水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

孫呼平

摘要：本文分析了水源熱泵的工作原理和優(yōu)勢。結(jié)合工程實(shí)例，對熱泵空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了探討，并且對技術(shù)經(jīng)濟(jì)信息采用表格形式進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計；技術(shù)優(yōu)勢

前言

水源熱泵技術(shù)是一種以淺層地?zé)豳Y源為主要能源，通過先進(jìn)空調(diào)設(shè)備將地下的低位能量進(jìn)行開發(fā)利用，成為可利用高位能、既能供熱又能制冷的高效節(jié)能空調(diào)技術(shù)。此系統(tǒng)以地能為冷熱源、以電能為輔助能源，開發(fā)利用地下低位能量，通過先進(jìn)的水源熱泵機(jī)組將其變?yōu)榭衫玫母呶荒?。水源熱泵利用的幾種方式主要包括地下水熱泵（地源熱泵）、江河湖水源熱泵和土壤熱泵。水源熱泵整機(jī)是由微電腦控制，無須專人值守，自動平衡能量需求，使機(jī)組始終處于最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。該系統(tǒng)具有很高的能效比（1：5～1：6）。

1水源熱泵技術(shù)的優(yōu)勢

我國地?zé)崴Y源極為豐富，利用熱泵技術(shù)將地?zé)崴牡推肺粺崮芴岣叩?0～45℃的高品位熱能將可以大大提高地?zé)崮艿睦眯?，對于調(diào)整我國目前的能源結(jié)構(gòu)、走出一條可持續(xù)發(fā)展的新型工業(yè)化道路具有重要意義。水源熱泵技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

（1）水源熱泵技術(shù)利用地球水體所儲藏的太陽能資源作為冷熱源進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。地表土壤與水體不僅是一個巨大的太陽能集熱器，收集47%的太陽輻射能量比人類每年利用能量的500倍還多，而且還是一個巨大的動態(tài)能量平衡系統(tǒng)，地表土壤與水體自然保持能量接受和發(fā)散的相對均衡。水源熱泵利用儲存于其中的近乎無限的太陽能或地能作為冷熱源，是典型的清潔可再生能源，取之不盡、用之不竭。熱泵系統(tǒng)進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換利用，節(jié)能環(huán)保。

（2）高效節(jié)能。水源可利用水體溫度四季為16-20℃，冬季水體溫度比環(huán)境空氣溫度高，所以熱泵循環(huán)蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高。夏季水體溫度比環(huán)境空氣溫度低，所以制冷冷凝的溫度降低，使冷卻效果好于風(fēng)冷式與冷卻塔式，機(jī)組的效率提高。美國環(huán)保署EPA估計，設(shè)計安裝良好水源熱泵，平均可以節(jié)約用戶30～60%的供熱制冷空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用。

（3）運(yùn)行穩(wěn)定可靠。水體溫度一年四季相對穩(wěn)定，波動的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的變動，是很好的熱泵熱源與空調(diào)冷源，水體溫度較恒定的特性使運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。

（4）冬季運(yùn)行不需要除霜，減少了結(jié)霜和除霜的損失，同時避免了空氣源熱泵冬季除霜的難點(diǎn)問題。

（5）環(huán)境效益顯著。水源熱泵使用電能，電能本身是一種清潔能源，在發(fā)電時，消耗一次能源并導(dǎo)致了污染物與二氧化碳溫室氣體的排放，所以節(jié)能設(shè)備本身就是減小了環(huán)境污染。水源熱泵的電力消耗和空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少了30%以上，與電供暖相比相當(dāng)于減少了70%以上。水源熱泵運(yùn)行沒有任何污染，可建造在居民區(qū)內(nèi)，沒有燃燒、排煙，也沒有廢棄物，不需堆放燃料廢物的場地，且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量。

（6）自動運(yùn)行。由于運(yùn)行工況穩(wěn)定，可以設(shè)計簡單的系統(tǒng)，部件相對較少，機(jī)組運(yùn)行簡單可靠，維護(hù)費(fèi)用低；自動控制程度高、壽命長，可達(dá)到20年以上。地源中央空調(diào)不受室外空氣的影響，即使在室外環(huán)境溫度-30℃時，也能進(jìn)行正常的制熱運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到室內(nèi)溫度要求。溫度的檢測應(yīng)在系統(tǒng)連續(xù)安全運(yùn)行24h后測定。

