水源熱泵--一種經(jīng)濟、節(jié)能、可靠的空調(diào)能源方式

1、水源熱泵-一種經(jīng)濟、節(jié)能、可靠的空調(diào)能源方式             摘要近幾年來，水源熱泵得以發(fā)展的主要推動力是它能夠以量大面廣的低位熱能，如井水、地下 水、江、河、湖水、電廠冷卻循環(huán)水、礦井水及工業(yè)余熱等為能源，而且具有熱回收功能， 即可利用供冷空調(diào)房間排放的冷凝熱來加熱供熱空調(diào)房間，從而提高了建筑物內(nèi)部的能源利用系數(shù)。 關(guān)鍵詞水源熱泵 節(jié)能   水源熱泵是一種介于中央空調(diào)和分散空調(diào)之間的優(yōu)化空調(diào)能源方式，它具有中央空調(diào)合理利用能源，設(shè)備能效系數(shù)高，運

2、行成本低和安全、可靠等優(yōu)點。又具有分散空調(diào)調(diào)節(jié)靈活、方便，便于管理和收費等優(yōu)點。因此，從我國南方的深圳、廣州到過渡地區(qū)的上海 、南京直到北方采暖地區(qū)的北京、大連等城市的公共建筑(辦公樓、商住樓、商場等)，住宅建筑上得到了廣泛的應(yīng)用。近幾年來，水源熱泵得以發(fā)展的主要推動力是它能夠以量大面廣的低位熱能，如井水、地下 水、江、河、湖水、電廠冷卻循環(huán)水、礦井水及工業(yè)余熱等為能源，而且具有熱回收功能，即可利用供冷空調(diào)房間排放的冷凝熱來加熱供熱空調(diào)房間，從而提高了建筑物內(nèi)部的能源利 用系數(shù)。一、水源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能性以采暖運行為例，目前采暖方式有集中鍋爐房供熱方式、熱電廠供熱方式、分戶燃氣采暖方式，水源熱泵

3、方式有利用井水、江、河、湖泊水及工業(yè)余熱的形式；也有利用自來水的冬季要輔助加熱的方式。它們的耗能量見表1。耗能量的比較 表1 采暖方式 現(xiàn)有住宅建筑 節(jié)能建筑耗能量折算至標準煤耗能量折算至標準煤集中鍋爐房25.08Kg/m2.年25.08Kg/m2.年 12.41Kg/m2.年 12.41Kg/m 2.年熱電廠 13.96Kg/m2.年 13.96Kg/m2.年9.03Kg/m2.年 9.03Kg/m 2.年分戶燃氣采暖 10.6Nm3/m2.年 13.02Km3/m2.年6.86Nm3/m2 .年8.43Kg/m2.年水源熱泵(井水、河、湖水) 22.46kwh/m2.年 9.16Kg/m2

4、 .年14.54kwh/m2.年 5.93Kg/m2.年水源熱泵(加輔助熱源) 22.46kwh/m2.年4.34Kg/m2.年 13.5Kg/m2 .年14.54kwh/m2.年2.81Kg/m2.年8.74Kg/m2.年表1的計算依據(jù) 住宅建筑為北京市多層住宅，現(xiàn)有建筑耗熱量指標qH為31.82W/m2，設(shè)計熱負荷指標為q為43.82W/m2，節(jié)能建筑qH為20.6W/m2，q為28.37W/m2。采暖全年需熱量：現(xiàn)有 建筑為95.46kwh/m2年，節(jié)能建筑為61.80kwh/m2年。 集中鍋爐房：現(xiàn)有供熱系統(tǒng)熱網(wǎng)輸配效率1為0.85，鍋爐效率2為0.55，節(jié)能供 熱系統(tǒng)1為0.9，2為

