某生態(tài)住宅小區(qū)水源熱泵空調系統(tǒng)方案的技術經濟分析

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

　0　引言

　　水源熱泵空調系統(tǒng)是一種可以利用地球表面淺層水源（如地下水、河流和湖泊），和人工再生水源（工業(yè)廢水、中水、地熱尾水等）的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調系統(tǒng)。水源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現低溫位熱能向高溫位熱能的轉移。將水體和地層蓄能作為冬、夏季的供暖熱源和空調冷源，即在冬季，把水體或地層中的熱量“取”出來，提高溫度后，供給室內采暖；夏季，把室內的熱量“取”出來，釋放到水體和地層中去。水源熱泵系統(tǒng)60年代開始在美國提出之后，經過30年不斷改進和發(fā)展，技術日趨成熟，其產品已逐漸商品化，迄今已經在北美建筑中應用了40多年。進入70年代后，這項技術在日本的推廣應用很快。

　　東芝、三菱電機、PMAC公司均有水源熱泵產品出售，東京、名古屋、橫濱等城市在70年代初就有很多采用閉式環(huán)路水源熱泵空調系統(tǒng)的工程實例。自80年代以來，我國采用水源熱泵空調系統(tǒng)的建筑也逐年增多。目前，在深圳、上海、北京以及一些中小城市均有工程實例，例如，北京天安大廈、上海錦江第四號樓、西安建國飯店、青島華僑飯店。深圳同貿大廈、惠州大酒店、泉州大酒店等均采用了閉式環(huán)路水源熱泵空調系統(tǒng)。但大多數水源熱泵系統(tǒng)以地下水作為冷熱源，據報道，目前我國青島建起了以海水為冷熱源的水源熱泵空調系統(tǒng)，湖南湘潭市政府新大樓里的水源熱泵中央空調利用市中心區(qū)人工湖地表湖水為冷熱源的水源熱泵系統(tǒng)。水源熱泵因具有“綠色、環(huán)保、節(jié)能”的優(yōu)勢，在我國的推廣應用前景十分廣闊。

　　1　崇明生態(tài)住宅小區(qū)概況

　　崇明島是一座具有獨特文化的生態(tài)之島，擁有“水清、土潔、氣凈”優(yōu)越的生態(tài)環(huán)境，是上海地區(qū)唯一的一個國家級生態(tài)示范區(qū)。上海為了探索“健康、舒適、生態(tài)、節(jié)能”的住宅小區(qū)的建設，實現“節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、節(jié)材、治污”的目標，選擇崇明作為建設“人與自然和諧發(fā)展”的資源節(jié)約型住宅的示范地。崇明某生態(tài)住宅小區(qū)總規(guī)劃建筑面積93490㎡，其中，住宅建筑48230㎡，原住宅建筑面積10000㎡，住宅戶數473戶，住宅人數1514人。

　　2　空調系統(tǒng)冷熱源方案和可行性分析

　　2.1空調系統(tǒng)冷熱源方案

　　本工程水源熱泵系統(tǒng)原理圖如圖1所示。冬季，工質通過板式換熱器從河水中吸收熱量，通過熱泵系統(tǒng)的冷凝器加熱空調系統(tǒng)的循環(huán)水，向用戶供暖。夏季工質通過板式換熱器向河水中排出熱量，通過熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器吸收空調系統(tǒng)的循環(huán)水的熱量，向用戶供冷。由于冬季江水溫度較低，為了提高換熱效果，直接利用江水和板式換熱器進行換熱。為了得到更低的蒸發(fā)器溫度，工質采用乙二醇溶液（加防凍劑等添加劑）。

　　2.2水源熱泵方案可行性分析

　　首先，崇明某生態(tài)住宅小區(qū)緊靠長江（距江堤約1000米），江堤附近的河面開闊，根據最低和最高水位的實際情況，引水管的取水口的安設位置對航道不會造成影響，因此，水源熱泵具備利用長江水資源的條件。另外，小區(qū)附近有一條通向長江的排水明渠，可直接利用該明渠向長江排水，只需安設一根引水管，因此敷設取水管道的初投資可以相應減少。其次，根據上海市的氣象、水文條件，夏季長江水最高月（8月）平均溫度一般為27.6～28.0℃，以換熱器5℃溫差考慮，則熱泵機組夏季的進水平均溫度不高于33℃，如果夏季熱泵的冷卻水側進出口溫差為5℃，則熱泵機組出水溫度不高于38℃，根據熱泵機組的技術要求，這時的冷卻水供回水溫差是能夠保證夏季熱泵機組制冷正常運行。在冬季，崇明長江水最低月（2月）平均溫度一般為5.6～6.7℃左右，以換熱器2℃溫差考慮，則熱泵機組冬季的進水溫度不高于3.6℃，以冬季熱泵的冷凍水側進出口溫差為5℃考慮，則熱泵機組出水溫度不到–1.4℃，則須在循環(huán)水中添加防凍液。考慮到長江水易泥沙、水藻等雜質含量高，水表面直接與空氣接觸，水體含氧量較高，腐蝕性強，如果將地表水直接供應到每臺熱泵機組進行換熱，容易導致熱泵機組壽命的降低，換熱器結垢而性能下降，嚴重時還會導致管路阻塞，因此不宜將地表水直接供應到每臺熱泵機組換熱。因此本工程將長江水和冷凝器或蒸發(fā)器的循環(huán)水之間是用熱交換器分開，熱交換器采取小溫差換熱的方式運行，這樣就可以用廉價的換熱器保護昂貴的水源熱泵機組。綜上所述，根據崇明向陽住宅小區(qū)所處的地理位置，可利用長江水資源的優(yōu)越條件，選用大型水源熱泵機組作為住宅小區(qū)內住宅空調系統(tǒng)的冷熱源，以長江水作為水源熱泵機組的冷熱源技術上是可行的。

