水源热泵系统的应用设计

      【摘要】本文以实例分析的方法对水源热泵系统的设计和经济性进行分析，以供参考和借鉴。 

　　【关键词】水源热泵；设计；经济性 

　　中图分类号：S611文献标识码： A 

　　一、前言 

　　水源热泵技术是当前世界上较为先进的供热技术，它以其特点在城市中得到了广泛应用。本文将围绕水源热泵系统的设计和经济评价进行分析。 

　　二、某地区水源热泵应用设计实例 

　　1、水源热泵系统的特点 

　　本次案例以重点探索适宜该地区可再生能源，提高该地区能源结构中的可再生能源比例为目的，以水源热泵系统为主要实现手段。 

　　（1）水源热泵是以消耗一定的电能为代价来回收低品位热量，是一种利用地下浅层地热资源(也成地能，包括地下水、土壤或地表水等)的即可供热又可制冷的高效节能空调装置。 

　　（2）水源热泵的特点 

　　①节水省地:以土壤为载体，向其放出热或吸收热量，不消耗水资源，省去锅炉房及储油房等配套设施，机房面积小。 

　　②灵活安全:可同时实现供热、制冷不同功能要求，可设计成满足提供卫生热水的功能要求、机组可灵活安置在任何地方，无锅炉、储油罐等卫生及安全隐患。 

　　③维护简单:操作简单，易于管理，故障率少。维护工作方便简单，维护费用低。 

　　④运行费用低:与锅炉(电、燃料)和空气源热泵的供热系统相比，水源热泵具明显的优势。锅炉供热只能将90%一98%的电能或70%一90%的燃料内能转化为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量;由于水源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10-25℃，其制冷、制热系数可达3.5一4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50%一60%。 

　　2、水源热泵的原理: 

　　如图1，夏季在冷凝器一侧，设备与深井低温水换热后将冷水送入冷凝器，从进水口1进入，与高温高压的氟里昂进行热交换，降低氟里昂的温度，温度升高的水从冷凝器出水口1回灌至地下，完成一次冷却循环。蒸发器一侧，用户端循环水进人蒸发器，从进水口2进入，蒸发器中氟里昂吸热，使循环水温度降低(按国家标准一般降至7})，冷冻水经过水泵送至用户端，达到制冷的效果。 

　　图1 热泵机组制冷图 

　　如图2，为冬季冷凝器一侧，通过外管路切换，用户端,环水进入冷凝器，从进水口1进入，与高温高压的氟里昂进行热交换，降低氟里昂的温度，得到，热量后用户端管路水温度升高拱(一般在40-60℃之间)再经过水泵送至用户端，给建筑物供暖。蒸发器一侧，与深井低温水换热后.的冷水进入蒸发器，从进水口2进入，发带走水中的热量，使井水温度降低(一般可以降至7℃)，然后从出水口2回灌至地下，完成一次取热循环。 

　　图2氟里昂蒸热泵机组制热原理图 

　　通过以上的论述可见，水源热泵系统利用的是“冬暖夏凉”的地热资源，具有稳定性好，一机两用且没有冷却塔，换热部分为不占用宝贵的土地资源，没有废气排放，机房无需专属空间等优点。而且，我国十二五规划中明确提出在建筑中要积极发展水源热泵系统，鼓励在适宜的地区优先采用水源热泵供暖，并在政策上给予倾斜，这使得地源热泵的实践推广具有更加广阔的前景。 

　　三、水源热泵系统的经济性评价 

　　1、水源热泵与常规采暖方式的对比 

　　（1）与锅炉(电、燃料)供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或70.90%的燃料能转化为热量，供用户使用。因此水源热泵要比电锅炉采暖节省一倍以上的电能，比燃油锅炉节省1/2以上的能量; 

　　（2）与风冷热泵系统相比，风冷热泵系统能效比较低，在制冷时基本上在1.3左右，制热时机组的效率衰减的比较厉害，尤其在0℃以下，机组效率大幅度衰减，从而增加机组的运行费用; 

　　（3）而水(地)源热泵系统因为热、源温度全年较为稳定，一般为15℃，其制热系统可达4，制冷系统可达5.3，所以我们将其称为节能型空调系统在本工程中采用水源热泵中央空调系统，达到一机三用的效果，避免了采用燃气、燃油所带来的负面影响，如:消防、管道泄漏等问题;天燃气价上涨、收取环境保护费的远虑;不会受到城市管网的限制;满足了国家节能环保的理念。 

　　2、经济性分析 

　　某市生活基地水源热泵工程总建筑面积160×10m2，为本市水源热泵技术示范项目。该工程分为南、北2个区域，于2012年9月竣工。北区总建筑面积为70507m2，冬季设计热负荷为3264.47kW。共选用2台双机头螺杆式水源热泵机组，设计工况下单台热泵机组制热量为1678kW，输入功率453kW，供热系数3.7。园区内共建有33口水源井，11口井用于取水，设计出水量414t/h；22口井用于回灌，回灌量414t/h。冬季额定热负荷条件下，采用2台热网循环水泵＋11台深井泵运行。南区总建筑面积110507m2，冬季设计热负荷为5116.47kW。共选用3台双机头螺杆式水源热泵机组，设计工况下单台热泵机组制热量为1678kW，输入功率453kW，供热系数3.7。园区内共建有43口水源井，13口井用于取水，设计出水量621t/h；30口井用于回灌，回灌量621t/h。冬季额定热负荷条件下，采用3台热网循环水泵＋13台深井泵运行。 

