水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計

      【摘要】本文以實例分析的方法對水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計和經(jīng)濟性進行分析，以供參考和借鑒。 

　　【關(guān)鍵詞】水源熱泵；設(shè)計；經(jīng)濟性 

　　中圖分類號：S611文獻標識碼： A 

　　一、前言 

　　水源熱泵技術(shù)是當(dāng)前世界上較為先進的供熱技術(shù)，它以其特點在城市中得到了廣泛應(yīng)用。本文將圍繞水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計和經(jīng)濟評價進行分析。 

　　二、某地區(qū)水源熱泵應(yīng)用設(shè)計實例 

　　1、水源熱泵系統(tǒng)的特點 

　　本次案例以重點探索適宜該地區(qū)可再生能源，提高該地區(qū)能源結(jié)構(gòu)中的可再生能源比例為目的，以水源熱泵系統(tǒng)為主要實現(xiàn)手段。 

　�。�1）水源熱泵是以消耗一定的電能為代價來回收低品位熱量，是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源(也成地能，包括地下水、土壤或地表水等)的即可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)裝置。 

　�。�2）水源熱泵的特點 

　　①節(jié)水省地:以土壤為載體，向其放出熱或吸收熱量，不消耗水資源，省去鍋爐房及儲油房等配套設(shè)施，機房面積小。 

　�、陟`活安全:可同時實現(xiàn)供熱、制冷不同功能要求，可設(shè)計成滿足提供衛(wèi)生熱水的功能要求、機組可靈活安置在任何地方，無鍋爐、儲油罐等衛(wèi)生及安全隱患。 

　�、劬S護簡單:操作簡單，易于管理，故障率少。維護工作方便簡單，維護費用低。 

　　④運行費用低:與鍋爐(電、燃料)和空氣源熱泵的供熱系統(tǒng)相比，水源熱泵具明顯的優(yōu)勢。鍋爐供熱只能將90%一98%的電能或70%一90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省二分之一以上的能量;由于水源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為10-25℃，其制冷、制熱系數(shù)可達3.5一4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調(diào)的50%一60%。 

　　2、水源熱泵的原理: 

　　如圖1，夏季在冷凝器一側(cè)，設(shè)備與深井低溫水換熱后將冷水送入冷凝器，從進水口1進入，與高溫高壓的氟里昂進行熱交換，降低氟里昂的溫度，溫度升高的水從冷凝器出水口1回灌至地下，完成一次冷卻循環(huán)。蒸發(fā)器一側(cè)，用戶端循環(huán)水進人蒸發(fā)器，從進水口2進入，蒸發(fā)器中氟里昂吸熱，使循環(huán)水溫度降低(按國家標準一般降至7})，冷凍水經(jīng)過水泵送至用戶端，達到制冷的效果。 

　　圖1 熱泵機組制冷圖 

　　如圖2，為冬季冷凝器一側(cè)，通過外管路切換，用戶端,環(huán)水進入冷凝器，從進水口1進入，與高溫高壓的氟里昂進行熱交換，降低氟里昂的溫度，得到，熱量后用戶端管路水溫度升高拱(一般在40-60℃之間)再經(jīng)過水泵送至用戶端，給建筑物供暖。蒸發(fā)器一側(cè)，與深井低溫水換熱后.的冷水進入蒸發(fā)器，從進水口2進入，發(fā)帶走水中的熱量，使井水溫度降低(一般可以降至7℃)，然后從出水口2回灌至地下，完成一次取熱循環(huán)。 

　　圖2氟里昂蒸熱泵機組制熱原理圖 

　　通過以上的論述可見，水源熱泵系統(tǒng)利用的是“冬暖夏涼”的地?zé)豳Y源，具有穩(wěn)定性好，一機兩用且沒有冷卻塔，換熱部分為不占用寶貴的土地資源，沒有廢氣排放，機房無需專屬空間等優(yōu)點。而且，我國十二五規(guī)劃中明確提出在建筑中要積極發(fā)展水源熱泵系統(tǒng)，鼓勵在適宜的地區(qū)優(yōu)先采用水源熱泵供暖，并在政策上給予傾斜，這使得地源熱泵的實踐推廣具有更加廣闊的前景。 

