地表水源熱泵理論及應(yīng)用

【學(xué)員問(wèn)題】地表水水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例分析？

【解答】1、工程概況

某研發(fā)基地位于北京市通州區(qū)內(nèi)，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(wàn)平方米，主要用途為科研、開(kāi)發(fā)、倉(cāng)儲(chǔ)、辦公用房及實(shí)驗(yàn)住宅等配套設(shè)施，大致分配比例為：研究與開(kāi)發(fā)-建筑面積10萬(wàn)平方米，實(shí)驗(yàn)住宅-3萬(wàn)平方米，公建-0.74萬(wàn)平方米，市政-0.22萬(wàn)平方米。根據(jù)基地實(shí)際情況及院有關(guān)部門的意見(jiàn)，考慮環(huán)保要求，擬利用地表水水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)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(guó)內(nèi)外都得到了大力推廣和應(yīng)用。

地表水易受污染，泥沙、水藻等雜質(zhì)含量高，水表面直接與空氣接觸，水體含氧量較高，腐蝕性強(qiáng)，如果將地表水直接供應(yīng)到每臺(tái)熱泵機(jī)組進(jìn)行換熱，容易導(dǎo)致熱泵機(jī)組壽命的降低，換熱器結(jié)垢而性能下降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致管路阻塞，因此不宜將地表水直接供應(yīng)到每臺(tái)熱泵機(jī)組換熱。而如果將地表水和建筑內(nèi)循環(huán)水之間是用換熱器分開(kāi)，熱交換器采取小溫差換熱的方式運(yùn)行，這樣就可以用廉價(jià)的換熱器保護(hù)了昂貴的水源熱泵機(jī)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(dòng)在各建筑間進(jìn)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(wèn)題。當(dāng)?shù)乇硭髁炕驕囟炔荒軡M足使用要求時(shí)，可以采用一些輔助設(shè)備，如冬季用鍋爐，夏季用冷卻塔作為調(diào)峰設(shè)備，也可以幫助系統(tǒng)達(dá)到使用要求。

根據(jù)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(jī)組夏季的進(jìn)水平均溫度不會(huì)高于32℃，如果夏季熱泵的冷卻水側(cè)進(jìn)出口溫差為5℃，則熱泵機(jī)組出水溫度不到37℃，根據(jù)熱泵機(jī)組的技術(shù)要求，這時(shí)的冷卻水供回水溫差是能夠保證夏季熱泵機(jī)組制冷正常運(yùn)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(jī)組冬季的進(jìn)水溫度不會(huì)高于2℃，以冬季熱泵的冷凍水側(cè)進(jìn)出口溫差為5℃考慮則熱泵機(jī)組出水溫度不到-3℃，則須在循環(huán)水中添加防凍液。而此時(shí)熱泵機(jī)組制熱工況下的C.O.P.值約在2~3之間（不同廠家生產(chǎn)的機(jī)組之間C.O.P.值略有差別），而C.O.P.值越高，熱泵機(jī)組的制熱能力越高，當(dāng)?shù)乇硭疁囟冗^(guò)低（低于4℃），或地表水量不足時(shí)，需考慮采用其它輔助熱源如鍋爐加熱熱泵機(jī)組的冷凍水循環(huán)水，以保證熱泵機(jī)組在較高的制熱能力下運(yùn)行。采用輔助熱源如鍋爐加熱熱泵機(jī)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(méi)有優(yōu)勢(shì)可言的，但是采用輔助熱源只是在地表水溫度過(guò)低，或地表水量不足等極端條件下才采用，一般來(lái)講這種情況發(fā)生的天數(shù)很少，甚至不發(fā)生，從整個(gè)采暖季來(lái)考慮采用水源熱泵機(jī)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(jìn)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(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管和分散的水-空氣水源熱泵機(jī)組形式。水-水水源熱泵機(jī)組最終產(chǎn)出的是冷熱水，該類型機(jī)組相對(duì)較大，一般整個(gè)工程設(shè)一個(gè)水源熱泵機(jī)房，所產(chǎn)出的冷熱水通過(guò)泵輸送到各單體建筑，根據(jù)需要也可以在各單體建筑內(nèi)設(shè)置水-水水源熱泵機(jī)房，將與地?zé)崴畵Q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(jī)組產(chǎn)出冷熱隨后再通過(guò)水泵輸送到樓內(nèi)各個(gè)空調(diào)區(qū)域，通過(guò)風(fēng)機(jī)盤管和空氣處理機(jī)組將冷熱水中的能量輸送到各個(gè)房間。水-空氣水源熱泵機(jī)組是一種直接蒸發(fā)式的機(jī)組，該類型機(jī)組相對(duì)較小，一般根據(jù)各個(gè)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(guò)水泵輸送到各單體建筑中的機(jī)組中，空調(diào)區(qū)域的回風(fēng)通過(guò)機(jī)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(fēng)機(jī)盤管等的熱濕處理機(jī)組。兩種系統(tǒng)各有自己的特點(diǎn)。水-水水源熱泵系統(tǒng)是一種更為集中的空調(diào)方式，國(guó)內(nèi)已有生產(chǎn)，由于機(jī)組較為集中因此水源熱泵機(jī)組初投資較小，但熱泵機(jī)組需要在建筑中設(shè)置專用的機(jī)房；水-空氣水源熱泵系統(tǒng)相對(duì)分散，目前成熟產(chǎn)品主要為國(guó)外品牌，機(jī)組初投資略高，但其室內(nèi)的循環(huán)水管不需要保溫，由于機(jī)組分散到末端，所需機(jī)房面積也較小。就系統(tǒng)的綜合造價(jià)而言，水-空氣水源熱泵機(jī)組較貴，但水-水水源熱泵系統(tǒng)所需的風(fēng)機(jī)盤管和空調(diào)箱、保溫費(fèi)用、多占機(jī)房帶來(lái)的費(fèi)用增加，綜合投資雖然水-空氣水源熱泵機(jī)組形式較貴，但二者相差不大。從運(yùn)行上來(lái)看，由于水-水水源熱泵機(jī)組的能量調(diào)節(jié)只能分有限的級(jí)數(shù)進(jìn)行，而且要同時(shí)供冷供熱就必須采用四管制，因此比較適合于作息時(shí)間比較統(tǒng)一，負(fù)荷比較一致的場(chǎng)合；水-空氣水源熱泵機(jī)組自帶溫控器，可以根據(jù)使用要求進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)節(jié)和運(yùn)行，還可以在兩管制的情況下實(shí)現(xiàn)四管制才有的同時(shí)供暖供冷的功能，因此比較適合作息時(shí)間多樣化且使用要求也比較多樣的商用和公用建筑。