5、0.68， 熱電廠供電標準煤耗為0.408Kg/kwh，供熱標準煤耗為40.7Kg/GJ。 水源熱泵采暖COP=4.25。從表1可知，水源熱泵采暖方式全年耗能量均低于集中鍋爐房和熱電廠，節(jié)能效益比較明顯。利用井水、江、河水或工業(yè)余熱為熱源的水源熱泵的節(jié)能性十分明顯，當水源熱泵的能效系 數(shù)4.0時，與熱電聯(lián)產(chǎn)供熱方式比，采暖的節(jié)能性率約為40%。 當采用輔助加熱熱源時，水源熱泵的節(jié)能性是有條件的，主要的影響因素是：水源熱泵的能效系數(shù)；輔助熱源的加熱容量。 水源熱泵能效系數(shù)的影響(見表2)制熱容量為4KW時的能耗* 表2 / COP=4 COP=4.5 節(jié)能率(%) 輔助加熱量耗能(kg標煤) 3

6、×860/7000×0.9=0.409 3×860/7000×0.9=0.409 / 壓縮機耗能(kg標煤) 1×0.408=0.408 0.88×0.408=0.363 / 合計 0.817 0.771 5.6 *輔助加熱容量為總供熱量的75%。從表2可知，COP從4提高到4.5后，節(jié)能率約為5.6%，相當于減少加熱容量0.3296KW，即約相 當于減少熱負荷10%。 輔助加熱器加熱容量的影響(見表3)制熱容量為4KW時的能耗* 表3 / 輔助加熱容量/總供熱量0.75 輔助加熱容量/總供熱量0.5 節(jié)能率(%) 輔助加熱量耗能(k

7、g標煤) 0.409 2×860/7000×0.9=0.273 / 壓縮機耗能(kg標煤) 0.408 1×0.408=0.408 / 合計 0.817 0.681 16.6 *COP=4從表3可知，當輔助加熱容量為總供熱量的比從0.75降到0.5時，節(jié)能率約為16.6%。 節(jié)能的條件制熱容量為4KW的熱電聯(lián)產(chǎn)的能耗為(4×860)/( 7000×0.83×0.85) =0.697kg/4kwh由此可知當COP=4.0，輔助加熱容量為總供熱量的0.5時，與熱電聯(lián)產(chǎn)供熱方式比，它的節(jié)能率 約為2%。當COP=4.5，輔助加熱容量為總供熱

8、量的0.5時，與熱電聯(lián)產(chǎn)供熱方式比，水源熱泵的節(jié)能率約為8%。但當COP=4.0，輔助加熱容量為0.75總供熱量時，熱電聯(lián)產(chǎn)將比水源熱泵節(jié)能，節(jié)能效率約 為15%。當COP=4.5時，其節(jié)能率約為10%。節(jié)能的主要因素 水源熱泵機組直接安放在戶內(nèi)，熱網(wǎng)輸配損失可忽略不計。 水源熱泵機組采暖能效系數(shù)COP大于4，部分負荷時，COP值仍很穩(wěn)定。 以井水，江、河、湖水及工業(yè)余熱的低溫?zé)嶙鳛闊岜脽嵩吹乃礋岜孟到y(tǒng)，采暖耗熱量僅 為全年需熱量的1/4。 以自來水為熱源的冬季需加輔助熱源的水源熱泵系統(tǒng)，由于考慮壓縮機發(fā)熱量，住宅同 時使用系數(shù)及夜間調(diào)節(jié)溫度等措施后輔助加熱容量約為熱負荷的1/21/3，加熱

9、量約為全年 需熱量的1/21/3。二、水源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟性經(jīng)濟性指的是各種空調(diào)采暖方式的初投資、運行費和熱價。目前國內(nèi)外已采用的采暖空調(diào)聯(lián)供方案有 熱電冷三聯(lián)供： 夏季，熱電廠抽汽+蒸汽吸收式制冷冬季，熱電廠抽汽+汽水換熱器供熱 熱電冷三聯(lián)供： 夏季，熱電廠熱水+熱水吸收式制冷冬季，熱電廠熱水+汽水換熱器供熱 直燃式冷熱水機組：夏季、冬季，直燃式冷熱水機組制冷、供熱 燃氣-蒸汽聯(lián)合循不 電制冷+燃氣(油)鍋爐采暖 電動水源熱泵。這類機組運行性能穩(wěn)定，性能系數(shù)COP值較高，理論計算可達7，實際運 行時約為5，且由于可充分利用江河、湖、海水等自然能源，冬季供暖耗能少，是一種節(jié)能性好的冷熱源設(shè)備。

