某新建建筑空調冷熱源方案可行性分析

程曄 梁宗楠

青島理工大學

某新建建筑空調冷熱源方案可行性分析

程曄 梁宗楠

青島理工大學

針對當前國家能源緊缺，空調能耗卻逐年上升的情況，結合工程實例，對建筑空調冷熱源方案進行可行性分析，提出適合實際情況的最優方案。

冷熱源；可行性分析；最優方案

1 引言

空調系統作為改善環境的工具，隨著經濟發展和生活水平的提高日益普及。冷熱源作為空調系統的心臟，其初投資和運行能耗在空調系統總投資和總能耗中均占相當大的比重，其方案的選擇將直接影響到空調系統的性能。本文結合工程的實際情況，主要考慮對土壤源熱泵空調系統、燃氣鍋爐+冰蓄冷空調系統和燃氣鍋爐+螺桿式冷水機組等三個方案進行可行性分析。

2 工程概況

該建筑為商業建筑，建筑面積為17400平方米，采用中央空調，并含衛生熱水。夏季制冷160天，冬季采暖140天，每天24小時運行，當地正常電價為0.94元/度；夜間7小時谷段電價為0.564元/度。

3 負荷估算

結合建筑使用功能，采用面積指標法計算，冷指標按140w/㎡，熱指標按75w/㎡，熱水用水量定額按30L/人?天計算[]，計算可得冷負荷為2436kw,熱負荷為1305kw,熱水負荷125.8kw，總熱負荷為1430.8kw，同時使用系數取0.8，安全裕量取1.1。

4 冷熱源方案設計

4.1 土壤源熱泵空調系統

4.1.1 設計依據

夏季制冷機組的COP取4.5，土壤換熱量為2618kW。冬季機組的COP取4.0，土壤換熱量為944.3KW。空調系統夏季向土壤的排熱量為冬季吸熱量的2.77倍，考慮土壤的吸熱排熱的熱量平衡，長時間運行將會造成土壤溫度升高，從而影響熱泵機組的效果；打孔數較多，巖石結構打孔費用較高。采用輔助冷卻塔+土壤源熱泵集中供熱供冷[]。

4.1.2 地埋管換熱器設計

在綜合考慮地質條件的基礎上，本方案采用雙U管垂直埋管換熱器，地下打孔總深為100米/孔，換熱器平均換熱量為：夏季為70W/m，冬季50W/m。按照冬季工況進行設計，則所需要埋管長度為18886米，井數為189個。則夏季189個換熱孔承擔的負荷為1323kW，夏季冷卻塔承擔的負荷為1295kW。

4.2 燃氣鍋爐+螺桿式冷水機組系統

夏季冷源采用螺桿式冷水機組，制取冷凍水送入各房間的末端；冬季采用天然氣鍋爐作為熱源。作為常規空調系統，可以按照已有的工程經驗進行估算。其中初始投資按照360元/m2，運行費用按照100元/m2。

4.3 燃氣鍋爐+冰蓄冷空調系統

夏季冷源采用制冷機組，將建筑物空調時間所需冷量在非空調時間利用蓄冰介質的顯熱及其相變過程的潛熱遷移等特性，將能量以冰的形式蓄存起來，然后根據空調負荷要求釋放這些冷量，這樣就能最大限度的將高峰時期用電量轉到低谷時期，達到節約電費目的；冬季采用天然氣鍋爐作為熱源。該方案因其節約電費優勢目前已經被工程大量運用，可根據已有的大量工程實例數據估算。其中初始投資按照400元/m2，運行費用按照87元/m2。

5 冷熱源方案可行性分析

5.1 經濟性分析

方案經濟性分析包括初投資、運行費用、全壽命周期成本、回收期等多方面的分析。根據上述相關分析，三種方案相關數據如下：燃氣鍋爐+螺桿冷水機組方案：初投資626.4萬元；年運行費用174萬元；燃氣鍋爐+冰蓄冷：初投資696萬元；年運行費用151.38萬元；土壤源熱泵：初投資716.66萬元；年運行費用118.63萬元。

5.1.1 現值總費用比較

當全壽命周期取15年時，采用土壤源熱泵系統的現值總費用為2496.11萬元，比燃氣鍋爐+螺桿冷水機組方案現值總費用3236.4萬元節省22.9%；比采用燃氣鍋爐+冰蓄冷系統現值總費用2966.7萬元節省15.9%。

5.1.2 回收期比較

由表2分析可知，以燃氣鍋爐+螺桿冷水機組方案作為比較的基準，則土壤源熱泵空調系統、燃氣鍋爐+冰蓄冷系統增加的初投資分別為90.26萬元和69.6萬元。但運行費用每年降低分別為55.37萬元和22.62萬元，計算增量投資回收期分別為1.6年和3.1年。

5.1.3 初投資比較

根據國家和當地政府對土壤源熱泵系統補助的規定，土壤源熱泵補貼按照70元/m2計算，考慮這部分費用后，則燃氣鍋爐+螺桿冷水機組方案實際初投資626.4萬元；燃氣鍋爐+冰蓄冷方案實際初投資696萬元；土壤源熱泵系統方案實際初投資594.86萬元。土壤源熱泵系統是最節省的。

5.2 節能性分析

當今能源危機加劇，我國建筑節能狀況相對落后，系統方案節能效果極其重要。節能包括能源消耗、土地使用、機組效率等方面。由朱春光等人研究可知[]土壤源熱泵系統方案相對于其他兩種方案機組效率最高、占用土地但不影響土地使用、一次能源耗量最低，因而具有更強的節能性。

5.3 環保性分析

空調給人們帶來良好的生活環境，同時也帶來了不少環境問題，甚至危害人體健康。臭氧層破壞、溫室效應、大氣污染等問題凸顯。相比其他兩種冷熱源方案，土壤源熱泵系統方案利用的地表淺層資源，其清潔、可再生，算是綠色環保空調，基本不會對環境造成破壞，環保性和安全性最好。

5.4 綜合評價分析

考慮冷熱源方案時，應該將經濟性、環保性、節能性等因素綜合考慮，得出最優方案。經對比分析，土壤源熱泵系統為綜合考慮下最佳方案。

6 結束語

隨著空調普及而帶來的問題日益突出，冷熱源方案的選取對解決所面臨的問題起著關鍵作用。通過對三種方案綜合分析，采用土壤源熱泵系統作為冷熱源方案是最優方案。

[1] 住房和城鄉建設部發布.GB50736-2012.民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[M].中國建筑工業出版社,2012.

[2] 張春枝,翁維安.可再生能源在某住宅建筑中的應用分析[J].建筑熱能通風空調,2009,28(4):107～109.

[3] 朱春光,張歡,由世俊,梁宏博.新建廠區不同冷熱源方案選取研究[J].暖通空調,2014.

[4] 工程相關數據.

10.16767/j.cnki.10-1213/tu.2017.11.172