自来水费3.2元/t,地热水资源费0.3元/t(国土资源部资料)。实际运行中,大部分时间高温水源热泵只开2台,常温水源热泵只开1台,只有在调峰时全开,设在一个采暖期中调峰负荷时间是一个月,即只在这个月中热泵全部运行。计算过程暂不考虑设备折旧费和维修费。各部分的年度运行费用计算结果参见表4和表5。由表4和表5数据计算,年采暖期总费用是312.9万元,年耗电量是4.67088×106kWh。 注: (1)自来水量近似按地下水量计算,且只考虑补水水费; (2)工人按3人计算,工资按全年计算。 由公式(1)求得: 在对运行费用的分析中,上面将运行费用设为定值,而实际中运行费用是随着当地的电费、水费以及气象条件等因素发生变化。在近几年来看,电费、水费的变动较小,而气象条件的变化较大,近似呈现周期性的变化。于是可以将系统的运行费用近似是定值。 4·与其他典型供热方案的比较 由以上分析可知,该工程的初投资为1369. 18万元,年运行费用为312. 9万元,年耗电量为4670880kWh,供暖建筑面积为15万m2,可以求得该系统每平方米每年的耗电量、运行成本和一次性投资,并与区域锅炉房供暖方案进行了分析比较,其结果列于表6[2]、[7]。 从表6、图2和图3可以看出,在初投资费用方面,地热中高温热泵供暖方式高于燃煤锅炉供暖方式,而低于热电联产供暖方式;在运行费用方面,地热中高温热泵供暖方式均低于其他两种供暖方案。而且该系统在回灌较好的情况下,不会对环境造成热污染,由于地热水与板式换热器换热后,通过循环水来实现建筑的供热负荷,从而延长了地热供暖系统的使用年限,优于其他供暖方案的寿命周期。 图4是几种供暖方案年度费用与使用年限的关系图。从图中曲线我们可以得出: (1)与电锅炉供暖方式相比,地热中高温热泵供暖方案在开始几年内的年度费用相对较高,运行5年后,其年度费用将明显优于电锅炉和热电联产供暖方案; (2)燃煤锅炉与地热中高温热泵供暖方案相比,具有较好的经济性。但是针对目前国家对能源合理利用和环境保护力度的加大,燃煤锅炉作为一种污染环境的供暖方案明显劣于地热热泵供暖方式。(3)为了进一步降低地热中高温热泵供热系统的运行费用,在严寒期,采用燃煤锅炉调峰措施。 5·结论 在地热中高温热泵间接供暖系统中,采用年费用比较法解决了不同供暖方案寿命不等问题,更合理、更准确地分析了不同供暖方案的费用。 在初投资费用上,地热中高温热泵供暖方案的费用偏高,这是由于钻井工程费和选用钛做板式换热器材料的缘故。从长远的经济效益和环境效益考虑,这种费用是值得的,一方面,地热水资源是清洁能源,减少了因使用燃料造成的环境污染问题;另一方面,由于地热水中含有大量的氯离子和溶解氧等腐蚀性成分,用钛板换热器延长了系统的使用周期(普通板式换热器在地热水水质不好的情况下平均寿命不到三年,而钛板换热器的使用年限在十年以上),相当于节省了投资。 在运行费用上,地热中高温热泵供暖方案优于热电联产供暖方式;与燃煤锅炉相比费用稍高。为使系统实现最小运行费用,在严寒期,系统采用燃煤锅炉调峰,既避免了高温热泵运行费用偏高的问题,又减轻了燃料燃烧造成的环境污染问题。 参考文献: [1] 汪集1,马伟斌,龚宇烈,等.地热利用技术[M].2004.98-100. [2]董明,孟富春,王羿,等.北京圣世苑培训中心地热热泵供暖系统研究[J].地热能, 2004, 14(5): 8-19. [3]何满潮,朱家玲,徐能雄.中国中低焓地热工程技术[M].2004. 169-174. [4]傅允准,林豹,张旭.深井水源热泵技术经济分析[J].同济大学学报, 2006, 34(10A): 1383-1388. [5]李轶,王文礼.地源热泵经济性研究[J].山东建筑工程学院学报, 2003, 18(1): 23-26. [6]沙晓雪,辜兴军,程建国.西藏地区供暖采用水源热泵+散热器的经济性分析[J]制冷与空调, 2004, 18(1): 53-55. [7]郭斌.哈尔滨市几种主要供热方式的技术经济比较[EB/OL]. |
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