　　3　水源熱泵系統(tǒng)方案技術經濟分析

　　根據住宅和商業(yè)的負荷情況及小區(qū)的建設特點，冬、夏季均由水源熱泵機組來承擔空調負荷，夏季為末端提供7／12℃的冷凍水，冬季為末端提供50／40℃的熱水。系統(tǒng)方案經濟分析計算初投資和運行費用并常規(guī)空調系統(tǒng)（電制冷+燃氣鍋爐）進行分析比較。

　　3.1設計參數

　　小區(qū)內住宅設計為節(jié)能建筑，單位建筑面積的冷負荷和熱負荷分別按45W／㎡和40W／㎡進行概算，系統(tǒng)冷熱負荷概算結果見表1。

　　3.2設備選型和初投資

　?、潘礋岜脵C組

　　本方案采用2臺水源熱泵機組（單臺制冷量為1312kW、制熱量1257kW），用于夏季供冷和冬季供熱。主要設備和初投資選型表如表2。

　?、迫細忮仩t+冷水電制冷機組

　　本方案采用2臺螺桿式冷水機組（單臺制冷量為1406kW），用于夏季供冷，2臺燃氣鍋爐（單臺制熱量為1400kW），用于冬季供熱。主要設備選型表如表3。

　　3.3運行費用分析

　　年運行費用主要按冬夏兩個季節(jié)計算，夏季運行按照每天運行18小時，運行150天：冬季每天運行18小時，運行90天算。綜合考慮設備同時使用系數0.8.本工程上海地區(qū)的電價政策：06：00～22：00-0.61元／kWh，22：00～06：00-0.30元／kWh，天然氣2.2元／m³，據此，進行年運行費用分析。其結果如表4所示。

　　表2水源熱泵空調系統(tǒng)主要設備選型和初投資

　　表3燃氣鍋爐+冷水電制冷機組主要設備選型表

　　表4年運行費用分析表

　　3.4經濟比較

　　通過對兩種空調方案的初投資及運行費用分析，結合兩種不同空調方案的特點，分析結果如表5

　　表5兩種方案初投資及運行費用比較

　　從以上對兩種方案系統(tǒng)的初投資與運行費用綜合分析結果得出：

　?、懦跬顿Y

　　水源熱泵空調系統(tǒng)冷熱源部分單位建筑面積的初投資為91.23元／㎡.常規(guī)空調空調系統(tǒng)冷熱源部分單位建筑面積的初投資為71.55元／㎡

　?、颇赀\行費用和投資回收期：

　　水源熱泵機組單位建筑面積的年運行費用為21.27元／㎡，比常規(guī)空調分別降低23％。其投資回收期為4年。水源熱泵空調方案在投資回收期過后，每年為業(yè)主節(jié)省的運行費用，即為凈利潤。系統(tǒng)按15年運行期考慮，因節(jié)省運行費用而產生的總利潤為334萬元；且水源熱泵系統(tǒng)所需要維護的設備較少，維護費用更低。

　　4　水源熱泵系統(tǒng)對環(huán)境的影響

　　根據水源熱泵系統(tǒng)的原理可知，本工程水源熱泵空調系統(tǒng)對長江水的利用僅限于熱量的提取和轉換，并在使用過程中嚴格限制對長江水進行任何的化學處理，有限的處理也僅限于對其進行過濾、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)的運行不會給長江水造成污染。

　　5　結論與建議

　　5.1水源熱泵空調系統(tǒng)具有效率高、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點；同時，水源熱泵空調系統(tǒng)技術和產業(yè)化已經成熟，崇明生態(tài)小區(qū)集中空調系統(tǒng)冷熱源具備利用長江水有利條件，通過技術經濟分析，不僅技術上可行，經濟上也合理。根據本文所做的概算，水源熱泵的初投資比常規(guī)空調稍高，但運行費用低，年節(jié)省運行費用約28.54萬元。

　　5.2長江水水源熱泵系統(tǒng)正常使用的前提下，僅限于對其進行過濾、沉淀以及加熱冷卻等物理處理，因此，水源熱泵系統(tǒng)的運行不會帶來長江水的污染問題。

　　5.3在現有條件下，可以采用長江水水源熱泵系統(tǒng)，須做好過濾和除氧防腐工作。

　　5.4在長江中修建引水管道和構筑物須經相關管理部門的同意，最好與長江沿岸的景觀相協(xié)調。