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水源熱泵——一種經濟、節(jié)能、可靠的空調能源方式

文章來源:中國建筑科學研究院空調所 | 發(fā)布日期:2006-02-13 | 作者:李先瑞  郎四維 | 點擊次數:

     近幾年來,水源熱泵得以發(fā)展的主要推動力是它能夠以量大面廣的低位熱能,如井水、地下 水、江、河、湖水、電廠冷卻循環(huán)水、礦井水及工業(yè)余熱等為能源,而且具有熱回收功能, 即可利用供冷空調房間排放的冷凝熱來加熱供熱空調房間,從而提高了建筑物內部的能源利 用系數。

一、水源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能性

    以采暖運行為例,目前采暖方式有集中鍋爐房供熱方式、熱電廠供熱方式、分戶燃氣采暖方式,水源熱泵方式有利用井水、江、河、湖泊水及工業(yè)余熱的形式;也有利用自來水的冬季要輔助加熱的方式。它們的耗能量見表1。

耗能量的比較   表1

表1的計算依據:

①.住宅建筑為北京市多層住宅,現有建筑耗熱量指標qH為31.82W/m2,設計熱負荷指標 為q為43.82W/m2,節(jié)能建筑qH為20.6W/m2,q為28.37W/m2。采暖全年需熱量:現有 建筑為95.46kwh/m2年,節(jié)能建筑為61.80kwh/m2年。

②.集中鍋爐房:現有供熱系統(tǒng)熱網輸配效率η1為0.85,鍋爐效率η2為0.55,節(jié)能供 熱系統(tǒng)η1為0.9,η2為0.68,

③.熱電廠供電標準煤耗為0.408Kg/kwh,供熱標準煤耗為40.7Kg/GJ。

④.水源熱泵采暖COP=4.25。

從表1可知,水源熱泵采暖方式全年耗能量均低于集中鍋爐房和熱電廠,節(jié)能效益比較明顯 。

利用井水、江、河水或工業(yè)余熱為熱源的水源熱泵的節(jié)能性十分明顯,當水源熱泵的能效系 數4.0時,與熱電聯產供熱方式比,采暖的節(jié)能性率約為40%。 當采用輔助加熱熱源時,水源熱泵的節(jié)能性是有條件的,主要的影響因素是:水源熱泵的能 效系數;輔助熱源的加熱容量。

①.水源熱泵能效系數的影響(見表2)

制熱容量為4KW時的能耗* 表2

*輔助加熱容量為總供熱量的75%。

從表2可知,COP從4提高到4.5后,節(jié)能率約為5.6%,相當于減少加熱容量0.3296KW,即約相 當于減少熱負荷10%。

②.輔助加熱器加熱容量的影響(見表3)

制熱容量為4KW時的能耗* 表3

*COP=4

從表3可知,當輔助加熱容量為總供熱量的比從0.75降到0.5時,節(jié)能率約為16.6%。

③.節(jié)能的條件

制熱容量為4KW的熱電聯產的能耗為:

(4×860)/( 7000×0.83×0.85) =0.697kg/4kwh

由此可知:

當COP=4.0,輔助加熱容量為總供熱量的0.5時,與熱電聯產供熱方式比,它的節(jié)能率 約為2%。

當COP=4.5,輔助加熱容量為總供熱量的0.5時,與熱電聯產供熱方式比,水源熱泵的節(jié)能率

約為8%。

但當COP=4.0,輔助加熱容量為0.75總供熱量時,熱電聯產將比水源熱泵節(jié)能,節(jié)能效率約 為15%。當COP=4.5時,其節(jié)能率約為10%。

節(jié)能的主要因素如下: ①.水源熱泵機組直接安放在戶內,熱網輸配損失可忽略不計。

②.水源熱泵機組采暖能效系數COP大于4,部分負荷時,COP值仍很穩(wěn)定。

③以井水,江、河、湖水及工業(yè)余熱的低溫熱作為熱泵熱源的水源熱泵系統(tǒng),采暖耗熱量僅 為全年需熱量的1/4。

④.以自來水為熱源的冬季需加輔助熱源的水源熱泵系統(tǒng),由于考慮壓縮機發(fā)熱量,住宅同 時使用系數及夜間調節(jié)溫度等措施后輔助加熱容量約為熱負荷的1/2~1/3,加熱量約為全年 需熱量的1/2~1/3。

二、水源熱泵系統(tǒng)的經濟性

經濟性指的是各種空調采暖方式的初投資、運行費和熱價。

目前國內外已采用的采暖空調聯供方案有:

