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哈尔滨工业大学能源科学与工程学院

文章出处：哈尔滨工业大学学报 2003年第2期

摘 要： 针对地源热泵钻井费昂贵、初投资比普通供暖空调高的问题，利用经济评价方法，以哈尔滨地区供暖面积10000m ² 为计算对象，分析比较了地源热泵3种驱动源(电动机、燃气机、柴油机)、3种辅助热源(电锅炉、油锅炉、燃气锅炉)、共计9种系统组合的经济参数(初投资、年经营成本、年总成本、净现值，净现值率及投资回收期)，分析计算得出燃气机驱动、190kw辅助燃气锅炉的地源热泵系统为最佳的结论.

关键词： 地源热泵；供暖；供冷；技术经济性

 

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源进行供热、供冷的新型空调器。由于其热源温度比较高，全年稳定，不随外界环境温度的变化而变化，所以不管是冬季供暖，还是夏季制冷，地源热泵的COP都要比其他热源形式的热泵高出许多。目前地源热泵在许多国家已经得到普遍的应用。我国一些城市已建立了地源热泵示范工程，但是推广还存在一定的难度，投资者对地源热泵的经济性如何还缺乏了解，所以对地源热泵进行技术经济分析以及各种方案的比较很有必要。本文结合经济评价方法，对地源热泵的几种投资方案进行技术经济性分析。

１． 技术经济评价方法及参数
供暖、供冷计算的主要技术参数有：供暖热负荷、空调冷负荷；经济参数有：初投资、年经营成本、年总成本、现金流量表及其相关参数。
　１．１ 主要经济参数
1.1.1 初投资
指地源热泵系统各部分投资之和：土建费、设备购置费、安装费及其他费用(包括设计费、监理费和不可预见费).
1.1.2年总成本
指系统各部分的运行费，如水费、电费、燃料费；排污费；管理人员工资、管理费；设备折旧费和设备维修、大修费等。
1.1.3年经营成本
指年总成本中扣除设备折旧费。
1.1.4 现金流量表
采用现金流量表法计算投资项目的有关经济性参数，如财务内部收益率，财务净现值，净现值率及投资回收期等。
(1)净现值指标：指投资项目按基准收益将各年的净现金流流量折现到起点的现值代数和，计算公式为：

式中：X NPV 为净现值；A CI 为现金流入，指供暖或空调的销售收入，回收固定资产残值和回收流动资金；A CO 为现金流出，包括固定资产投资、流动资金、经营成本和销售税金人；i c 基准收益率，本文中取i c ＝8％；n为项目的活动期，记建设期加服务寿命。
(2)净现值率：是指项目方案的净现值与总投资现值之比，即单位投资现值所能带来的净现值。其计算公式为：

式中：X NPVR 为项目方案的净现值率；I p 为项目的方案的总投资现值；I t 为第t年的投资。
根据上述定义，只有当净现值和净现值率都大于零时，项目才是可行的。在多方案选择时，在资金充足的条件下，财务净现值大的方案为先。但由于各种经济条件不同，加上财务净现值大小只能表明盈利总额，没有反映出投资规模对资金利用率的影响。单纯用财务净现值最大的准则进行方案选择时，往往会导致评价人趋向于选择投资大、盈利多的方案，而忽略盈利少、投资少、但投资效益更好的方案，所以财务净现值法一般要同净现值率法联合使用，以便说明方案的净现值是在什么投资水平上取得的。在资金短缺的条件下，一般应侧重考虑净现值率这项指标。
(3)投资回收期(包括静态和动态)：是以项目的净收益抵偿项目全部投资所需要的时间。静态是不考虑资金的时间价值，而动态是考虑资金的时间价值。
设P I 为静态投资回收期，计算公式为

设P I ' 为动态投资回收期，计算公式为

1.2　计算给定参数

1.2.1 气象参数
室内采暖设计温度为20 ℃ ，室内供冷设计温度为27 ℃ ，采暖、供冷室外计算温度参照哈尔滨地区2000年实际日平均温度值，年采暖天数为180d，年供冷天数60d，日供暖18h计算，然后进行比较分析；日供冷小时数以实际需要供冷小时数计算。
1.2.2 计算对象
选取住宅楼为计算对象，供暖最大热负荷取70W／m ² ，供暖面积10,000m ² ；空调最大冷负荷取70W／m ² L5J，空调面积按系统实际所能供冷的面积计算。
1.2.3 地源热泵系统
地源热泵一机两用，既供暖又供冷。共三种驱动源分别为：电动机、柴油机、燃气机；辅助热源分别为：电锅炉、油锅炉、燃气锅炉。当驱动源采用柴油机或燃气机时，对柴油机或燃气机的废热进行回收。地源热泵供暖制热系数取3.1，供冷制冷系数取4.0，单体空调制冷系数取2.9；电锅炉的热效率取1.0，油锅炉和燃气锅炉的热效率取0.85；柴油机和燃气机的废热回收率取0.60。地源热泵地下埋管采用垂直套管，孔深100m，埋管采用高密度聚乙烯(HDPE)管，单位长度钻孔的换热量取35W／m ² 。地源热泵的使用寿命为15a，系统供暖总容量为700kW。
1.2.4 能耗指标
电价0.4元/(kw．h)，柴油价格为每公斤3.0元，柴油热值为41868kJ／kg，目前哈尔滨地区还没有天然气进户，天然气价格以全国大部份城市管道天然气平均供应价格1.6元/m ³ 计算，天然气热值为36533kJ／m ³ 。
1.2.5 收费标准
供暖收费标准以哈尔滨地区目前供暖收费标准每年每平方米31元为标准，目前国内供冷没有收费标准，本文以单体空调年运行成本每年每平方米23.6元(包括电费、单体空调折旧费、维修费，单体空调的使用寿命以10a计算)为供冷收费标准来进行经济参数的计算和分析。