2水源熱泵系統(tǒng)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

本文以上海地區(qū)某小區(qū)為例，結(jié)合住宅與商業(yè)的負(fù)荷情況及小區(qū)建設(shè)特點(diǎn)，冬、夏季均由水源熱泵機(jī)組來承擔(dān)空調(diào)負(fù)荷，夏季為末端提供7/12℃的冷凍水，冬季末端提供45/40℃的熱水。對于系統(tǒng)方案的經(jīng)濟(jì)性計算，初投資和運(yùn)行費(fèi)用與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)（電制冷+燃?xì)忮仩t）進(jìn)行了分析和比較。

2.1設(shè)計參數(shù)

小區(qū)內(nèi)住宅設(shè)計為新型節(jié)能建筑，單位建筑面積冷負(fù)荷與熱負(fù)荷分別按45W/㎡和40W/㎡進(jìn)行概算，系統(tǒng)冷熱負(fù)荷概算結(jié)果見表1。

2.2設(shè)備選型與初投資

2.2.1水源熱泵機(jī)組

本方案采用了2臺水源熱泵機(jī)組（單臺制冷量為1312kW、制熱量1257kW），用于夏季制冷與冬季供熱。主要設(shè)備與初投資選型如表2所示。

2.2.2燃?xì)忮仩t+螺桿冷水機(jī)組

本方案采用了2臺螺桿式冷水機(jī)組（單臺制冷量為1406kW），用于夏季制冷，2臺燃?xì)忮仩t（單臺制熱量為1400kW），冬季供熱。主要設(shè)備的選型列于表3。

2.3運(yùn)行的費(fèi)用分析

年運(yùn)行費(fèi)用按冬夏兩個季節(jié)計算，夏季的運(yùn)行按照每天運(yùn)行18h、運(yùn)行150d，冬季的每天運(yùn)行為18h、運(yùn)行90d算。綜合考慮設(shè)備同時使用的系數(shù)0.8。本工程上海地區(qū)電價政策：06：00～22：00為0.61元/kWh，22：00～06：00為0.30元/kWh，天然氣2.2元/m3，進(jìn)行年運(yùn)行費(fèi)用分析，結(jié)果如表4所示。

2.4經(jīng)濟(jì)的比較

對兩種空調(diào)方案初投資及運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行分析，結(jié)合兩種不同的空調(diào)方案特點(diǎn)，分析結(jié)果如表5。

（1）初投資。水源熱泵空調(diào)的系統(tǒng)冷熱源部分單位建筑面積初投資為91 23元/㎡。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)冷熱源部分單位建筑面積初投資為71.55元/㎡。

（2）年運(yùn)行費(fèi)用與投資回收期：水源熱泵機(jī)組單位建筑面積年運(yùn)行費(fèi)用21.27元/㎡，在同樣的供熱和制冷負(fù)荷條件下，比常規(guī)空調(diào)分別降了23%。投資回收期為4年。水源熱泵空調(diào)方案在投資回收期過后，每年為業(yè)主節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用即為凈利潤。系統(tǒng)按15年運(yùn)行期考慮，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用而產(chǎn)生的總利潤為33.4萬元；水源熱泵系統(tǒng)所需要維護(hù)的設(shè)備較少，維護(hù)費(fèi)用更低。

3水源熱泵系統(tǒng)對環(huán)境的影響

從水源熱泵系統(tǒng)的原理可知，水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)對長江水的利用僅限于熱量的提取和轉(zhuǎn)換，在使用過程中嚴(yán)格限制對長江水進(jìn)行任何的化學(xué)處理。

有限的處理也僅限于對其進(jìn)行過濾、沉淀以及加熱冷卻等物理處理，長江水的成分在整個使用過程中沒有發(fā)生任何變化，因此水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行不會給長江水造成污染。

4結(jié)論和建議

水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有效率高、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)成熟，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，不僅技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上也很合理。根據(jù)所作的概算，水源熱泵的初投資比常規(guī)空調(diào)稍高，但運(yùn)行費(fèi)用低，且對環(huán)境保護(hù)有積極的促進(jìn)作用。

水源熱泵系統(tǒng)在正常使用前提下，限于對其進(jìn)行過濾、沉淀以及加熱冷卻等物理處理，水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行不會帶來長江水的污染問題?，F(xiàn)有條件下，可以采用長江水水源熱泵系統(tǒng)，須做好過濾與除氧防腐工作。在長江中修建引水管道與構(gòu)筑物須經(jīng)相關(guān)管理部門的同意，最好與長江沿岸的景觀相協(xié)調(diào)。