①.熱電冷三聯供: 夏季,熱電廠抽汽+蒸汽吸收式制冷

冬季,熱電廠抽汽+汽水換熱器供熱

②.熱電冷三聯供: 夏季,熱電廠熱水+熱水吸收式制冷

冬季,熱電廠熱水+汽水換熱器供熱

③.直燃式冷熱水機組:夏季、冬季,直燃式冷熱水機組制冷、供熱

④.燃氣-蒸汽聯合循不

⑤.電制冷+燃氣(油)鍋爐采暖

⑥.電動水源熱泵。這類機組運行性能穩(wěn)定,性能系數COP值較高,理論計算可達7,實際運 行時約為5,且由于可充分利用江河、湖、海水等自然能源,冬季供暖耗能少,是一種節(jié)能 性好的冷熱源設備。

⑦.空氣源熱泵。冷熱源兼用,整體性好,安裝方便,可露天安裝,采用風冷,省卻了冷卻 塔及冷卻水系統(tǒng),缺點是當室外溫度較低時,需增加輔助熱源。各種方案的投資和成本(不 包括戶內系統(tǒng))見表4。

各方案的投資和成本比較* 表4

*為《住宅區(qū)三聯供系統(tǒng)的研究》中提供的數據,成本為年運行成本。

下面以興降礦十八層單身職工宿舍為例,說明水源熱泵采暖空調聯供方案的經濟性。

十八層單身宿舍建筑形狀為Y形,總采暖空調建筑面積為9564m2,2~18層為標準層,標準 層面積為562.6m2,設計冷熱負荷為573.84KW。表5為采暖空調聯供方案,表6為各方案初 投資的比,表7為各方案運行費的比較,表8為各方案的綜合比較。

采暖空調方案 表5

各方案初投資的比較 表6

*計算時包括安裝費15%,運行調試費5%,稅及管理5%,設計費2%和利潤10%。

各方案運行費的比較(元/m2) 表7

〖BG)F〗 興隆礦地處兗州市,根據兗州市氣象資料,該地區(qū)冬季采暖期天數106天,延時小時數2 544小時,最大負荷小時數2544*(20-0.4)/[20-(17)]=1847小時。夏季空調期天數90天, 延時小時數2160小時,根據濟南、淄博三聯供實際測試資料,取夏季最大負荷小時數為720 小時。則單位建筑面積,采暖期需供熱量60W/m2*1847=110.5kwh,空調期需冷量60W/m2* 720=43.2kwh。

各方案綜合比較 表8

從表6、表7、表8的對比可知,興隆礦實施采暖空調,以方案1為佳。

前面提到的方案1水源熱泵(水-空氣),方案2水源熱泵(水-水)在技術與經濟上都是可采用的 方案。但方案2中大型水源熱泵是一種集中冷(熱)源的方式,目前,國內尚無大型水源熱泵 廠家,進口設備較貴,而國產水源熱泵系列不全,單臺容量較小,只有將多臺設備集中放置 在機房時,才能形成集中冷(熱)源形式,投資較大,安裝運行維護不便。

無論是從單位供熱(冷)量所需能耗,還是從投資和運行費上看方案1都具有明顯的優(yōu)越性。 其中進口熱泵機組的價格與方案2中國產設備的投資相近,但比方案2進口設備價格低得多, 且不要另建機房。因此,十八層樓單身宿舍擬采用方案1為實施方案。

水源熱泵采暖空調聯供方案投資偏低的主要原因:

①.不設專用機房。中央空調的機房面積(包括空調裝置、電氣及其它)約為空調建筑面積的5 ~8%,其中空調裝置約占4~5%,以10層建筑物為例,其中機房約占一層。水源熱泵將空調 裝置分散設在每戶,不僅減少了機房的建設費用,在寸土寸金的地區(qū),增加的辦公面積,營 業(yè)面積的作用就更大了。

②.封閉水管不要保溫,對豎井沒有特殊要求。中央空調系統(tǒng)的豎井占有較多建筑物的有效 面積,全空氣系統(tǒng)的豎井面積更大。豎井布置的是否恰當,不僅會影響空調系統(tǒng)的效率,而 且對空調的投資有較大的影響。

③.不占有房間的有效面積,中央空調系統(tǒng)的戶內裝置風機盤管有時放置在窗戶下,對住宅 的影響較大。

水源熱泵聯供方案運行費偏低的原因:

①.水源熱泵采暖運行時,約占總供熱量3/4的吸收熱來自井水,江、河的低溫熱或工業(yè)余熱 ;空調運行時,約為總制冷量1.2倍的總散熱量由低溫熱或工業(yè)余熱分攤,因此,較多地降 低了采暖、空調系統(tǒng)的運行費。

