延邊地區采用地下水源熱泵與地板供暖系統的技術經濟分析
摘要 介紹了地下水源熱泵機組與地板供暖結合的供暖系統，分析了兩者結合應用的優點。對該系統和城市集中供熱和散熱器系統、城市集中供熱和地板供暖系統、電加熱地板供暖系統從一次能源消耗、初投資、運行費用等各方面進行了比較。技術經濟分析表明，類似延邊地區這種冬季采暖期長、地下水資源較豐富的地區，采用地下水源熱泵與地板供暖系統相結合有很大的優勢。關鍵詞 水源熱泵 地板供暖 技術經濟分析
一 引言
延邊地區為朝鮮族自治區，該地區臨近日本海，地下水資源比較豐富，地下水溫常年在12～14℃，地下水位一般在15～20米左右。氣候上屬于海洋性氣候，夏季涼爽，不需要空調；冬季十分嚴寒，所以搞好供暖工作十分重要。
當地人們有采有自燒地炕作為冬季供暖方式的傳統習慣，但隨著人們居住環境（由平房搬進樓房），人們對生活質量和環境要求的提高，這種方式已經在城市住宅中淘汰。大部分采用城市集中供熱作為熱源，室內系統采用散熱器系統和地板供暖系統，并且由于人們習慣于傳統地炕，采用地板供暖系統更受歡迎。近幾年隨著供暖技術的發展，供暖熱源又有了很多新的選擇，包括有地源熱泵（包括以土壤、地下水、地表水為熱源的不同形式）和直接電加熱。本文將對一些典型供暖方案作技術經濟分析，供設計人和業主參考。
二 地下水源熱泵與地板供暖結合的供暖系統
1 地下水源熱泵
本文只考慮供暖情況，所涉及地下水源熱泵是指利用地下水作為低位熱源，通過電驅動制冷系統做逆制冷循環，吸收地下水的熱量向房間供暖的單熱泵，它的主要優點是：
（1）節能，冬季地下水溫度比環境空氣溫度高，并且地下水溫較為穩定，使得熱泵工作效率高，熱泵機組COP可以達到3.5以上，加上水泵等系統的COP在3.0左右，而空氣熱泵系統的COP一般在1.8～2.2左右，在寒冷地區則更低，且由于結霜和排氣溫度太高而無法正常使用。
（2）污染小，由于熱效率高，其一次能源消耗量很小，由此造成的溫室氣體排放較其他幾熱源都要低。運行沒有任何直接污染，可以建造在居民區內。沒有排放及廢棄物，不需要堆放燃料和廢物的場地，以及不用遠距離輸送熱量。沒有空氣源熱泵的熱污染和較大的噪聲污染等。
（3）運行穩定可靠，自動控制程度高，運行維護費用低，壽命長。
但是地下水源熱泵受地下水源的限制，只有在有充足良好的地下水源情況下才可以使用，且一定要做好井水回灌工作，做到在使用地下水源的時候盡量保護地上水源。
2 地板輻射供暖
地板供暖供暖是通過在地下敷設熱水散熱盤管或直接敷設電熱絲，利用地面自身的蓄熱輻射而將熱量向地面上的空間散發，維持該空間具有較穩定合適溫度狀態的一種供暖技術，它的主要優點是：
（1）提高了室內環境的舒適度，低溫地板供暖采暖給人以腳暖頭涼的舒適感，符合人體的生理學調節特點。熱容量大，熱穩定性好。
（2）節約能源，低溫地板供暖采暖可以在比室內正常設計溫度低2～3℃情況下達到對流散熱供暖相同的舒適度，比傳統的采暖方式要節約能源。熱量集中在房間下部的工作區間內，不會出現上熱下冷的現象，另外，低溫地板輻射采暖可方便地實現分戶熱計量控制。
（3）擴大了房間的有效使用面積，采用暖氣片采暖，一般100平方米占有效使用面積達2平方米左右，而且上下立橫管諸多，給用戶裝修和使用帶來不便。
（4）使用壽命長，低溫地板采暖可靠性高，使用壽命在50年以上，不腐蝕、不結垢，節約維修和更換費用。
（5）對熱能溫度要求不高，大熱能溫度低于50度時，有較強的適應性。
另外，地板供暖方式從室內供暖方式上來講，與延邊地區傳統的地炕相同，所以在該地區很受歡迎。
地板輻射供暖的缺點是增加了地板的厚度，使房間凈高減小。另外；家具特別是厚地毯等對散熱效果有較大的影響。
3 地下水源熱泵與地板供暖結合的供暖系統
由于地板供暖供水溫度不能太高，混凝土地板輻射供暖的供水溫度宜采用45～60℃，供回水溫差宜采用5～10℃。城市集中供熱設計供回水溫度為95℃/70℃，要應用地板供暖系統，用戶需自己加設換熱器。而采用地下水源熱泵為熱源時，較低的供水溫度正好使得熱泵機組的冷凝溫度較低，這樣可以使得機組的性能系數COP較高，在同樣的供暖量情況下減少了電耗。對于地下水源熱泵供熱系統，由于供水溫度較低，采和傳統的散熱器作為末端散熱設備的話勢必需要增加散熱器的散熱面積。所以地下水源熱泵結合地板供暖是利用了雙方的優點而避免了雙方的缺點，是一種經濟、高效的供暖系統形式。
三 技術經濟分析
本文以住宅樓為例，對地下水源熱泵結合地板供暖系統、現有的城市集中供熱和散熱器系統、城市集中供熱和地板供暖系統、直接電加熱地板供暖系統從一次能源消耗量、能源利用率、初投資和運行費用、投資經濟性等方面進行了比較。四個方案編號如下：
