1、冷却塔辅助冷却地源热泵经济性分析河北工程大学城市建设学院 李恺渊 王景刚 郝庆摘要 壤温度的全年温度变化特性，地源 热泵比空气源热泵 具有更高的 COP。但是当建筑以冷 负荷为主时，若完全依靠地源热泵来供冷， 则地下埋管换热器和热泵机 组的初投资均比较高， 热泵系统的循环效率也较低。采用辅助冷却复合地源热泵 系统，可有效降低系 统投资 ，提高系统的运行节能效果。在部分负荷时，完全依靠地源热泵供冷，在峰值负 荷或冷负荷较大时，启用 辅 助冷却装置，使辅助冷却装置和地源热泵机组联合运行。分析表明，采用冷却塔辅助冷却复合地源热泵系统在系统初投资和运行费用方面都具有一定的优势。关键词 冷却塔 辅助冷却
2、 地源热泵 经济性分析0 前言地源热泵是一种高效节能环保的热泵方式，但当应用于以冷负荷为主的建筑时，为了满足较大的冷负荷的需要，势必要加大地下埋管换热器的配置，增加初投资。此外，热泵机组长时间连续运行导致地下埋管周围土壤温度升高，机组效率下降，能耗增加。为了提高系统的效率和经济性，可以考虑使用辅助冷却装置。冷却塔作为一种成型且成熟的设备是地源热泵理想的辅助冷却装置。利用冷却塔辅助冷却的地源热泵系统如图 1-1图 1-1 辅助冷却地源热泵系统示意图在夏季需要供冷、冬季需要采暖的地区，当全年冷负荷大于热负荷时，如果按照冷负荷来确定地下埋管的长度，就会造成冬季埋管容量过大，由于钻井费用通常很高，会使
3、投资费用大大增加。同样对于大型的商业或是公共建筑而言，其全年的负荷分析表明，建筑物的冷负荷远大于热负荷，地下埋管换热器夏季排向埋管附近土壤的热量远大于冬季从土壤吸取的热量，再加之现代建筑玻璃幕墙的大量使用，建筑物的得热增加，照明设备及人员的大量散热等，更加剧了这种热量吸排的不平衡。经过系统的长期运行，埋管周围土壤温度升高，夏季埋管内流动介质与周围土壤的温差降低，换热器能力减弱，影响系统性能和运行特性，为了满足建筑物冷负荷就需要加大埋管长度，同样会增加系统的初投资。地源热泵系统初投资相对较高，主要在于钻井费用较高，所以尽量减少钻孔长度并且能够满足冷负荷要求是降低系统初投资的主导思想。用冷却塔辅助
4、地源热泵是一种好的方法，地下埋管换热器的长度按照冬季较小的负荷来确定，夏季未能由埋管承担的排热量由冷却塔来承担。这种系统形式的初投资主要是增加了冷却塔的费用，但是却大大减少了地下埋管的费用。在夏季，热泵运行费用中增加了辅助系统水泵和风机的能耗费用。但是由于辅助系统有助于地源热泵机组效率的提高，所以热泵压缩机的能耗降低。在冬季，由于埋管的减少，系统的效率降低，热泵压缩机的能耗会有所增加。所以对于系统全年运行费用的比较，还要进行具体的计算。1 辅助冷却系统的运行策略辅助冷却热泵系统的运行策略决定辅助冷却的容量和运行时间，辅助冷却的容量和运行的时间决定系统的初投资和运行经济性，运行策略的不同，会有不
5、同的辅助比例和运行时间，所需的辅助冷却的初投资和辅助系统的运行费用也不同。热泵系统的供冷可以采取两种形式，一种是埋地换热器单独运行，完全由埋地换热器承担所有的负荷，一种方式是埋地换热器和冷却塔联合运行，由冷却塔承担一部分负荷。第二种运行形式中又可以有多种运行策略。运行策略的选择必须充分考虑热泵系统的运行特性和地下埋管换热器的换热特性。地源热泵机组的效率与冷凝温度有关，冷凝温度越高，机组效率越低。而冷凝温度主要与地下埋管换热器出口流体温度有关，地下埋管出口流体温度越高，冷凝温度就越高。所以降低地下埋管换热器出口流体温度成为提高机组性能的重要途径。地下埋管换热器出口流体温度与其本身的长度、地下土壤
6、的温度及连续运行的时间等因素有关，地下埋管的长度越长、热泵连续运行的时间越短，换热器的出口流体温度就越低，机组的制冷性能系数就越大。以上可知影响系统性能的主要因素是地下埋管换热器出口流体温度 EFT（Entering fluid temperature）（热泵的入口温度） ，所以可以通过控制地下埋管出口流体温度来对辅助冷却地源热泵系统的运行进行调节，以此提高系统的效率，减少辅助设备的初投资和运行费用。在已往的研究中 4，有学者以地下埋管的出口流体温度为主要控制参数，制定了不同的辅助运行策略，进行了不同工况下的对比研究。系统的运行策略如下：（1）当 EFT 大于某一设定温度值时，即表明此时建筑物
