华北某生态园区
北京清华同衡规划设计研究院有限公司/赵洋
北京市弘都城市规划建筑设计院/张婷
清华大学/林波荣*刘加根
摘要：本文以华北地区某生态园区为例，首先对适用于本项目的锅炉位置进行优化分析，其次提出五种能源中心系统形式，并对其分析不同方案初投资及年运行费用，最后采用动态费用年值法比较分析不同方案的经济效益。结果表明，复合暖通空调系统，相比单一系统，不仅可以实现节能，又可降低初投资，并减少年运行费用。 关键词：地源热泵 优化设计 系统性能经济分析
Study on optimal Design of Regional cooling and heating system in an Ecological Park in North China By Yang Zhao,Ting Zhang, Borong Li,Jiagen Liu
Abstract: This paper takes an ecological park in north China as an example, firstly, Through analyzing the ticboiler position. Then proposing five kinds of energy center system, and analyzing the initial investment and annual operating cost of each scheme. Finally, adopting the dynamic annual cost method to make comparison analysis of the economic benefits of different schemes. The results show that the combined HVAC system can not only save energy, but also reduce the initial investment and annual operating cost.
Keywords: Ground-coupled heat pump,Optimization design,System performance,Economical analysis Beijing Tsinghua Tongheng Urban Planning & Design Institute
Beijing Homedale Institute Of Urban Planning And Architectural Design
Tsinghua University
0概述
从建筑节能的角度看，在选择建筑物暖通空调系统的冷热源时，应从高效节能、环保以及经济性等方面加以考虑。根据建筑物使用功能的不同，选择不同的暖通空调系统，这就需要对所选系统方案进行经济性分析。本文通过分析华北地区某生态园区暖通空调系统能源消耗、初投资与年运行费用，给出一种系统设计的选择依据。
生态谷项目总占地约17200亩，其中农业科技示范中心位于生态谷园区中部，总占地1892亩。农业科技示范中心项目有设施农业控制中心、都市垂直农业中心、蘑菇工厂、都市农业体验区等8栋建筑，建筑面积共计33945m2
。
1系统冷、热负荷确定
能源中心系统计算分析是以夏季室内温度27℃，冬季室内16℃（部分18℃），渗风0.6次/h。冬季以24h 空调逐时负荷，夏季以间歇空调（9:00-19:00)+夜间通风（20:00-6:00，2次/h)逐时负荷为分析依据，经计算示范中心全年最大空调热负荷为4213kW，热负荷指标为142W/m 2；全年最大空调冷负荷为3846kW，冷负荷指标为259W/m 2。
2性能参数确定
2.1设备性能参数确定
本项目总负荷较大，所配置的主机单机容量也较大。结合某品牌的热泵机组性能，其制热性能系数达到5.0，制冷性能系数达到7.0。但结合实际运行测试经验，常规的热泵机组的一般的夏季性能系数在6.0左右，冬季的性能系数在4.0左右，很难达到样本的7.0/5.0的夏/冬性能系数。本次研究分析中冷机与其他主要设备的性能参数按表1执行。
表 1 主要设备性能参数统计
1热泵机组性能系数夏季6.0
冬季4.02.2土壤换热器参数的确定
根据《岩土体热响应试验报告》中的结果，土壤换热器系统采用双U 型换热器，单个土壤换热器孔深定为100m，孔间距为5m，夏季单位延米排热量参考值取68W/m，冬季单位延米取热量参考值取34 W/m。
3冷热源系统设计
对于大型项目，与常规空调系统相比，单一采用地源热泵空调系统满足全部的冷热负荷会使系统初投资大大提升，同时，仅采用地源热泵系统长期运行有可能造成的地下温度场的不平衡而且难以调节，往往大型项目多采用地源热泵结合常规空调系统调峰的复合式系统。复合式系统可以将纯地源热泵系统的初投资费用降低，同时运行费用又较常规空调系统低，而且可以对系统长期运行有可能造
成的地下温度场不平衡现象进行实时调节[1]，图2为本项目能源方案设计思路。
图 2本项目能源方案设计思路
冬季典型日负荷曲线 夏季典型日负荷曲线
图 3本项目季典型日负荷曲线（单位：MW •h）
图3是本项目冬季与夏季典型日的负荷曲线与能源价格分布，从本项目典型日负荷分布上看，冬季热负荷主要分布在夜间，此时电价处于“谷段”，白天负荷较低；夏季间歇运行，冷负荷主要分布在昼间，电价处于“高峰段”和“平段”。综合负荷分布与电力电价，冬季地源热泵利用具有很大优势。为了得到本项目比较适合的空调系统形式，考虑周围能源资源仅有电力资源，分别进行方案一（单一地源热泵空调系统）；方案二（地源热泵承担夏季全部负荷，承担冬季热负荷的62%）；方案三（地源热泵承担1#、2#与4#建筑的冷负荷，冬季热负荷的50%）（8#建筑距能源中心较远，输送距离长，建议采用夏季风冷冷水机组或多联机）；方案四（地源热泵承担冬季热负荷的30%）；以及方案五（不采用地源热泵技术的常规空调系统）五种方案的设计。