10、空氣源熱泵。冷熱源兼用，整體性好，安裝方便，可露天安裝，采用風(fēng)冷，省卻了冷卻 塔及冷卻水系統(tǒng)，缺點是當室外溫度較低時，需增加輔助熱源。各種方案的投資和成本(不 包括戶內(nèi)系統(tǒng))見表4。各方案的投資和成本比較* 表4 項目熱電冷(蒸汽)熱電冷(熱水)直燃式電制冷鍋爐供熱集中式電動水源熱泵分體式空氣源熱泵燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)投資(萬元/KW)0.197/0.223(含源網(wǎng))0.275/0.302(含源網(wǎng))0.207 0.206 0.335 0.199 0.436 成本(元/KWH) 0.139 0.151 0.214 0.207 0.167 0.220 0.081 *為住宅區(qū)三聯(lián)供系統(tǒng)的研究中提供的數(shù)

11、據(jù)，成本為年運行成本。下面以興降礦十八層單身職工宿舍為例，說明水源熱泵采暖空調(diào)聯(lián)供方案的經(jīng)濟性。十八層單身宿舍建筑形狀為Y形，總采暖空調(diào)建筑面積為9564m2，218層為標準層，標準層面積為562.6m2，設(shè)計冷熱負荷為573.84KW。表5為采暖空調(diào)聯(lián)供方案，表6為各方案初 投資的比，表7為各方案運行費的比較，表8為各方案的綜合比較。采暖空調(diào)方案 表5 序號方案采暖空調(diào)方式備 注方案1以地下水為冷熱源水源熱 泵(水-空氣)冬天：熱泵產(chǎn)生熱風(fēng)送至戶內(nèi)夏天：熱泵產(chǎn)生冷風(fēng)送至戶內(nèi)每戶設(shè) 熱泵一臺將風(fēng)送至各房間方案2以地下水為冷熱源水源熱泵(水-水)冬天：熱泵產(chǎn)生熱水送至風(fēng)機盤管 夏天：熱泵產(chǎn)生冷水

12、送至風(fēng)機盤管熱(冷)源集中、每戶設(shè)風(fēng)機盤管方案3電制冷+熱電廠采暖冬天：熱電廠蒸氣+汽水換熱器夏天：中央空調(diào) 機送冷水至風(fēng)機盤管熱(冷)源集中、每戶設(shè)風(fēng)機盤管對比方案分體空調(diào)+鍋爐房采暖冬天：鍋爐房(熱電廠)供熱，戶內(nèi) 散熱器 夏天：每戶安裝分體空調(diào)機熱源集中、冷源分散空調(diào)品質(zhì)較差各方案初投資的比較 表6  方案1(進口)方案2方案3對比方案進口國產(chǎn) 初投資*(萬元)237.4305.8238.2236.6267.15單位建筑面積投資(元/m2)248319.7249.1247.4279*計算時包括安裝費15%，運行調(diào)試費5%，稅及管理5%，設(shè)計費2%和利潤10%。各方案運

