引言随着全球经济迅速发展，能源消耗总量增长较快，其中建筑能耗占比较大[1]。近年来，供暖需求不断增加，供热边界线越来越向南移动，供暖需求的快速增长也导致能耗的急剧上升，仅在北方地区，城乡建筑取暖总面积已经达到215亿m2[2]。地源热泵具有高效、节能、经济、环保等优势，使其在近几年得到了广泛的应用[3]。地源热泵还具有可再生利用、运行成本低、占地面积小、节约水资源和良好的环境保护等特点。与传统的空调和供暖系统相比[4]，地源热泵技术更加符合国际能源发展的大趋势，也符合我国目前的能源和环保政策，是值得研究开发的可再生能源利用模式[5]。在能效方面，地源热泵的能效比可以达到4.5~6.0，而常规的消耗煤、气、电锅炉只能将70%~90%的燃料内能或90%~98%的电能转化为热能并用于采暖，能量损耗量大[6]；在运行费用方面，地源热泵利用土壤和地表水的热量，可以在运行费用低的同时实现循环利用[7]。2020年9月，我国明确提出2030年碳达峰和2060年碳中和的目标[8-9]，推动了传统空调系统向地源热泵系统的转型。在郑州某园区项目中，利用中深层地下水+两级板式换热器+双效热泵机组的地源热泵系统替换两台螺杆冷水机组和两台燃气锅炉系统，保留原有系统的部分装置，尽可能地减少资源的浪费，并对新设备进行创新、改良，最后对设备的经济性能进行分析。1地源热泵系统项目概述以郑州某园区为例，其建筑面积约为1.6万m2，冷热指标分别为93 W/m2和70 W/m2，总的冷负荷为1 488 kW，热负荷为1 120 kW。该园区原有两台螺杆冷水机组和两台燃气锅炉系统，螺杆冷水机组名义制冷量752 kW，额定电功率为279 W。根据该园区地质条件及场地条件，现采用中深层地下水+两级板式换热器+双效热泵机组的地源热泵系统替换原有的两台螺杆冷水机组+锅炉系统，室内末端装置保持不变。在冬季，对中深层地热水进行梯级利用，使其先进入一次板式换热系统直接向用户供热；换热后的地下水温度下降，这时再进入二次板式换热系统换热后回灌地下井，充分利用中深层地热水的能量。二次板式换热器冷侧系统与双效水源热泵的蒸发器串联，提取热量后通过双效水源热泵的冷凝器并入一次供热系统共同向用户供暖，使中深层地热水的热量被最大程度地利用。在夏季，通过双效水源热泵的蒸发器向用户供冷，用户的室内热量通过双效水源热泵的冷凝器与冷却塔串联排入大气环境中。地源热泵系统运行原理如图1所示。整个系统由一次板式换热器系统、二次板式换热器系统、中深层地下水循环系统、冷却塔系统、双效水源热泵系统等组成。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.003.F001图1地源热泵系统运行原理改造后的系统利用双效水源热泵机组串联冷却塔制冷代替螺杆式水冷机组制冷，利用地下2 000 m的地热井抽出的热水换热供暖代替传统的锅炉供暖。一方面，双效水源热泵机组利用地热水换热给房间供暖，减少了天然气的使用；另一方面，利用更加清洁的地热资源，实现节能减排，有效减少二氧化碳排放量。2系统创新性分析2.1地热水的梯级利用从中深层抽取的中温(50 ℃)地热水通过两次板式换热器换热，充分利用地热水热量。在换热的同时，地热水温度持续下降，降温后的低温地热水进入回灌井，以达到取热不取水的目的。2.2水源热泵机组双效使用在冬天，进入一次板式换热器换热后的地热水再次进入二次板式换热器进一步降温；同时通过二次板式换热器加热水源热泵机组蒸发器出的冷却水，实现中间冷却水的循环，再通过水源热泵机组冷凝器放热给用户进行采暖。在夏天，关闭地热水采用冷却塔冷却双效热泵机组冷凝器里的循环水，实现制冷。2.3水井互换抽水井和回灌井运行一段时间后互换，防止地下水水温失衡，保持地下水的水温平衡。