A 地下水源熱泵+地板供暖
B 電加熱+地板供暖
C 城市集中供熱+地板供暖
D 城市集中供熱+散熱器供暖
1 一次能源消耗量與能源利用率比較
比較能源消耗量需要有共同的標準，一般采用一次能源消耗量為基準。一次能源是指在自然界現成存在，可以直接取得而不用改變其基本形態的能源，如煤、天然氣、石油等。能源利用率在這里指用戶需要的熱量與消耗的一次能源的比值。能耗計算原則如下：
散熱器供暖時設計供熱量60W/m2，地板供暖設計供熱量為50 W/m2，全年供暖期為150天，按每天供暖20小時計算，共3000小時，整個供暖季單位面積平均供熱量按設計供熱量的60%計算。
地下水供回水溫度為12℃/5℃，用戶側供回水溫度為45℃/38℃，根據實測數據和產品樣本，熱泵機組COP為3.8。
水泵與電機綜合效率為50%，地下水位實測為15～20m，地下水泵揚程取為25m，用戶側水泵揚程為20m。水泵按定流量運行，流量按設計供熱量計算。
電加熱效率取為100%，發電輸電配電系統總效率為30%。
集中供熱能量轉換與輸配綜合效率為80%，板式換熱器，設其效率為95%。
四個方案一次能源消耗量及能源效率比較見表1。
一次能源消耗量及能源效率比較 表1
2 初投資比較
地下水水井費用每口井20000元，出水量20～30t/h，這樣的井2口可供6000 m2建筑面積使用，折合為6.67元/ m2。熱泵系統初投資為60元/ m2。
電加熱變電設備等投資為20元/ m2。延邊地區不收電力增容費。
集中供熱入網費為50元/ m2，視離供熱站距離遠近而定的入網管道費為10～30元/ m2，這里取為20元/ m2。方案C的換熱器系統投資為10元/ m2。
低溫輻射地板和散熱器系統的初投資相同，都是50元/ m2。
四個方案初投資比較見表2。
初投資比較 表2
3 運行費用比較
計入變壓器線路損失費用后電價為0.4元 /kWh。
集中供熱收費對住宅樓收費為20元/ m2。
采暖地板供暖的方案ABC維修費用按照設備投資的2%計算，散熱器系統的維修費用按照散熱器設備投資的3%計算。
四個方案年運行費用比較見表3
年運行費用比較 表3
4 壽命周期費用 （Life Cycle Cost ,LCC）
壽命周期費用 （LCC）是指在設備壽命周期內投入的設置費用（初投資）和維持費用（運行費）的總和，壽命周期費用是設備投資方案的重要依據。由于初投資和運行費在時間概念上是不一樣的，應該把它們折算到同一時間點上進行比較。本文按資金年利率為10%都折算為現值進行比較。
水井、地板供暖末端設備、散熱器末端壽命為30年，其余設備為15年，計算總費用周期為30年。
四個方案壽命周期費用現值比較見表4。
壽命周期費用現值比較 表4
5 各方案技術經濟分析
從能源利用角度來年，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，但是由于需要換熱器和運行水泵等設備，其能源利用率比方案D要低。
初投資最少的是方案B，主要是電加熱設備價格低廉，而且不收取電力增容費。倘若民取電力 增容費800元/kW，方案B的初投資將接近其它方案。方案A的初投資方案C的初投資最高，同由于集中供熱入網費用較高，并且為適應地板供暖還需加設換熱器等設備。方案D初投資一般，與方案B相差很小。
運行費用最低的是方案A，這一方面是由于熱泵的運行效率高，另一方面也是由于地下水位高，使得泵耗等也小。方案B的運行費用最高，是由于全年供暖時間較長，消耗電能較多，而電是屬于高品質能源，價格自然較主。在供暖期較短，室外溫度較高的地區，采用電熱直接供暖其費用才比較有競爭力，在寒冷的東北地區則不太適宜。集中供熱按面積收費使得地板供暖的節能優勢沒有辦法得到應有的回報，總費用方案C還比方案D略高。
對各方案的壽命周期費用分析表明，方案A的壽命周期費用最低，是最優的方案。方案B的壽命周期費用最高，但其初投資小，在資金較短缺時也可采用。方案C的壽命周期費用和初投資都比方案D要高，說明在集中供熱按面積收費和供水溫度不適合地板供暖的情況下，采用地板供暖經濟性不如散熱器供暖。
從該地區的特殊情況來說，當地人們比較習慣于地板供暖，而地下水源熱泵與地板供暖結合的供暖系統在經濟上有較大的優勢，值得在該地區推廣。
四 結論
地下水源熱泵與地板供暖系統結合的供暖方案初投資適中、運行費少，在地下水源較充足的延邊地區應該推廣使用。
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