1.3 计算内容
（1） 初投资、年总成本、年经营成本；
（2） 现金流量表，即现金流量表中相关的经济指标如财务净现值、净现值率及静态投资回收期。

２．１ 经济参数分析比较

2.1.1 初投资的比较
初投资计算中包括了从冷热源、管网到室内终端的所有投资项，见图1，其中单位钻孔费用为100元/m，套管管材费用50元/m，其他费用参考文献[7，10，ll，12]。地源热泵和采用其他热源形式的热泵相比，其初投资要高出许多，主要因为地源热泵的钻孔费和地下埋管材料费很高，占总投资的一半以上。在相同条件下，电动热泵的初投资最高，其次是燃气热泵，最低的是柴油机热泵，主要是因为燃气热泵和柴油机热泵对燃气机和柴油机的排烟和冷却水的废热进行回收，从而降低了热泵的供暖设计容量，使得地下埋管的设计容量减少，降低了初投资，同时电动热泵和燃气热泵分别有额外的电力扩容费和天然气安装费；在其他条件相同的情况下，系统采用燃气锅炉作为辅助锅炉的初投资最高，电锅炉次之，油锅炉最低；在驱动源和辅助锅炉相同的情况下，系统的初投资随着辅助热源容量的增加而降低。

图1 初投资

2.1.2 年经营成本的比较
图2所示地源热泵系统的年经营成本。在相同条件下，燃气热泵的平均年经营成本比电动热泵低18.3％，柴油机热泵的平均年经营成本比电动热泵高19.1％；在其他条件相同的情况下，系统辅助锅炉采用电锅炉的年经营成本最高，油锅炉次之，燃气锅炉最低；当辅助热源容量从0增加到300kW，只有柴油机热泵和电动热泵加燃气锅炉的年经营成本是随着辅助热源容量的增加而递减的，其他组合的年经营成本随着辅助热源容量的增加都是略降低后逐渐递增．
2.1.3 年总成本的比较
图3所示地源热泵系统的年总成本。年总成本是在年经营成本的基础上加上系统设备折旧费，所以年总成本是由年经营成本和初投资决定的。虽然柴油机热泵的平均年经营成本要比电动热泵高18.3％，但是由于柴油机热泵的初投资比电动热泵低很多，柴油机热泵的年总成本只比电动热泵高2％；燃气热泵的年总成本比电动热泵低18.8％。在其他条件相同的情况下，辅助锅炉采用电锅炉的年总成本最高，油锅炉次之，燃气锅炉最低。

辅助热源容量/kW

图2 年经营成本

辅助热源容量/kW

图3 年总成本

2.1.4 净现值和净现值率的比较
图4和图5分别所示地源热泵系统的净现值和净现值率．从图中可以知道，这9种组合的净现值和净现值率都小于零。燃气热泵的净现值和净现值率都比电动热泵和柴油机热泵大，其中燃气热泵加190kW辅助燃气锅炉的系统净现值最大，所以它的经济性最佳。但是目前哈尔滨地区包括国内很多地方都没有管道天然气供应，这种情况下，电动热泵加180kW辅助油锅炉系统为第2个选择方案。

辅助热源容量/kW

图4 净现值

辅助热源容量/kW

图5 净现值率

2.1.5 静态投资回收期的比较
图6所示为静态投资回收期，其中柴油机热泵的回收期大于15a，未在图中表示。燃气热泵加190kW辅助燃气锅炉系统的静态投资回收期为8.97a；电动热泵加180kW的辅助油锅炉的投资回收期为11.0a。
对于这两种系统组合方案，由于净现值和净现值率都小于零，在目前的收费标准下，从经济上考虑是不可行的。但是净现值小于零并非代表亏损，它们的静态投资回收期均小于15a(地源热泵的使用寿命)，说明只是达不到8％的收益率，并非亏损。
图7所示这两种系统组合方案的净现值与静态投资回收期，在供冷收费保持不变的情况下，在不同供暖收费下的变化曲线。从图中可以看出，对于燃气热泵加190kW辅助燃气锅炉的系统，只要供暖收费增加到每年每平方米32.14元，净现值就大于零，即达到8％的收益率，此时的静态投资回收期为8.56a3对于电动热泵加180kW辅助油锅炉的系统，只要供暖收费增加到每年每平方米37.61元，净现值就大于零，静态投资回收期缩短到8.56a。

辅助热源容量/kW

图6 静态投资回收期

辅助热源容量/kW

图7 净现值P I 与供暖收费值的变化关系

3 结论
（1）燃气热泵加190kW辅助燃气锅炉的地源热泵系统为最佳方案。
（2）在没有管道天然气供应时，电动机驱动加180kW辅助油锅炉的地源热泵系统是第二个选择方案。
（3）在供冷收费保持不变下，对于燃气热泵加190kW辅助助燃气锅炉的系统，只要供暖收费增加到每年每平方米32.14元，净现值就大于零，静态投资回收期缩短到8.56a；对于电动热泵加180kW辅助油锅炉的系统，只要供暖收费增加到每年每平方米37.61元，净现值就大于零，静态投资回收期缩短到8.56。