13、行費的比較(元/m2) 表7  方案1方案2方案3對比方案采暖空調(diào)采暖空調(diào)采暖空調(diào)采暖空調(diào)不考慮同時使用系數(shù)，熱回收系數(shù)19.2519.259.56.29.57.2合計19.2519.2515.716.7考慮修正系數(shù)10.7810.789.54.349.57.2合計10.7810.7813.8416.7BG)F 興隆礦地處兗州市，根據(jù)兗州市氣象資料，該地區(qū)冬季采暖期天數(shù)106天，延時小時數(shù)2 544小時，最大負荷小時數(shù)2544*(20-0.4)/20-(17)=1847小時。夏季空調(diào)期天數(shù)90天， 延時小時數(shù)2160小時，根據(jù)濟南、淄博三聯(lián)供實際測試資料，取夏季最大負荷小時數(shù)為720

14、 小時。則單位建筑面積，采暖期需供熱量60W/m2*1847=110.5kwh,空調(diào)期需冷量60W/m2* 720=43.2kwh。各方案綜合比較 表8 方案單位供熱(冷)量能耗(kg標煤/kwh)單位供熱(冷)量系統(tǒng)投資(萬 元/KW)單位供熱(冷)量設(shè)備全年運行費(元/kwh)方案10.0570.414(進口)0.07方案20.0570.533(進口)/0.415(國產(chǎn))0.07方案30.1330.4120.12對比方案0.1480.4650.11從表6、表7、表8的對比可知，興隆礦實施采暖空調(diào)，以方案1為佳。前面提到的方案1水源熱泵(水-空氣)，方案2水源熱泵(水-水)在技術(shù)與經(jīng)濟上都是

15、可采用的 方案。但方案2中大型水源熱泵是一種集中冷(熱)源的方式，目前，國內(nèi)尚無大型水源熱泵 廠家，進口設(shè)備較貴，而國產(chǎn)水源熱泵系列不全，單臺容量較小，只有將多臺設(shè)備集中放置在機房時，才能形成集中冷(熱)源形式，投資較大，安裝運行維護不便。無論是從單位供熱(冷)量所需能耗，還是從投資和運行費上看方案1都具有明顯的優(yōu)越性。 其中進口熱泵機組的價格與方案2中國產(chǎn)設(shè)備的投資相近，但比方案2進口設(shè)備價格低得多， 且不要另建機房。因此，十八層樓單身宿舍擬采用方案1為實施方案。水源熱泵采暖空調(diào)聯(lián)供方案投資偏低的主要原因 不設(shè)專用機房。中央空調(diào)的機房面積(包括空調(diào)裝置、電氣及其它)約為空調(diào)建筑面積的5 8%

16、，其中空調(diào)裝置約占45%，以10層建筑物為例，其中機房約占一層。水源熱泵將空調(diào) 裝置分散設(shè)在每戶，不僅減少了機房的建設(shè)費用，在寸土寸金的地區(qū)，增加的辦公面積，營業(yè)面積的作用就更大了。 封閉水管不要保溫，對豎井沒有特殊要求。中央空調(diào)系統(tǒng)的豎井占有較多建筑物的有效 面積，全空氣系統(tǒng)的豎井面積更大。豎井布置的是否恰當，不僅會影響空調(diào)系統(tǒng)的效率，而且對空調(diào)的投資有較大的影響。 不占有房間的有效面積，中央空調(diào)系統(tǒng)的戶內(nèi)裝置風(fēng)機盤管有時放置在窗戶下，對住宅 的影響較大。水源熱泵聯(lián)供方案運行費偏低的原因 水源熱泵采暖運行時，約占總供熱量3/4的吸收熱來自井水，江、河的低溫?zé)峄蚬I(yè)余熱 ；空調(diào)運行時，約為總制

17、冷量1.2倍的總散熱量由低溫?zé)峄蚬I(yè)余熱分攤，因此，較多地降 低了采暖、空調(diào)系統(tǒng)的運行費。 水源熱泵機組直接設(shè)置在用戶房間內(nèi)，減少了輸配損失。 水源熱泵機組能效系數(shù)較高，且性能系數(shù)的穩(wěn)定性較好。 水源熱泵系統(tǒng)具有熱回收性能。當同一建筑中有的房間需供熱，有的房間需空調(diào)時，往 往無需冷卻及輔助加熱。         三、水源熱泵系統(tǒng)的可靠性采暖、空調(diào)系統(tǒng)運行的可靠性指的是系統(tǒng)穩(wěn)定性好，調(diào)節(jié)靈活。所謂穩(wěn)定性好指 的 是采暖空調(diào)房間的溫度、濕度、氣流速度等熱舒適性參數(shù)不受外界的影響，保持在設(shè)計范圍內(nèi)，即當系統(tǒng)的某一部分發(fā)生