②.水源熱泵機組直接設置在用戶房間內,減少了輸配損失。

③.水源熱泵機組能效系數較高,且性能系數的穩(wěn)定性較好。

④.水源熱泵系統(tǒng)具有熱回收性能。當同一建筑中有的房間需供熱,有的房間需空調時,往 往無需冷卻及輔助加熱。

三、水源熱泵系統(tǒng)的可靠性

采暖、空調系統(tǒng)運行的可靠性指的是系統(tǒng)穩(wěn)定性好,調節(jié)靈活。所謂穩(wěn)定性好指 的 是采暖空調房間的溫度、濕度、氣流速度等熱舒適性參數不受外界的影響,保持在設計范圍 內,即當系統(tǒng)的某一部分發(fā)生事故,或某用戶的設備發(fā)生故障時,對另外的房間沒有影響或 影響較少。水源熱泵系統(tǒng)的熱泵機組設置在每個房間內,當某一臺發(fā)生故障后,只要將聯接 該設備的供、回水閥關斷,就不會對相鄰用戶產生任何影響。所以說,水源熱泵的穩(wěn)定性非 常好。

水源熱泵的溫度自控裝置組合在熱泵機組中,無需另設控制中心或控制室,用戶根據自己的 愿望,可靈活地控制室溫和風機轉速。這種方式不僅適合于公共建筑,對不同年齡、不同職 業(yè)和不同生活要求居住的住宅建筑來說,這就顯得更為重要了。

除此之外,水源熱泵系統(tǒng)便于進行熱計量,物業(yè)公司根據用戶的耗電量就可向用戶收費,是 解決當前采暖、空調收費難的一項重要舉措。

四、設計是水源熱泵實現可靠性、經濟性、節(jié)能性的保證條件之一。

水源熱泵機組為水源熱泵空調采暖系統(tǒng)創(chuàng)造了關鍵性的條件,沒有這種機組,就不 存在這種系統(tǒng)。但機組運行的好壞與源、網、機組的系統(tǒng)組合方式密節(jié)相關。即與系統(tǒng)的設 計密切相關。

水源熱泵采暖空調系統(tǒng)設計的特點見表9

水源熱泵系統(tǒng)設計的特點表9

運行參數* 表10

〖BG)F〗

注:[WB]*1機組的送風量為每冷噸0.16m3/s,水流量為每冷噸0.16升/s至0.19升/s。

[DW]*2此時為乙稀乙二醇溶液。

[DW]*3短時間內可以為35/28℃。

水源熱泵系統(tǒng)設計時要注意以下幾個問題。

①.水源熱泵機組的容量不要過大。中央空調冷熱源設備選型時,設備制冷(熱)量約為設計 冷( 熱)負荷的1.05~1.10。水源熱泵機組選型時,應盡量接近設計冷(熱)負荷。若機組偏大時 ,運行時間短,啟動頻繁。機組容量合適,運行時間長,有利于除濕。

②.封閉水系統(tǒng)水溫的選擇,夏季要求水溫低些,目的是提高能效,降低耗電功率。冬季水 溫不要太高,因為水溫高時,雖然制冷量高了,但耗電功率也高了,能效系數變化不大。

③.設計時要考慮采暖空調對象建筑物的同時使用系數。同時使用系數的取值與建筑物類型 有關,與建筑物的數量有關,需通過理論計算和實測確定。《住宅建筑空調負荷計算中同時 使用系數的確定》列出數據是:當住戶〈100戶時,該系數為0.7;當戶數為100~150戶時, 為0.65~0.7;當戶數為150~200戶時為0.6。

五、結束語

從以上分析可知,水源熱泵系統(tǒng)是一種可靠、經濟、節(jié)能的采暖方式。不僅如此, 由于它使用清潔能源,由于它節(jié)l效果明顯,節(jié)能就是環(huán)保,在電力已進入買方市場的條件 下,在人民生活條件迅速改善的條件下,水源熱泵無疑將是一種受大家歡迎的采暖空調方式 。

主要參考資料

[1]李先瑞、郎四維住宅采暖、空調方式的控討1999

[2]中國工程院兗州興隆礦采暖空調聯供方案可行性分析報告1999

[3]北京愛華冷氣公司美國怡風水源熱泵機組1999

[4]張蓓紅、蔡龍俊住宅建筑空調負荷計算中同時使用系數的確定

建筑熱能通風空調1999.1

 

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