由于锅炉+地源热泵联合使用的复合系统中锅炉位置可设置在地源侧和末端侧两种方式，两种方案工作原理示意见图4。
本项目冬季累计负荷高于夏季累计负荷，且冬季最大负荷出现在“谷段”电价，冬季充分利用地源热泵机组和锅炉调峰可明显降低冬季建筑能耗与运行费用。针对锅炉+地源热泵联合运行时锅
炉位置，以本项目能源中心系统形式方案三为例，对两种位置形式年运行费用进行分析如图5所示。
图 4 锅炉与地源热泵联合运行位置示意
联合运行锅炉为燃油锅炉时，锅炉在地源侧年运行费用230.3万元，较设置于末端侧的272万元低15.3%。分析表明锅炉设置在地源侧较设置在末端侧能节约运行费用，因此，本文分析的暖通空调方案形式时，不再分析锅炉设置在末端侧。
图 5 本项目不同锅炉位置对应运行费用分析（单位：万元）根据本项目冷、热负荷分布特点与大小、土壤换热器参数以及地埋管换热器系统承担的负荷比例可计算各方案室外地埋管换热器数量，计算结果见表2。
表
2 室外地埋管换热器计算统计
4 全年运行能耗分析
4.1各方案能源消耗计算
各方案的全年运行能耗主要包括夏季、冬季制冷机组的能耗、冬季燃气锅炉能耗、输送能耗与末端设备能耗，计算结果详见表3。
表
3 各方案全年运行能耗及一次性能源消耗计算
一次能源利用体现了系统的节能情况，其值越小，则其节能效果越好，节能效果从好到坏分别是方案一>方案三>方案二>方案四>方案五。若以一次能耗最大的方案五为基准，方案一、方案二、方案三与
方案四的节能率分别为16.2%、15.5%、15.9%和11.5%。
5经济性分析
5.1能源价格
本项目农业用电的峰谷电价，高峰段：10:00～15:00与18:00～21:00，电价0.9472元/kWh；平段：7:00～10:00，15:00～18:00与21:00～23:00，电价0.6435元/kWh；低谷段：23:00～7:00，电价0.3558元/kWh，天然气每标准立方米4元。
5.2初投资
各系统方案的初投资初费用包括：机房内所有设备的购置及安装；机房内配电、控制柜的制作与安装；室外土壤换热器系统的全部施工，不包括机房和蓄水池土建施工费；由变电站至机房配电柜的主电源引入费用。各方案初投资计算见表4。由各方案初投资可知地源热泵比例越大能源中心的初投资越高，单一地源热泵方案一的初投资最高，1712万元，是常规方案820万元的2.1倍。
表4
不同方案下能源中心初投资计算
5.3运行费用计算
由表5五种方案的运行费用可知：冬季运行费用，方案一运行费用最低，为105.9万元；方案五的冬季累计运行费用最高，为200.0
万元；夏季
运行费用，方案一费用最低，为94.1元；而常规电制冷的方案五运行费用最高，为121.3万元；年运行费用，方案一年运行费用最低，为200.0万元，方案五年运行费用最高，为321.3万元。
表 5
不同方案运行费用统计
5.4动态费用年值法比较分析
初投资和年运行费用这两个指标只能反映出各方案经济性，在决策时只能针对各方案某一指标进行比较，不能给决策者提供全面的参考，需一个综合经济指标对各方案进行经济比较，即动态费用年值法，是利用动态方法进行年费用计算分析，是将项目初投资的现金值按时间价值等额分摊到有限年限中，并与年运行费用相加[2]
。动态费用年值法值综合考
虑初投资和运行费用，其值越小说明方案越佳。计
算方法：
总费用=建设成本+（能耗费用）
其中：n— 考虑年份（采用20年）；D— 折现率，取7.5%；
L— 能源费用上涨率，综合考虑电费和燃气费增长，取2%。
注：1）方案1～方案4为燃油锅炉；2）费用比值：以方案5（夏季电制冷+冬季燃气锅炉）为基准线，其他方案总费用与方案5总费用的比值。
图6综合运行费用与回收期分析
由图6可知，方案四的投资回收年限最长，10年以上，方案三的投资回收年限最短，4年
左右；从项目总费用来看，由于方案五（常规电制冷与燃气锅炉常规方案）初投资小，前3年总费用最低，有明显优势，在第4年时，方案三总费用比常规电制冷+燃气锅炉常规方案总费用略高，差别不足1%，第5年方案三总费用最低，具有较为明显的优势。
6结论
根据本项目特点，本章首先对适用于本项目的锅炉设置位置进行优化分析，其次提出五种能源中心系统形式，并对分析了不同方案的能源中心造价及年运行费用，最后采用动态费用年值法分析不同方案的经济效益，得出以下结论：
1）方案一的一次能源消耗最小，方案五消耗最高，以方案五为能源为基准，方案一、方案二、方案三与方案四的节能率分别为16.2%、15.5%、15.9%和11.5%。
2）从初投资和年运行费用单一指标看，地源热泵比例越大能源中心的初投资越高，但运行费用低。
3）方案三是结合方案一运行费用低和方案五初费用小的优点，通过复合系统对建筑物进行制冷和采暖，相比于方案一，减少地下埋管数量，降低系统的初投资，相对方案五，虽然初投资有所增加，但减少了年运行费用。系统运行四年以上时，方案三总费用最小，具有明显的优势。
1-×1+L D-L
n
（）
1+L 1+D 参考文献
[1] 许杨，黄小君．夏热冬冷地区水(地)源热泵系统测试及问题分析[J]．制冷与空调．2018，(2)：36～41．
[2] 门小静.地源热泵空调系统的技术经济动态分析[硕士学位论文]. 湖北武汉.武汉理工大学土木工程与建筑学院,2009.
注：本文得到国家科技支撑计划项目“城市新区一体化管理与服务关键技术研究与应用
示范”(2015BAJ04B00)-课题“城市新区绿建筑管理与服务平台关
键技
术与应用示范研究”(2015BAJ04B02)课题资助。
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1.81.61.41.2
10.80.60.40.20
比值年份
总费用（万元）燃气锅炉基准线
地源热泵系统方案4
方案4比值
方案3
方案3比值
方案2
方案2比值
方案1
方案1比值
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