　　三、水源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟性評價 

　　1、水源熱泵與常規(guī)采暖方式的對比 

　　（1）與鍋爐(電、燃料)供熱系統(tǒng)相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70.90%的燃料能轉(zhuǎn)化為熱量，供用戶使用。因此水源熱泵要比電鍋爐采暖節(jié)省一倍以上的電能，比燃油鍋爐節(jié)省1/2以上的能量; 

　　（2）與風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)相比，風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)能效比較低，在制冷時基本上在1.3左右，制熱時機組的效率衰減的比較厲害，尤其在0℃以下，機組效率大幅度衰減，從而增加機組的運行費用; 

　�。�3）而水(地)源熱泵系統(tǒng)因為熱、源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為15℃，其制熱系統(tǒng)可達4，制冷系統(tǒng)可達5.3，所以我們將其稱為節(jié)能型空調(diào)系統(tǒng)在本工程中采用水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)，達到一機三用的效果，避免了采用燃氣、燃油所帶來的負面影響，如:消防、管道泄漏等問題;天燃氣價上漲、收取環(huán)境保護費的遠慮;不會受到城市管網(wǎng)的限制;滿足了國家節(jié)能環(huán)保的理念。 

　　2、經(jīng)濟性分析 

　　某市生活基地水源熱泵工程總建筑面積160×10m2，為本市水源熱泵技術(shù)示范項目。該工程分為南、北2個區(qū)域，于2012年9月竣工。北區(qū)總建筑面積為70507m2，冬季設(shè)計熱負荷為3264.47kW。共選用2臺雙機頭螺桿式水源熱泵機組，設(shè)計工況下單臺熱泵機組制熱量為1678kW，輸入功率453kW，供熱系數(shù)3.7。園區(qū)內(nèi)共建有33口水源井，11口井用于取水，設(shè)計出水量414t/h；22口井用于回灌，回灌量414t/h。冬季額定熱負荷條件下，采用2臺熱網(wǎng)循環(huán)水泵＋11臺深井泵運行。南區(qū)總建筑面積110507m2，冬季設(shè)計熱負荷為5116.47kW。共選用3臺雙機頭螺桿式水源熱泵機組，設(shè)計工況下單臺熱泵機組制熱量為1678kW，輸入功率453kW，供熱系數(shù)3.7。園區(qū)內(nèi)共建有43口水源井，13口井用于取水，設(shè)計出水量621t/h；30口井用于回灌，回灌量621t/h。冬季額定熱負荷條件下，采用3臺熱網(wǎng)循環(huán)水泵＋13臺深井泵運行。 

　　（1）水源熱泵工程初投資 

　　水源熱泵供熱工程中采暖與生活熱水負荷之比為5.39∶1，按此劃分出呼和浩特市生活水源熱泵工程采暖部分初投資，北、南區(qū)總采暖面積（即建筑面積181014m2，城市供熱入網(wǎng)費按80元/m2計算，則總?cè)刖W(wǎng)費1448.1萬元。 

　　水源熱泵供熱工程建設(shè)單位初投資為1320.87萬元，小于城市供熱入網(wǎng)費1448.1萬元（不包括用戶二次熱網(wǎng)建設(shè)費用）。 

　�。�2）水源熱泵運行費用 

　�、偎�源熱泵運行耗電費用 

　　根據(jù)該市供暖運行經(jīng)驗，冬季供暖時間共計180d，折算供熱天數(shù)為115d。根據(jù)住宅的使用特點，系統(tǒng)每天運行24h，日調(diào)節(jié)系數(shù)為0.65。設(shè)備用電電價分別按非普工業(yè)用電價0.62元/kWh和居民用電價0.43元/kWh計算，則南、北區(qū)年運行耗電總費用為300.9萬元或208.7萬元。 

　�、谙淳�費用 

　　原有76口井，需要新增22口井，共計98口井。按每口井每年洗井1次、每次洗井費用2000元計算，每年洗井總費用19.6萬元。 

　�、墼O(shè)備維護及人工費 

　　參照調(diào)研其他工程機房人員配置情況，每個機房配備2名運行管理人員，每年人員工資總數(shù)按20萬元計，設(shè)備維護費按10萬元計，該項費用共計30萬元。 