2.4三通阀分流节约电力冬季采暖初期和采暖末期，需要的热量较少，地热水通过三通阀全部进入一级板式换热器换热供给用户，无须经过水源热泵机组，所供的热量足够满足用户的需求，可以节省部分电量。3经济性能分析对比地源热泵新型技术和螺杆冷水机组+锅炉系统，综合多方面分析，择优选取技术上先进、生产上可行、经济上合理的项目，更好地利用资源，发展经济[10]。本次系统转型，保持室内末端装置不变，即原来的螺杆冷水机组＋锅炉系统的热网循环水泵、输送水泵、冷却塔、冷却塔循环水泵、全自动软水器、补水箱、全自动全程综合水处理器、常压自动定压补水排气装置、全自动加药装置继续使用。在费用计算时，不计算这部分的投资和运行费用，可以减少浪费，节约资源。3.1地源热泵中央空调与传统中央空调初始投资对比地源热泵系统与螺杆冷水机组+锅炉系统的初始投资费用如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.003.T001表1地源热泵系统与螺杆冷水机组＋锅炉系统的初始投资费用系统类型设备名称规格型号数量单价/万元螺杆冷水机组＋锅炉系统螺杆冷水机组30XW1002233燃气锅炉230一次板式换热器设计流量：50 m3/h；热负荷：465 kW14.3冷却塔流量：190 m3/h；水温度：30 ℃/35 ℃27冷却塔循环水泵流量：140 m3/h25.95冷热水循环水泵流量：110 m3/h24.05总价164.3续表1　地源热泵系统与螺杆冷水机组＋锅炉系统的初始投资费用 /万元万元10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.003.T002系统类型设备名称规格型号数量单价/万元地源热泵系统螺杆式热泵机组制冷/热量：400 kW/436 kW160一次板式换热器设计流量：50 m3/h；热负荷：465 kW14.3二次板式换热器设计流量：50 m3/h；热负荷：1 200 kW15地热井2250冷却塔流量：190 m3/h；水温度：30 ℃/35 ℃27冷却塔循环水泵流量：140 m3/h25.95冷热水循环水泵流量：110 m3/h24.05地热井循环水泵流量：1 400 m3/h25.95热泵机组循环水泵流量：110 m3/h22.05总价607.4在保留原有装置的基础上，需要安装双效热泵机组、两个板式换热器、两口地热井、二次水泵、地下水循环水泵。经计算，地源热泵系统的初始投资费用比螺杆冷水机组+锅炉系统高443.1万元。3.2运行费用对比首先比较地源热泵中央空调与螺杆式制冷机+锅炉系统的能耗，最后比较分析两个系统的年运行成本[11]。根据郑州市冬季采暖运行实际情况显示，郑州市的采暖期为每年11月中旬~次年3月中旬，总计120 d；制冷期为每年6、7、8、9、10月，总计150 d[12]。冬季、夏季满负荷工作24 h/d，电价0.98 元/kWh，燃气价格为3.6 元/m3。地源热泵系统中，利用三通阀进行开源节流，将采暖期划分为3个阶段，即采暖初期、采暖中期、采暖末期。在采暖初期和采暖末期，系统运行时间约30 d，利用一次板式换热器对地热水换热足以满足室内供暖需求，此时螺杆式热泵机组不运行，只运行地热水循环泵、冷热水循环泵和一次板式换热器。在采暖中期，室内供暖需求加大，螺杆式热泵机组开始运行。地源热泵系统运行状态及运行功率如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.003.T003表2地源热泵系统运行状态及运行功率设备名称数量/(台/套)单台功率/kW采暖期制冷期初期运行状态(720 h)中期运行状态(1 440 h)末期运行状态(720 h)耗电量/kWh初期运行状态(360 h)中期运行状态(2 880 h)末期运行状态(360 h)耗电量/kWh合计728 6401 451 520地热井循环水泵220●○●○●○57 600○○○○○○螺杆式热泵机组1400○●○576 000●●●1 296 000一次板式换热器1●●●○○○二次板式换热器1○●○○○○冷却塔211○○○○○○●○●○●○35 640冷却塔循环水泵215○○○○○○●○●○●○48 600冷热水循环泵222●○●○●○63 360●○●○●○71 280热泵机组循环水泵222○○●○○○31 680○○○○○○注：1.