18、事故，或某用戶的設(shè)備發(fā)生故障時，對另外的房間沒有影響或 影響較少。水源熱泵系統(tǒng)的熱泵機組設(shè)置在每個房間內(nèi)，當某一臺發(fā)生故障后，只要將聯(lián)接該設(shè)備的供、回水閥關(guān)斷，就不會對相鄰用戶產(chǎn)生任何影響。所以說，水源熱泵的穩(wěn)定性非 常好。水源熱泵的溫度自控裝置組合在熱泵機組中，無需另設(shè)控制中心或控制室，用戶根據(jù)自己的 愿望，可靈活地控制室溫和風(fēng)機轉(zhuǎn)速。這種方式不僅適合于公共建筑，對不同年齡、不同職業(yè)和不同生活要求居住的住宅建筑來說，這就顯得更為重要了。除此之外，水源熱泵系統(tǒng)便于進行熱計量，物業(yè)公司根據(jù)用戶的耗電量就可向用戶收費，是 解決當前采暖、空調(diào)收費難的一項重要舉措。四、設(shè)計是水源熱泵實現(xiàn)可靠性、經(jīng)濟性

19、、節(jié)能性的保證條件之一水源熱泵機組為水源熱泵空調(diào)采暖系統(tǒng)創(chuàng)造了關(guān)鍵性的條件，沒有這種機組，就不 存在這種系統(tǒng)。但機組運行的好壞與源、網(wǎng)、機組的系統(tǒng)組合方式密節(jié)相關(guān)。即與系統(tǒng)的設(shè)計密切相關(guān)。水源熱泵采暖空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的特點見表9水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的特點 表9 項目水源熱泵中央空調(diào)水系統(tǒng)水溫()15/35空調(diào)7/12 采暖60/50水量(m3/h)流速(m3/s)每冷噸0.191/s0.684m3/hV0.83m /sG1GPM=0.0631/s空調(diào)制冷量/5 采暖 制熱量/10風(fēng)系統(tǒng))風(fēng)量(l/s)送風(fēng)溫差(t)風(fēng)速(m/s)每冷噸142248l/s(高、中、低三檔)511893m3/h=約1015

20、 主干管23支干管22.5m/s根據(jù)用戶要求、要求高、t小、風(fēng)量大。主干管3-4m/s、主干管2.5-3m/s補助加熱量(KW)按吸熱量計算、考慮同時使用系數(shù) 或夜間改變設(shè)計參數(shù)后，補助加熱量約為設(shè)計熱負荷1/21/3按設(shè)計熱負荷計算冷卻塔按總散熱量的0.60.8選擇冷卻塔按總散熱量計算自動控制熱泵專用控制；恒溫調(diào)節(jié)器、自動轉(zhuǎn)換開關(guān)、水溫控制器、機 組安全控制、風(fēng)速三檔控制戶內(nèi)：風(fēng)機盤管三速控制中央控制室溫度、壓力、流量的 控制運行參數(shù)* 表10 參數(shù)空調(diào)運行采暖運行最低標準最高最低標準最高運行進風(fēng)干球 溫球21 1424 1829 2613 -20 -21 -水進水 出水7 1233 3859 54-4*2-6*218 1429 26極限進風(fēng)干球 溫球18 12- -35 265 - -27 -水進水 出水7 12- -49 54- 4*2-6*2 - -29*326*3BG)F注：WB*1機組的送風(fēng)量為每冷噸0