7、的冷负荷过大，在这种状况下如果单独使用埋管换热器排放所有的热量，埋管周围土壤温度会升高，系统的效率降低。此时开启冷却塔，分担一部分负荷，减少了埋管向土壤排放的热量，使埋管周围土壤温度相对较低，保证系统的高效运行。当 EFT 低于某设定温度值时，即地下埋管换热器自身可以承担所有冷负荷，此时关闭冷却塔。 （2）以当地湿球温度和 EFT 之差为控制参数，由于冷却塔的性能主要与室外湿球温度有关，所以这种控制策略还可以反应冷却塔的性能对系统性能的影响，控制方法同上。 （3）可以根据建筑物的负荷的变化来控制辅助系统的运行。根据以往的研究和总结，找到一天中建筑物负荷最大的时候，在这些时候使冷却塔和地下埋管换
8、热器联合运行，在符合较小的时段里，热泵单独运行。但由于建筑的负荷随室外气象条件变化很大，很难精确的确定一天中负荷最大的时段，只能根据经验确定，与实际有很大的偏差，所以这种控制策略很可能会造成系统能耗的增高和初投资的增大，但是优点在于控制简单，易操作。（4）在系统运行的间歇，可以利用冷却塔降低埋管周围的土壤温度。在夜间，机组停止运行的时候，可以使冷却塔和地下埋管换热器在无负荷状况下串联运行，利用冷却塔将埋管周围温度较高的土壤蓄积的热量排走，对埋管周围的土壤进行降温。在次日，机组运行的时候可以得到一个相对较低的 EFT，提高热泵系统性能。对于各种运行策略的经济分析结果表明，如果减小辅助系统的运行时
9、间，会减少系统的运行费用，但为了满足辅助冷却量，会增加辅助设备的初投资。如果加大辅助系统的运行时间就会相应的减少辅助系统的容量，减少初投资，但是会加大辅助系统的运行费用，所以系统的总费用随运行策略的变化还有待考察。2 辅助冷却地源热泵经济性分析设邯郸某一办公建筑，面积 300m2，工作时间为早 8 时至晚 20 时，负荷计算用单位面积负荷法。冬季取 50W/m2，夏季取 110W/m2，冬季的最大热负荷为 15kW，夏季的最大冷负荷为 33kW，机组夏季运行 92天 1104 小时，冬季运行 90 天，运行 2160 小时。以此建筑的地源热泵为例进行经济性分析。系统运行期间 38，系统在夏季无
10、辅助冷却运行时，机组平均 COP 为 2.52，压缩机功率为13.0952kW， 地下埋管负荷为 46.0952kW，冬季机组平均 COP 为 3.17，压缩机功率 4.7319kW，地下埋管负荷为 10.2681kW。当用冷却塔承担 30%冷负荷时，即承担的负荷为 9.9kW，此时地下埋管承担的负荷是37.9649kW，夏季机组的平均 COP 有所上升，设为 3.2，由于埋管的减少，机组冬季的 COP 下降，设为3.0。辅助冷却系统的风机功率为 0.8kW，水泵功率为 2.2kW，辅助冷却运行时间为 56 /周。当用冷却h塔承担 20%负荷时，即承担的负荷为 6.6kW，此时地下埋管承担的负
11、荷为 41.2649kW，夏季机组的平均COP 是 3.1，冬季机组的 COP 为 3.1。辅助冷却的风机功率为 0.8kW，水泵功率为 2.2kW，辅助冷却运行时间可以有所减短，设为 38 /周。当辅助冷却量为 50%时，即承担的负荷为 16.5kW，机组夏季的 COP 为h3.3，冬季的 COP 为 2.8，辅助冷却的风机功率为 0.8kW，水泵功率为 2.2kW，辅助冷却运行时间为 85h/周。冬季埋管取热率为 26.26W/m, 夏季埋管放热率为 52.28W/m。埋管长度的计算采用峰值负荷法，埋管的费用主要包括钻井和管子的费用，平均为 100 元/m，辅助冷却的运行费用包括风机和水泵
12、的电耗，假设电价为 0.5 元/度。机组夏季运行时，压缩机能耗和建筑物的热量一同排入土壤，构成了埋管的夏季负荷，机组冬季运行时，埋管和土壤的换热量等于建筑的热负荷减去压缩机的能耗。通过以上可以分别计算出辅助冷却地源热泵系统和单独热泵系统的初投资和运行费用，初投资计算如下表 3-1，运行费用见表 3-2从以上两表可以看出，带有辅助冷却的热泵系统在整个系统的初投资上要少于单独的热泵系统。随着辅助冷却比例的增加，辅助冷却系统的投资有所提高，但是热泵埋管部分的投资又有所下降，总的初投资的变化取决于辅助系统和埋管费用的相对大小，由于本文所研究地区的埋管费用相对较高，所以对于整个系统而言，初投资还是随着辅
13、助冷却比例的增加而下降的。表 3-1 辅助冷却装置不同容量比例初投资分析辅助装置容量比例 20% 30% 50% 单独热泵埋管长度( )m708.6 639.1 506.9 881埋管费用（元） 70860 63910 50690 88100助冷却投资（元） 8700 13000 20000 0总初投资（元） 79560 76910 70690 88100单位面积投资为（元/m 2） 265.2 256.4 235.6 293.7表 3-2 辅助冷却装置不同容量比例运行费用辅助冷却装置容量比例 20% 30% 50% 单独热泵辅助冷却运行时间（ ）h500 736 1116 0辅助冷却系统的能
