地表水水源熱泵系統(tǒng)應用實例分析

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 地表水水源熱泵系統(tǒng)應用實例分析
摘要： 某研發(fā)基地建筑規(guī)模9.5萬平方米，主要用途為科研、開發(fā)、倉儲、辦公用房及實驗住宅等配套設施。根據基地實際情況及院有關部門的意見，考慮環(huán)保要求，擬利用地表水水源熱泵系統(tǒng)進行供暖和供冷。

關鍵詞： 水源熱泵 地表水 水體溫度變化 供冷供熱能力
1 工程概況
　　某研發(fā)基地位于北京市通州區(qū)內，可建用地580畝，利用廢坑塘注水造水面約150畝。建筑規(guī)模9.5萬平方米，主要用途為科研、開發(fā)、倉儲、辦公用房及實驗住宅等配套設施，大致分配比例為：研究與開發(fā)-建筑面積10萬平方米，實驗住宅-3萬平方米，公建-0.74萬平方米，市政-0.22萬平方米。根據基地實際情況及院有關部門的意見，考慮環(huán)保要求，擬利用地表水水源熱泵系統(tǒng)進行供暖和供冷。
2 利用水源熱泵的可行性及水源熱泵系統(tǒng)的選擇
　　地表水水源熱泵系統(tǒng)是地源熱泵系統(tǒng)中的一種，是以地表水作為冷熱源的供暖供冷系統(tǒng)。由于其環(huán)保性和節(jié)能性，近期在國內外都得到了大力推廣和應用。
　　地表水易受污染，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。而如果將地表水和建筑內循環(huán)水之間是用換熱器分開，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了昂貴的水源熱泵機組，如果建筑物之間存在熱回收的可能的話，這種系統(tǒng)形式也可以自動在各建筑間進行熱回收，但由于存在換熱溫差，造成不能充分利用地表水的能量的問題。當地表水流量或溫度不能滿足使用要求時，可以采用一些輔助設備，如冬季用鍋爐，夏季用冷卻塔作為調峰設備，也可以幫助系統(tǒng)達到使用要求。
　　根據北京市的氣象、水文條件，夏季北京市地表水平均溫度一般為25~27℃，以換熱器5℃溫差考慮，則熱泵機組夏季的進水平均溫度不會高于32℃，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到37℃，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的。
　　在冬季，北京市地表水平均溫度一般為4℃左右，以換熱器2℃溫差考慮，則熱泵機組冬季的進水溫度不會高于2℃，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-3℃，則須在循環(huán)水中添加防凍液。而此時熱泵機組制熱工況下的C.O.P.值約在2~3之間（不同廠家生產的機組之間C.O.P.值略有差別），而C.O.P.值越高，熱泵機組的制熱能力越高，當地表水溫度過低（低于4℃），或地表水量不足時，需考慮采用其它輔助熱源如鍋爐加熱熱泵機組的冷凍水循環(huán)水，以保證熱泵機組在較高的制熱能力下運行。采用輔助熱源如鍋爐加熱熱泵機組的冷凍水循環(huán)水與用鍋爐直接供暖等常規(guī)供暖形式相比在節(jié)能上是沒有優(yōu)勢可言的，但是采用輔助熱源只是在地表水溫度過低，或地表水量不足等極端條件下才采用，一般來講這種情況發(fā)生的天數很少，甚至不發(fā)生，從整個采暖季來考慮采用水源熱泵機組供熱與上述常規(guī)供暖方式相比還是節(jié)能的，這將在下文中給與進一步的分析。
　　就系統(tǒng)末端裝置的形式而言，水源熱泵系統(tǒng)又分為集中的大型水-水水源熱泵機組+風機盤管和分散的水-空氣水源熱泵機組形式。水-水水源熱泵機組最終產出的是冷熱水，該類型機組相對較大，一般整個工程設一個水源熱泵機房，所產出的冷熱水通過泵輸送到各單體建筑，根據需要也可以在各單體建筑內設置水-水水源熱泵機房，將與地熱水換熱后的循環(huán)水輸送到各單體建筑，各單體建筑的水-水水源熱泵機組產出冷熱隨后再通過水泵輸送到樓內各個空調區(qū)域，通過風機盤管和空氣處理機組將冷熱水中的能量輸送到各個房間。水-空氣水源熱泵機組是一種直接蒸發(fā)式的機組，該類型機組相對較小，一般根據各個區(qū)域的使用功能和使用要求劃分成很多的小型系統(tǒng)，循環(huán)水在中央水泵房中換熱后通過水泵輸送到各單體建筑中的機組中，空調區(qū)域的回風通過機組加熱/冷卻后被送出，能量不需要二次輸送，因此不再另行需要其他諸如風機盤管等的熱濕處理機組。