　�、芩�源熱泵運行總費用 

　　水源熱泵運行總費用為以上各項費用之和，即350.5萬元（非普工業(yè)用電價）或258.3萬元（居民用電價）。 

　�。�3）城市供熱取暖費 

　　目前，該市居民取暖費為3.68元（/m2·月），生活基地總采暖面積181014m2，則總?cè)∨�費用為399.7萬元。水源熱泵運行總費用無論按非普工業(yè)用電價，還是按居民用電價計算，均小于城市熱網(wǎng)供暖費399.7萬元。 

　　3、存在的問題 

　　該市生活水源熱泵工程北區(qū)在供熱試運行期間，由于水源井存在回灌不暢現(xiàn)象，室內(nèi)平均溫度為15℃，未達到設(shè)計要求。南區(qū)水源熱泵系統(tǒng)投運后，建筑物室內(nèi)多數(shù)房間達到18℃以上，尚有少數(shù)房間溫度達不到設(shè)計要求。 

　　4、原因分析 

　�。�1）綜合熱指標 

　　根據(jù)國家現(xiàn)行節(jié)能規(guī)定，該市生活水源熱泵工程綜合熱指標應(yīng)為40.2～45.8W/m2。南、北區(qū)設(shè)計綜合熱指標取46.3W/m2，取值基本合理。 

　�。�2）水源熱泵系統(tǒng)參數(shù) 

　　北區(qū)機房2臺熱泵機組制熱量為3356kW，理論上可以滿足北區(qū)供熱要求。冬季設(shè)計工況下，2臺機組運行，采暖供/回水溫度為50℃/40℃，熱網(wǎng)循環(huán)水量284m3/h；冬季設(shè)計水源供/回水溫度為8℃/3℃，出水（回灌）量414m3/h（壓縮機輸入功率100%轉(zhuǎn)化為制熱量）。若壓縮機輸入功率75%轉(zhuǎn)化為制熱量，則出水（回灌）量應(yīng)為453.1m3/h（壓縮機輸入功率轉(zhuǎn)化率因設(shè)備不同有所區(qū)別。為了可靠供熱，壓縮機輸入功率按75%的轉(zhuǎn)換率轉(zhuǎn)化為制熱量是比較合適的。 

　　南區(qū)3臺熱泵機組制熱量為5034kW，勉強滿足南區(qū)供熱要求。冬季設(shè)計工況下，3臺機組運行，采暖供/回水溫度為50℃/40℃，循環(huán)水量為426m3/h。冬季設(shè)計水源供/回水溫度為8℃/3℃，出水（回灌）量為621m3/h（壓縮機輸入功率100%轉(zhuǎn)化為制熱量）。若按壓縮機輸入功率75%轉(zhuǎn)化為制熱量，則出水（回灌）量應(yīng)為679.7m3/h。從上述分析可以看出，原設(shè)計出水（回灌）量偏小，相應(yīng)熱量相差約10％。 

　�。�3）水源井 

　　該市生活水源熱泵工程某年冬季供暖運行記錄如下：室外最低氣溫-17～-3℃，采暖供水溫度36～47℃，回水溫度29～36℃；取水井出水溫度為8.5～6.0℃，回水溫度為4.4～2.2℃。運行參數(shù)與設(shè)計參數(shù)基本吻合。 

　　分別對北區(qū)和南區(qū)水源井進行回灌測試，測試結(jié)果可以看出，單井平均出水量與設(shè)計值接近，回灌量與設(shè)計值相差很大，特別是北區(qū)回灌量只達到設(shè)計值的一半。從上述分析可以看出，由于出水（回灌）量大大低于設(shè)計值，所以地下水提供的熱量不能滿足供熱要求。 

　　四、結(jié)束語 

　　隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，人們對生活質(zhì)量要求越來越高。水源熱泵能夠有效降低對能源的消耗，為人們提供優(yōu)質(zhì)的生活環(huán)境，帶來一定的經(jīng)濟效益，隨著該項技術(shù)的不斷發(fā)展，必將具有更加廣泛的發(fā)展空間。 

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