摘 要:分析地下换热器的埋管方式、钻孔深度、U形管内流体流量及设计进水温度对地下换热器的初投资和热泵运行费用的影响,提出地下换热器单位换热量的换热成本指数的概念,并推导其具体的计算式。利用地下换热器的换热成本指数可以评估不同设计方案的经济性。最后通过计算换热成本指数评估不同设计方案的经济性。
土壤源热泵系统是一种绿色节能的空调系统,它将低品质的浅层地热能供建筑使用,其能源利用效率高于传统的空调系统,被认为是本世纪最具发展前途的热泵空调技术之一[1]。U形地下换热器是土壤源热泵系统的核心部件,占土壤源热泵系统初投资的比重较大。因此,U形地下换热器的优化设计和经济性评估对减少系统初投资和热泵的运行能耗有着重要的意义。目前U形地下换热器主要采用地源热泵协会推荐的设计方法进行设计计算[2],该设计计算方法比较简单,工程设计人员容易掌握和使用。但是这种设计方法并未考虑系统的初投资与热泵的运行费用之间的关系,也不能直观地反映U形地下换热器的经济性。笔者将在综合考虑系统初投资和运行费用的基础上提出U形地下换热器经济性评估方法。
1·地下换热器单位换热量的换热成本指数
U形地下换热器的设计是土壤源热泵系统设计的核心之一,主要包括:埋管方式的选择、钻孔深度的设计、U形管内流体流量的设计、设计进水温度的选择。U形地下换热器主要有单U形和双U形2种埋管方式。不同的埋管方式对钻孔的传热会有一定的影响,双U形埋管单位长度的平均换热量是单U形埋管方式的1.1~1.2倍[3],在相同换热量下,单U形地下换热器总埋管长度是双U形地下换热器的1.1~1.2倍。因此,不同埋管方式下的地下换热器的造价是不一样的。杨昌智等[4]分析了不同埋管深度、U形管内流体流量、设计进水温度对U形地下换热器换热的影响。不同埋管深度下的单位钻孔深度的平均换热量不同,埋管越深单位钻孔长度的平均换热量越低,钻孔的设计长度越长,单位长度的钻孔价格越高,地下换热器的造价越高,但是钻孔的出水温度越低,热泵的运行能耗越低。因此,埋管的设计深度直接影响到地下换热器的初投资和热泵的运行费用。
U形管内流体流量也会对地下换热器的换热状况有一定的影响:流量越大,钻孔的换热量越大,但是当U形管内流体流量增加到一定值后,钻孔的换热量将不会随流量发生改变,反而会使地下换热器的进出口温差减小,从而影响热泵的能耗。U形地下换热器的设计进水温度主要影响地下换热器的设计长度和热泵的能耗,从而影响土壤源热泵系统的初投资和运行费用。综上所述,在进行地下换热器设计时应综合考虑以上4个影响因素对地下换热器的初投资和热泵运行费用的影响。如何将这4个影响因素整合为一个指标来评估U形地下换热器的经济性是笔者研究的重点。利用地下换热器单位换热量的换热成本的评价方法评估地下换热器的埋管方式、钻孔深度、U形管管内流体流量、设计进水温度对地下换热器换热经济性的影响,其评估指数定义为:地下换热器单位换热量的换热成本指数———U形地下换热器的安装成本和热泵在设定的运行周期内的运行费用与地下换热器在设定的运行周期内的总换热量之比。换热成本包括地下换热器的安装成本和热泵的运行费用。地下换热器的安装成本包括:钻井费用、灌浆的材料费、埋管的材料费、人工费等。地下换热器环路的运行费用主要包括热泵和水泵的运行费用,不考虑末端环路的水泵和末端的运行费用以及系统运行所产生的管理费用。地下换热器的初投资和运行费用的影响因素很复杂,笔者提出的换热成本指数的目的是将地下换热器的各种影响因素对地下换热器换热性能的影响及其经济性整合为一个指标,通过计算换热成本指数可以很直观地比较不同方案的地下换热器的换热性能和经济性。地下换热器单位换热量的换热成本指数(元/千焦)为:
式中:L为地下换热器的设计长度(m);cb为单位长度的地下换热器钻井成本(元/米),包括钻井费用、灌浆的材料费和人工费等;cp为单位长度的地下换热器的埋管材料费用(元/米);whi为第i年的热泵的耗电量(kW·h);Np为水泵的功率(kW);h为一个冷暖期水泵的运行时间(h);pi为第i年的单位电价(元/千瓦时);S为设定的计算换热成本指数的运行时间(年);d为折现率;Qi为地下换热器在第i年的换热量之和(kJ)。水泵的功率可通过下式进行计算:
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