兩種系統(tǒng)各有自己的特點。水-水水源熱泵系統(tǒng)是一種更為集中的空調方式，國內已有生產，由于機組較為集中因此水源熱泵機組初投資較小，但熱泵機組需要在建筑中設置專用的機房；水-空氣水源熱泵系統(tǒng)相對分散，目前成熟產品主要為國外品牌，機組初投資略高，但其室內的循環(huán)水管不需要保溫，由于機組分散到末端，所需機房面積也較小。就系統(tǒng)的綜合造價而言，水-空氣水源熱泵機組較貴，但水-水水源熱泵系統(tǒng)所需的風機盤管和空調箱、保溫費用、多占機房帶來的費用增加，綜合投資雖然水-空氣水源熱泵機組形式較貴，但二者相差不大。從運行上來看，由于水-水水源熱泵機組的能量調節(jié)只能分有限的級數進行，而且要同時供冷供熱就必須采用四管制，因此比較適合于作息時間比較統(tǒng)一，負荷比較一致的場合；水-空氣水源熱泵機組自帶溫控器，可以根據使用要求進行獨立的調節(jié)和運行，還可以在兩管制的情況下實現(xiàn)四管制才有的同時供暖供冷的功能，因此比較適合作息時間多樣化且使用要求也比較多樣的商用和公用建筑。
　　根據以上所述水源熱泵系統(tǒng)的特點，結合本工程的具體情況，我們認為應采用集中的大型水-水水源熱泵機組+風機盤管的形式，原因如下：
1.1 該種形式的水源熱泵系統(tǒng)所采用的設備在國內均有成熟產品，在價格和售后服務方面更易得到保障。
1.2 由于末端水-空氣水源熱泵機組帶有壓縮機，在噪音控制方面較為不利，考慮到科研辦公對環(huán)境的噪音要求比較高，因此采用只有風機而不帶壓縮機的風機盤管作為末端設備更為有利。
1.3 由于北京地處北方，冬季空調計算溫度低達-12℃，由于水-空氣機組對進風溫度有要求（一般不低于5℃，否則低溫保護將啟動），冬季新風的處理必須使用電加熱預熱，在地表水充足的情況下不能有效利用免費的地熱資源。
3 冷熱負荷估算及水流量的可行性
　　根據規(guī)范，北京地區(qū)的空調室外計算參數如下：
年平均溫度11.4℃
冬季空調室外計算干球溫度-12℃
冬季通風室外計算干球溫度-5℃
冬季空調室外計算相對濕度45%
夏季空調室外計算干球溫度33.2℃
夏季通風室外計算干球溫度30℃
夏季空調室外計算濕球溫度26.4℃
研發(fā)基地建筑物的室內設計參數初步定為：
夏季室內設計溫度為25-27℃，室內相對濕度小于60%；
冬季室內設計溫度為18-20℃，室內相對濕度不做要求。
　　初步估算本工程設計冷負荷指標約為100W/m2，設計熱負荷指標約為50W/m2，按照一期10萬平方米計，同時使用系數定為0.9，則合計空調系統(tǒng)冷負荷為9000 kW，熱負荷為4500 kW。假定水源熱泵機組制冷工況下的C.O.P.值約為4.3，制熱工況下的C.O.P.值約為2.6，則地表水在制冷工況下需帶走的熱量為11093 kW，在制熱工況下需提供的熱量為2769 kW，。
　　根據《研發(fā)基地簡介》，廢坑塘注水造水面約150畝，水深平均為3.5 m，該水體的總蓄水量為3.5×105 m3?？紤]基地的夏季空調每天運行12小時，每天向水體的散熱量為Q=11093 kW×12h×3600=479×106kJ。水體的溫升為Q/CM=479×106/(4187×3.5×105)=0.33℃。以換熱器5℃溫差考慮，帶走11093 kW熱量所需水流量為：G=0.86×11093×1000/(1000×5)=1908 m3/h，整個水體全部循環(huán)一次約需175小時，約合7天左右。由此可見夏季水體溫升很小，考慮到水體與空氣和大地熱交換，水體溫升則更小甚至可以忽略。
　　而基地冬季空調要以每天運行24小時考慮，冬季每天從水體提取的熱量為Q=2769 kW×24h×3600=239×106kJ。北京地處寒冷地區(qū)，地表水會結冰，結冰期冰層厚度以較為保守的100cm考慮，則水深平均降為2.5 m，該水體的總蓄水量為2.5×105 m3，水體的溫降為Q/CM=239×106/(4187×2.5×105)=0.23℃。以換熱器2℃溫差考慮，帶走2769 kW熱量所需水流量為：G=0.86×2769×1000/(1000×2)=1191 m3/h，整個水體全部循環(huán)一次約需210小時，約合9天左右。由此可見，與夏季相比冬季水體溫降更小，所需水量與水塘能夠提供的有效水量相比也是較小的，考慮到水體與空氣和大地的熱交換，水體溫降則更小甚至可以忽略。