○表示设备停运或备用运行；●表示设备正常运行。2.采暖初期、采暖中期、采暖末期时间分别为30 d、60 d、30 d；制冷初期、制冷中期、制冷末期时间分别为15 d、120 d、15 d。由表2可知，一年内，地源热泵系统在采暖期共消耗电量728 640 kWh；在制冷期共消耗电量1 451 520 kWh。经计算，地源热泵系统运行一年的费用为2 136 556.8元。螺杆冷水机组＋锅炉系统运行状态及功率如表3所示。由表3可知，一年内，螺杆冷水机组＋锅炉系统在采暖期共消耗电量63 360 kWh，消耗燃气293 760 m3；在制冷期共消耗电量2 012 400 kWh。经计算，系统运行一年的费用为3 091 780.8元。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.003.T004表3螺杆冷水机组＋锅炉系统运行状态及功率设备名称数量/(台/套)单台功率/kW采暖期制冷期初期运行状态(720 h)中期运行状态(1 440 h)末期运行状态(720 h)耗电量/kWh耗气量/m3初期运行状态(360 h)中期运行状态(2 880 h)末期运行状态(360 h)耗电量/kWh合计63 360293 7602 012 400螺杆冷水机组2279○○○○○○●○●●●○1 807 920燃气锅炉268●○●●●○293 760○○○○○○一次板式换热器1●●●○○○冷却塔211○○○○○○●○●●●○71 280冷却塔循环水泵215○○○○○○●○●○●○54 000冷热水循环泵222●○●○●○63 360●○●○●○79 200注：1.○表示设备停运或备用运行；●表示设备正常运行。2.采暖初期、采暖中期、采暖末期时间分别为30 d、60 d、30 d；制冷初期、制冷中期、制冷末期时间分别为15 d、120 d、15 d。经计算，地源热泵系统运行一年所消耗的费用比螺杆冷水机组＋锅炉系统少955 224元。3.3静态回收期分析静态投资回收期(Pf)是指从建设年年初起，在不考虑资金时间价值的情况下，日后净收益能够达到最初投资金额的时间[13]。∑t=0Pt(CI-CO)t=0 (1)式中：P——静态投资回收期；CI——现金流入量；CO——现金流出量；CI-CO——第t年净现金流量。地源热泵系统的初始建设投资比螺杆冷水机组+锅炉系统初始建设投资高443.1万元，年运行费用比螺杆冷水机组+锅炉系统少955 224元。在不考虑时间价值的情况下，约4.6年后，螺杆冷水机组+锅炉系统费用可追平地源热泵系统的总投资金额。在地源热泵的使用寿命期内，从投资回收期的角度考虑，地源热泵系统的经济性优于螺杆冷水机组+锅炉系统。4结语将郑州某园区原有的两台螺杆冷水机组+锅炉系统替换为中深层地下水+两级板式换热器+双效热泵机组+冷却塔的地源热泵系统，实现能源转型和节能减排。通过对比原系统与替换后系统的初始投资费用和运行费用发现，地源热泵系统的初始投资比传统的空调系统高，但是其运行费用低于传统的空调系统。根据静态回收期分析，约4.6年之后，螺杆冷水机组+锅炉系统总费用可追平地源热泵系统的总投资金额。我国不断推出相关节能减排政策，从经济和政策两方面加大鼓励力度，虽然地源热泵技术在国内的应用还不够成熟，相关研究较为缺乏，但其拥有能量消耗低、环境污染小、运行稳定等优点，将成为新型空调市场的重要力量。