根據(jù)以上所述水源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合本工程的具體情況，我們認(rèn)為應(yīng)采用集中的大型水-水水源熱泵機(jī)組+風(fēng)機(jī)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(shè)備在國(guó)內(nèi)均有成熟產(chǎn)品，在價(jià)格和售后服務(wù)方面更易得到保障。

1.2、由于末端水-空氣水源熱泵機(jī)組帶有壓縮機(jī)，在噪音控制方面較為不利，考慮到科研辦公對(duì)環(huán)境的噪音要求比較高，因此采用只有風(fēng)機(jī)而不帶壓縮機(jī)的風(fēng)機(jī)盤管作為末端設(shè)備更為有利。

1.3、由于北京地處北方，冬季空調(diào)計(jì)算溫度低達(dá)-12℃，由于水-空氣機(jī)組對(duì)進(jìn)風(fēng)溫度有要求（一般不低于5℃，否則低溫保護(hù)將啟動(dòng)），冬季新風(fēng)的處理必須使用電加熱預(yù)熱，在地表水充足的情況下不能有效利用免費(fèi)的地?zé)豳Y源。

3、冷熱負(fù)荷估算及水流量的可行性

根據(jù)規(guī)范，北京地區(qū)的空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)如下：

年平均溫度11.4℃

冬季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度-12℃

冬季通風(fēng)室外計(jì)算干球溫度-5℃

冬季空調(diào)室外計(jì)算相對(duì)濕度45%

夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度33.2℃

夏季通風(fēng)室外計(jì)算干球溫度30℃

夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度26.4℃

研發(fā)基地建筑物的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)初步定為：

夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為25-27℃，室內(nèi)相對(duì)濕度小于60%；

冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18-20℃，室內(nèi)相對(duì)濕度不做要求。

初步估算本工程設(shè)計(jì)冷負(fù)荷指標(biāo)約為100W/㎡，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)約為50W/㎡，按照一期10萬(wàn)平方米計(jì)，同時(shí)使用系數(shù)定為0.9，則合計(jì)空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷為9000、kW，熱負(fù)荷為4500、kW.假定水源熱泵機(jī)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(jù)《研發(fā)基地簡(jiǎn)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.考慮基地的夏季空調(diào)每天運(yùn)行12小時(shí)，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(gè)水體全部循環(huán)一次約需175小時(shí)，約合7天左右。由此可見(jiàn)夏季水體溫升很小，考慮到水體與空氣和大地?zé)峤粨Q，水體溫升則更小甚至可以忽略。