　　考慮到冬季有可能出現(xiàn)持續(xù)低溫，水量減少，導致水體溫度過低，水量過小的極端情況，為保證這種情況下的正常供熱，需考慮采用輔助熱源提升熱泵機組冷凍水的溫度，根據該基地的實際情況，輔助熱源可以考慮采用燃氣鍋爐的形式，以最極端的條件，即地表水已經完全不能提供熱量，所有熱量均由燃氣鍋爐提供，鍋爐的供回水溫差以25℃考慮，則鍋爐生產的熱水帶走2769 kW熱量所需水流量為：G=0.86×2769×1000/(1000×25)=95 m3/h。
　　另外，上述水流量等參數均以整個基地為一個整體來考慮，在實際建設時，為方便調節(jié)和管理，可以將相同或相似功能的單體建筑，分別建設動力站，這樣水泵、鍋爐、換熱器等設備的規(guī)格參數就會有所減小。
　　從上述分析可見，根據已知的條件，該研發(fā)基地采用地表水水源熱泵系統(tǒng)是可行的。
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，地表水水源熱泵空調系統(tǒng)對地表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地表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，地表水的成分在整個使用過程中沒有發(fā)生任何變化。在嚴格遵循以上原則的前提下，水源熱泵系統(tǒng)的運行也不會帶來所在區(qū)域地表水污染的問題。
　　在系統(tǒng)設計和施工合理，且地表水水源熱泵系統(tǒng)正常使用的前提下，一般不會對環(huán)境造成負面影響。
5 技術經濟分析
5.1 夏季工況
　　地表水水源熱泵空調系統(tǒng)夏季運行方式和原理與最常用的水冷冷水機組空調系統(tǒng)是極為相似的，從設備使用上看，水源熱泵空調方式的冷卻水系統(tǒng)不再使用冷卻塔進行冷卻，而是依靠水塘進行冷卻，因此從初投資來看，水源熱泵空調系統(tǒng)省去了冷卻塔的設備投資。
　　從運行費用方面來看，由于水源熱泵空調方式的冷卻水系統(tǒng)依靠水塘進行冷卻，冷卻效果較冷卻塔冷卻要好，因此水源熱泵空調方式的C.O.P.值可能會比常用的冷卻塔進行冷卻的水冷冷水機組空調系統(tǒng)要高一些，但是運行費用節(jié)省并不明顯。
5.2 冬季工況
　　應基地要求，結合地表水水源熱泵空調系統(tǒng)的實際情況，主要針對系統(tǒng)的供暖運行費用進行技術經濟比較。根據當地能源條件，主要就燃氣區(qū)域鍋爐房+散熱器系統(tǒng)和地下水水源熱泵+風機盤管系統(tǒng)的供暖功能就整個10萬平方米的一期工程進行技術經濟比較。
運行費用比較
　　根據有關資料，北京地區(qū)冬季空調負荷分布假定如下：平均空調負荷在90%的運行時間占全部運行時間的15%；平均空調負荷在60%的運行時間占全部運行時間的30%；平均空調負荷在30%的運行時間占全部運行時間的55%。北京市的供暖時間根據規(guī)范為129天。北京地區(qū)電價按照0.60元/度計算，北京地區(qū)燃氣鍋爐房供熱價按照35元/m2計算。
　　本次計算中假定地表水和系統(tǒng)冷熱水都是定流量運行，每棟建筑風機盤管的運行調節(jié)規(guī)律與空調負荷的分布情況一致，水源熱泵機組的使用按照60%滿負荷進行計算。
計算得到下表數值：
項目 數量 單價
（萬元） 總價
（萬元）
水泵耗電 500千度 0.06 30
熱泵機組耗電 2700千度 0.06 162
風機盤管、新風機組耗電 320千度 0.06 19.2
人員工資、物資運輸等費用   10
合計221.2萬元
由表中得出，地表水水源熱泵系統(tǒng)+風機盤管系統(tǒng)每供暖季的運行費用約為22.1元/m2。
6 結論與建議
6.1 在現(xiàn)有條件下，可以采用地表水水源熱泵系統(tǒng)，并做好過濾和除氧防腐工作（僅限于物理處理）。
6.2 在系統(tǒng)設計和施工合理，且地表水水源熱泵系統(tǒng)正常使用的前提下，一般不會對環(huán)境造成負面影響。
6.3 考慮到冬季有可能出現(xiàn)持續(xù)低溫，水量減少，導致水體溫度過低，水量過小的極端情況，為保證這種情況下的正常供熱，需考慮采用輔助熱源提升熱泵機組冷凍水的溫度，根據該基地的實際情況，輔助熱源可以考慮采用燃氣鍋爐的形式。
6.4 根據初步估算，采用地表水水源熱泵系統(tǒng)供暖氣其運行費用為22.1元/m2，低于燃氣鍋爐房供熱價35元/m2。整個基地年節(jié)省運行費用約186.2萬元。
參考文獻
徐偉等. 地源熱泵工程技術指南. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001
陸耀慶. 實用供熱空調設計手冊. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994