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延边地区采用地下水源热泵与地板供暖系统的技术经济分析

2014-06-16来源:互联网


摘要  介绍了地下水源热泵机组与地板供暖结合的供暖系统,分析了两者结合应用的优点。对该系统和城市集中供热和散热器系统、城市集中供热和地板供暖系统、电加热地板供暖系统从一次能源消耗、初投资、运行费用等各方面进行了比较。技术经济分析表明,类似延边地区这种冬季采暖期长、地下水资源较丰富的地区,采用地下水源热泵与地板供暖系统相结合有很大的优势。

关键词  水源热泵 地板供暖 技术经济分析

一 引言

延边地区为朝鲜族自治区,该地区临近日本海,地下水资源比较丰富,地下水温常年在12~14℃,地下水位一般在15~20米左右。气候上属于海洋性气候,夏季凉爽,不需要空调;冬季十分严寒,所以搞好供暖工作十分重要。

当地人们有采有自烧地炕作为冬季供暖方式的传统习惯,但随着人们居住环境(由平房搬进楼房),人们对生活质量和环境要求的提高,这种方式已经在城市住宅中淘汰。大部分采用城市集中供热作为热源,室内系统采用散热器系统和地板供暖系统,并且由于人们习惯于传统地炕,采用地板供暖系统更受欢迎。近几年随着供暖技术的发展,供暖热源又有了很多新的选择,包括有地源热泵(包括以土壤、地下水、地表水为热源的不同形式)和直接电加热。本文将对一些典型供暖方案作技术经济分析,供设计人和业主参考。

二 地下水源热泵与地板供暖结合的供暖系统

1 地下水源热泵

本文只考虑供暖情况,所涉及地下水源热泵是指利用地下水作为低位热源,通过电驱动制冷系统做逆制冷循环,吸收地下水的热量向房间供暖的单热泵,它的主要优点是:

(1)节能,冬季地下水温度比环境空气温度高,并且地下水温较为稳定,使得热泵工作效率高,热泵机组COP可以达到3.5以上,加上水泵等系统的COP在3.0左右,而空气热泵系统的COP一般在1.8~2.2左右,在寒冷地区则更低,且由于结霜和排气温度太高而无法正常使用。

(2)污染小,由于热效率高,其一次能源消耗量很小,由此造成的温室气体排放较其他几热源都要低。运行没有任何直接污染,可以建造在居民区内。没有排放及废弃物,不需要堆放燃料和废物的场地,以及不用远距离输送热量。没有空气源热泵的热污染和较大的噪声污染等。

(3)运行稳定可靠,自动控制程度高,运行维护费用低,寿命长。

但是地下水源热泵受地下水源的限制,只有在有充足良好的地下水源情况下才可以使用,且一定要做好井水回灌工作,做到在使用地下水源的时候尽量保护地上水源。

2 地板辐射供暖

地板供暖供暖是通过在地下敷设热水散热盘管或直接敷设电热丝,利用地面自身的蓄热辐射而将热量向地面上的空间散发,维持该空间具有较稳定合适温度状态的一种供暖技术,它的主要优点是:

(1)提高了室内环境的舒适度,低温地板供暖采暖给人以脚暖头凉的舒适感,符合人体的生理学调节特点。热容量大,热稳定性好。

(2)节约能源,低温地板供暖采暖可以在比室内正常设计温度低2~3℃情况下达到对流散热供暖相同的舒适度,比传统的采暖方式要节约能源。热量集中在房间下部的工作区间内,不会出现上热下冷的现象,另外,低温地板辐射采暖可方便地实现分户热计量控制。

(3)扩大了房间的有效使用面积,采用暖气片采暖,一般100平方米占有效使用面积达2平方米左右,而且上下立横管诸多,给用户装修和使用带来不便。

(4)使用寿命长,低温地板采暖可靠性高,使用寿命在50年以上,不腐蚀、不结垢,节约维修和更换费用。

(5)对热能温度要求不高,大热能温度低于50度时,有较强的适应性。

另外,地板供暖方式从室内供暖方式上来讲,与延边地区传统的地炕相同,所以在该地区很受欢迎。

地板辐射供暖的缺点是增加了地板的厚度,使房间净高减小。另外;家具特别是厚地毯等对散热效果有较大的影响。

3 地下水源热泵与地板供暖结合的供暖系统

由于地板供暖供水温度不能太高,混凝土地板辐射供暖的供水温度宜采用45~60℃,供回水温差宜采用5~10℃。城市集中供热设计供回水温度为95℃/70℃,要应用地板供暖系统,用户需自己加设换热器。而采用地下水源热泵为热源时,较低的供水温度正好使得热泵机组的冷凝温度较低,这样可以使得机组的性能系数COP较高,在同样的供暖量情况下减少了电耗。对于地下水源热泵供热系统,由于供水温度较低,采和传统的散热器作为末端散热设备的话势必需要增加散热器的散热面积。所以地下水源热泵结合地板供暖是利用了双方的优点而避免了双方的缺点,是一种经济、高效的供暖系统形式。

三技术经济分析
  
  本文以住宅楼为例,对地下水源热泵结合地板供暖系统、现有的城市集中供热和散热器系统、城市集中供热和地板供暖系统、直接电加热地板供暖系统从一次能源消耗量、能源利用率、初投资和运行费用、投资经济性等方面进行了比较。四个方案编号如下:
  A 地下水源热泵+地板供暖
  B 电加热+地板供暖
  C 城市集中供热+地板供暖
  D 城市集中供热+散热器供暖