14、耗（ ）kW1500 2208 3348 0辅助冷却系统的费用（元） 750 1104 1674 0夏季机组运行时间（ ） 1104 1104 1104 1104夏季机组的能耗（ ） 11752 11385 11040 14457.1夏季机组的运行费用（元） 5876 5692.5 5520 7228.6冬季机组运行时间（ ）h2160 2160 2160 2160冬季机组的能耗（ ）k10451.8 10800 11571.1 10220.9冬季机组的运行费用（元） 5225.9 5400 5785.6 5110.5合计运行费用为（元） 11851.9 12196.5 12979.6 123
15、39.1单位面积运行费用为（元/ m 2） 39.5 40.7 43.3 41.1在运行费用方面，本文的分析主要是针对系统能耗费用的计算，不计人工，设备维护，管理等费用。系统在夏季运行时，由于增加了辅助冷却装置，机组的效率有所提高，运行费用下降，但是同时系统增加了辅助设备如风机，水泵等的运行费用。在冬季运行中，由于埋管长度的减小，机组的效率有一定的下降，机组的运行费用会增加。本文对以上四种系统的全年的能耗费用做了分析，结果表明，辅助比例较小的热泵系统的运行费用较小。本文还对以上四种系统的初投资和运行费用进行进一步的考察，假设热泵机组的寿命为 n 年，不考虑利率的影响，则 n 年后四种系统的总费
16、用（初投资+n 年的运行费）见图 3-1 由图可见，辅助比例为 20%和 30%的系统的多年运行总费用比单独热泵系统的总费用低，而且没有超过单独热泵系统总费用的趋势，辅助比例为 50%的系统的总费用在系统运行若干年后会超过单独热泵系统的总费用。在多年运行后，大辅助比例系统的总费用会超过小辅助比例系统的总费用。分析表明，各系统年运行费用方面的差异会在系统运行总费用方面起到了决定性的作用，图线的斜率代表各个系统的年运行费用，对于辅助冷却系统来说，辅助比例偏大，导致系统年运行费用大于单独热泵系统的年运行费用，辅助冷却热泵在经济上的优势将在未来系统运行的几年内消失，辅助冷却热泵就是不经济的。如果辅助比
17、例过大，系统的年运行费用将大副上涨，图上所示，曲线的斜率加大，则进一步加快了这一过程。图 3-1 复合地源热泵随运行时间变化的费用比较对于系统经济性的考察，要首先确定系统的使用年限，在不同的使用年限内，何种辅助比例的系统更经济还需要进一步确定。本例中，在系统运行 5 年内，辅助比例为 50%的系统是最经济的，但是在 5 年以后，小辅助比例的系统在经济性上开始占优，由于系统年运行费用的影响，辅助比例为 20%和 30%的系统的运行总费用始终不会超过单独的热泵系统，而辅助比例为 50%的系统则会随着系统运行时间的增加而逐渐成为最不经济的系统。由于热泵机组各部件性能的不同，地下埋管换热器性能的差异，
18、埋管的变化和辅助比例变化给机组性能带来的改变也不很相同，机组和辅助设备的能耗要由具体的辅助冷却地源热泵系统来决定。本文的以上分析均是基于本文所给的数据做出的结论，其他的系统可能会有所不同。3 结论1. 在气候炎热地区或是大型的商业或公共建筑的热泵系统上附加冷却塔，使其和地下埋管换热器联合运行，进行辅助冷却，有助于热泵机组效率的提高和初投资的降低。2. 辅助冷却系统的控制策略和系统的经济性密切相关，一般的说辅助冷量大则辅助系统运行时间短，运行费用少，辅助冷量小则辅助系统运行时间长，系统运行费用多。如何选择运行策略将决定热泵系统的经济性。3. 从系统的初投资和年运行费用来看，合适辅助冷却比例的地源
19、热泵系统比单独的地源热泵系统更经济。辅助比例过大会造成系统的运行费用的大幅提高，使系统多年运行总费用超过单独热泵系统的总费用。辅助比例过小的系统在初投资上有劣势，在运行中有优势，在系统多年运行的总费用上比较少，但在短期运行时段内热泵系统不经济。4. 从系统运行总费用（初投资+n 年运行费用）方面考虑，在不同的使用年限内，各个系统的经济性要做具体的分析，一般的说短期的运行，辅助比例大的系统占优，长期运行时，则要求辅助冷却热泵系02468101214167.51.515.19.523.527.520%300%5系统运行时间 n/年系统总费用/万元统的年运行费用至少等于单独热泵系统的年运行费用，这时