　　（1）水源热泵工程初投资 

　　水源热泵供热工程中采暖与生活热水负荷之比为5.39∶1，按此划分出呼和浩特市生活水源热泵工程采暖部分初投资，北、南区总采暖面积（即建筑面积181014m2，城市供热入网费按80元/m2计算，则总入网费1448.1万元。 

　　水源热泵供热工程建设单位初投资为1320.87万元，小于城市供热入网费1448.1万元（不包括用户二次热网建设费用）。 

　　（2）水源热泵运行费用 

　　①水源热泵运行耗电费用 

　　根据该市供暖运行经验，冬季供暖时间共计180d，折算供热天数为115d。根据住宅的使用特点，系统每天运行24h，日调节系数为0.65。设备用电电价分别按非普工业用电价0.62元/kWh和居民用电价0.43元/kWh计算，则南、北区年运行耗电总费用为300.9万元或208.7万元。 

　　②洗井费用 

　　原有76口井，需要新增22口井，共计98口井。按每口井每年洗井1次、每次洗井费用2000元计算，每年洗井总费用19.6万元。 

　　③设备维护及人工费 

　　参照调研其他工程机房人员配置情况，每个机房配备2名运行管理人员，每年人员工资总数按20万元计，设备维护费按10万元计，该项费用共计30万元。 

　　④水源热泵运行总费用 

　　水源热泵运行总费用为以上各项费用之和，即350.5万元（非普工业用电价）或258.3万元（居民用电价）。 

　　（3）城市供热取暖费 

　　目前，该市居民取暖费为3.68元（/m2·月），生活基地总采暖面积181014m2，则总取暖费用为399.7万元。水源热泵运行总费用无论按非普工业用电价，还是按居民用电价计算，均小于城市热网供暖费399.7万元。 

　　3、存在的问题 

　　该市生活水源热泵工程北区在供热试运行期间，由于水源井存在回灌不畅现象，室内平均温度为15℃，未达到设计要求。南区水源热泵系统投运后，建筑物室内多数房间达到18℃以上，尚有少数房间温度达不到设计要求。 

　　4、原因分析 

　　（1）综合热指标 

　　根据国家现行节能规定，该市生活水源热泵工程综合热指标应为40.2～45.8W/m2。南、北区设计综合热指标取46.3W/m2，取值基本合理。 

　　（2）水源热泵系统参数 

　　北区机房2台热泵机组制热量为3356kW，理论上可以满足北区供热要求。冬季设计工况下，2台机组运行，采暖供/回水温度为50℃/40℃，热网循环水量284m3/h；冬季设计水源供/回水温度为8℃/3℃，出水（回灌）量414m3/h（压缩机输入功率100%转化为制热量）。若压缩机输入功率75%转化为制热量，则出水（回灌）量应为453.1m3/h（压缩机输入功率转化率因设备不同有所区别。为了可靠供热，压缩机输入功率按75%的转换率转化为制热量是比较合适的。 

　　南区3台热泵机组制热量为5034kW，勉强满足南区供热要求。冬季设计工况下，3台机组运行，采暖供/回水温度为50℃/40℃，循环水量为426m3/h。冬季设计水源供/回水温度为8℃/3℃，出水（回灌）量为621m3/h（压缩机输入功率100%转化为制热量）。若按压缩机输入功率75%转化为制热量，则出水（回灌）量应为679.7m3/h。从上述分析可以看出，原设计出水（回灌）量偏小，相应热量相差约10％。 

　　（3）水源井 

　　该市生活水源热泵工程某年冬季供暖运行记录如下：室外最低气温-17～-3℃，采暖供水温度36～47℃，回水温度29～36℃；取水井出水温度为8.5～6.0℃，回水温度为4.4～2.2℃。运行参数与设计参数基本吻合。 

　　分别对北区和南区水源井进行回灌测试，测试结果可以看出，单井平均出水量与设计值接近，回灌量与设计值相差很大，特别是北区回灌量只达到设计值的一半。从上述分析可以看出，由于出水（回灌）量大大低于设计值，所以地下水提供的热量不能满足供热要求。 

　　四、结束语 

　　随着城镇化进程的加快，人们对生活质量要求越来越高。水源热泵能够有效降低对能源的消耗，为人们提供优质的生活环境，带来一定的经济效益，随着该项技术的不断发展，必将具有更加广泛的发展空间。 

　　参考文献 

　　[1]李文,王勇,吴浩.开式地表水水源热泵系统的取水方案分析[J].制冷与空调,2009,9(4):20-22. 

　　[2]顾铭,马宏权,王勇.江水源热泵的技术关键与工程案例分析[J].建筑热能通风空调,2010,29(4):38-42. 

　　[3]龙惟定,马宏权.地表水水源热泵系统的应用与水体热污染[C].中国制冷学会2009年学术年会论文集,2009:95-100.