  1一次能源消耗量与能源利用率比较
  比较能源消耗量需要有共同的标准,一般采用一次能源消耗量为基准。一次能源是指在自然界现成存在,可以直接取得而不用改变其基本形态的能源,如煤、天然气、石油等。能源利用率在这里指用户需要的热量与消耗的一次能源的比值。能耗计算原则如下:
  散热器供暖时设计供热量60W/m2,地板供暖设计供热量为50 W/m2,全年供暖期为150天,按每天供暖20小时计算,共3000小时,整个供暖季单位面积平均供热量按设计供热量的60%计算。
  地下水供回水温度为12℃/5℃,用户侧供回水温度为45℃/38℃,根据实测数据和产品样本,热泵机组COP为3.8。
  水泵与电机综合效率为50%,地下水位实测为15~20m,地下水泵扬程取为25m,用户侧水泵扬程为20m。水泵按定流量运行,流量按设计供热量计算。
  电加热效率取为100%,发电输电配电系统总效率为30%。
  集中供热能量转换与输配综合效率为80%,板式换热器,设其效率为95%。
  四个方案一次能源消耗量及能源效率比较见表1。
  
                   一次能源消耗量及能源效率比较  表1


A

B

C

D

  所需热量MJ/m2·a

324

324

324

389

  消耗电能MJ/m2·a

97.8

324.0

7.2

0

  消耗热能MJ/m2·a

0

0

341

389

  一次能源消耗量MJ/m2·a

326

108

450

486

  能源利用率

99.4%

30.0%

71.9%

80.0%

2初投资比较
  地下水水井费用每口井20000元,出水量20~30t/h,这样的井2口可供6000 m2建筑面积使用,折合为6.67元/ m2。热泵系统初投资为60元/ m2。
  电加热变电设备等投资为20元/ m2。延边地区不收电力增容费。
  集中供热入网费为50元/ m2,视离供热站距离远近而定的入网管道费为10~30元/ m2,这里取为20元/ m2。方案C的换热器系统投资为10元/ m2。
  低温辐射地板和散热器系统的初投资相同,都是50元/ m2。
  四个方案初投资比较见表2。
  
                        初投资比较  表2


A

B

C

D

  地下水井¥/ m2

6.67

0

0

0

  设备和入网费¥/ m2

60

20

80

70

  地板或散热器¥/ m2

50

50

50

50

  总计初投资¥/ m2

116.67

70.00

130.00

120.00

3运行费用比较
  计入变压器线路损失费用后电价为0.4元/kWh。
  集中供热收费对住宅楼收费为20元/ m2。
  采暖地板供暖的方案ABC维修费用按照设备投资的2%计算,散热器系统的维修费用按照散热器设备投资的3%计算。
  四个方案年运行费用比较见表3
   
                       年运行费用比较  表3


A

B

C

D

  电缆¥/ m2

10.87

36.00

0.80

0

  供热收费¥/ m2

0

0

20.00

20.00

  维修费¥/ m2

2.33

1.40

1.00

1.50

  合计年费用¥/ m2

13.20

37.40

21.80

21.50

4寿命周期费用 (Life Cycle Cost ,LCC)
  寿命周期费用 (LCC)是指在设备寿命周期内投入的设置费用(初投资)和维持费用(运行费)的总和,寿命周期费用是设备投资方案的重要依据。由于初投资和运行费在时间概念上是不一样的,应该把它们折算到同一时间点上进行比较。本文按资金年利率为10%都折算为现值进行比较。
  水井、地板供暖末端设备、散热器末端寿命为30年,其余设备为15年,计算总费用周期为30年。
  四个方案寿命周期费用现值比较见表4。

                     寿命周期费用现值比较  表4


A

B

C

D

  初投资¥/ m2

131.03

74.79

132.39

120.00

  运行费¥/ m2

124.46

352.57

280.96

278.09

  LCC现值¥/ m2

255.50

427.35

413.35

398.09

5 各方案技术经济分析
  从能源利用角度来年,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,但是由于需要换热器和运行水泵等设备,其能源利用率比方案D要低。
  初投资最少的是方案B,主要是电加热设备价格低廉,而且不收取电力增容费。倘若民取电力 增容费800元/kW,方案B的初投资将接近其它方案。方案A的初投资方案C的初投资最高,同由于集中供热入网费用较高,并且为适应地板供暖还需加设换热器等设备。方案D初投资一般,与方案B相差很小。
  运行费用最低的是方案A,这一方面是由于热泵的运行效率高,另一方面也是由于地下水位高,使得泵耗等也小。方案B的运行费用最高,是由于全年供暖时间较长,消耗电能较多,而电是属于高品质能源,价格自然较主。在供暖期较短,室外温度较高的地区,采用电热直接供暖其费用才比较有竞争力,在寒冷的东北地区则不太适宜。集中供热按面积收费使得地板供暖的节能优势没有办法得到应有的回报,总费用方案C还比方案D略高。
  对各方案的寿命周期费用分析表明,方案A的寿命周期费用最低,是最优的方案。方案B的寿命周期费用最高,但其初投资小,在资金较短缺时也可采用。方案C的寿命周期费用和初投资都比方案D要高,说明在集中供热按面积收费和供水温度不适合地板供暖的情况下,采用地板供暖经济性不如散热器供暖。
  从该地区的特殊情况来说,当地人们比较习惯于地板供暖,而地下水源热泵与地板供暖结合的供暖系统在经济上有较大的优势,值得在该地区推广。
  
四结论
  
  地下水源热泵与地板供暖系统结合的供暖方案初投资适中、运行费少,在地下水源较充足的延边地区应该推广使用。



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