20、这种冷却辅助比例的系统才会有经济上的优势。参 考 文 献：1 马最良,姚杨. 民用建筑空调设计M.北京.化学工业出版社,2002. 2 王景刚.自然工质热泵循环和地源热泵运行特性研究D.天津.天津大学 20023 王景刚,马一太,张子平等.地源热泵的运行特性模拟研究J.工程热物理学报,2003.361-3664 Yavuzturk C,Spitler J D .Comparative Study of Operating and Control Strategies for Hybird Ground-Source Heat Pump Systems Using a Short Time St
21、ep Simulation Model J. Ashrae transactions,2000,192-209,5 Phetteplace G,Sullivan W .Performance of a hybrid ground-couple heat pump system J.Ashrae transactions,1998,763-7706 Ramamoorthy M,Jin H etal.Optimal sizing of hybrid ground-couple heat pump system simulation approachJ.Ashrae transaction,2001
22、,107-1217 曲云霞,方肇洪,张林华等.太阳能辅助供暖的地源热泵经济性分析J.可再生能源.2003,1:8108 王景刚,孙培杰.辅助冷却复合地源热泵系统可行性分析J.河北建筑科技学院学报.2005,3: 8-10ECONOMIC ANALYSIS OF HYBRID GROUND SOURCE HEAT PUMP SYSTEMS WITH COOLING TOWER AS A SUPPLEMENTAL HEAT REJECTERLi Kaiyuan Wang Jinggang(Hebei University of Engineering , Handan, 056038)Abstra
23、ct： The COP of the ground source heat pump is higher than that of the air source heat pump because of the soil annual temperature change characteristics. For some cooling-dominated buildings, If the peak load of cooling was supplied only by ground exchanger, the ground source heat pump coefficient o
24、f performance is lower and the primary capital cost of the system is higher. Therefore the supplemental heat rejecter, such as cooling towers, can be utilized as assisted source to reject more heat to the air . In period of part cold load, the system operation just depends on the ground source. And
25、in peak cold load or large cold load, the system can cooperate with the supplemental heat rejecter. The research results show that the hybrid ground source heat pump have superiority to primary cost and operation cost.Keywords：cooling tower； supplement heat rejecter； ground source heat pump； economic analysis