而基地冬季空調(diào)要以每天運(yùn)行24小時(shí)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(huì)結(jié)冰，結(jié)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(gè)水體全部循環(huán)一次約需210小時(shí)，約合9天左右。由此可見(jiàn)，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(dǎo)致水體溫度過(guò)低，水量過(guò)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(jī)組冷凍水的溫度，根據(jù)該基地的實(shí)際情況，輔助熱源可以考慮采用燃?xì)忮仩t的形式，以最極端的條件，即地表水已經(jīng)完全不能提供熱量，所有熱量均由燃?xì)忮仩t提供，鍋爐的供回水溫差以25℃考慮，則鍋爐生產(chǎn)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(shù)均以整個(gè)基地為一個(gè)整體來(lái)考慮，在實(shí)際建設(shè)時(shí)，為方便調(diào)節(jié)和管理，可以將相同或相似功能的單體建筑，分別建設(shè)動(dòng)力站，這樣水泵、鍋爐、換熱器等設(shè)備的規(guī)格參數(shù)就會(huì)有所減小。

從上述分析可見(jiàn)，根據(jù)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(duì)環(huán)境的影響

根據(jù)水源熱泵系統(tǒng)的原理可知，地表水水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)對(duì)地表水的利用僅限于熱量的提取和轉(zhuǎn)換，并在使用過(guò)程中嚴(yán)格限制對(duì)地表水進(jìn)行任何的化學(xué)處理，有限的處理也僅限于對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾、沉淀以及加熱冷卻等物理處理，地表水的成分在整個(gè)使用過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生任何變化。在嚴(yán)格遵循以上原則的前提下，水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行也不會(huì)帶來(lái)所在區(qū)域地表水污染的問(wèn)題。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(huì)對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響。

5、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

5.1、夏季工況

地表水水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)夏季運(yùn)行方式和原理與最常用的水冷冷水機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)是極為相似的，從設(shè)備使用上看，水源熱泵空調(diào)方式的冷卻水系統(tǒng)不再使用冷卻塔進(jìn)行冷卻，而是依靠水塘進(jìn)行冷卻，因此從初投資來(lái)看，水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)省去了冷卻塔的設(shè)備投資。

從運(yùn)行費(fèi)用方面來(lái)看，由于水源熱泵空調(diào)方式的冷卻水系統(tǒng)依靠水塘進(jìn)行冷卻，冷卻效果較冷卻塔冷卻要好，因此水源熱泵空調(diào)方式的C.O.P.值可能會(huì)比常用的冷卻塔進(jìn)行冷卻的水冷冷水機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)要高一些，但是運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省并不明顯。

5.2、冬季工況

應(yīng)基地要求，結(jié)合地表水水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際情況，主要針對(duì)系統(tǒng)的供暖運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。根據(jù)當(dāng)?shù)啬茉礂l件，主要就燃?xì)鈪^(qū)域鍋爐房+散熱器系統(tǒng)和地下水水源熱泵+風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的供暖功能就整個(gè)10萬(wàn)平方米的一期工程進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

運(yùn)行費(fèi)用比較

根據(jù)有關(guān)資料，北京地區(qū)冬季空調(diào)負(fù)荷分布假定如下：平均空調(diào)負(fù)荷在90%的運(yùn)行時(shí)間占全部運(yùn)行時(shí)間的15%；平均空調(diào)負(fù)荷在60%的運(yùn)行時(shí)間占全部運(yùn)行時(shí)間的30%；平均空調(diào)負(fù)荷在30%的運(yùn)行時(shí)間占全部運(yùn)行時(shí)間的55%.北京市的供暖時(shí)間根據(jù)規(guī)范為129天。北京地區(qū)電價(jià)按照0.60元/度計(jì)算，北京地區(qū)燃?xì)忮仩t房供熱價(jià)按照35元/㎡計(jì)算。

本次計(jì)算中假定地表水和系統(tǒng)冷熱水都是定流量運(yùn)行，每棟建筑風(fēng)機(jī)盤管的運(yùn)行調(diào)節(jié)規(guī)律與空調(diào)負(fù)荷的分布情況一致，水源熱泵機(jī)組的使用按照60%滿負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算得到下表數(shù)值：

項(xiàng)目、數(shù)量、單價(jià)

（萬(wàn)元）、總價(jià)

（萬(wàn)元）

水泵耗電、500千度、0.06、30

熱泵機(jī)組耗電、2700千度、0.06、162

風(fēng)機(jī)盤管、新風(fēng)機(jī)組耗電、320千度、0.06、19.2

人員工資、物資運(yùn)輸?shù)荣M(fèi)用、10

合計(jì)221.2萬(wàn)元

由表中得出，地表水水源熱泵系統(tǒng)+風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)每供暖季的運(yùn)行費(fèi)用約為22.1元/㎡.

6、結(jié)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(guò)濾和除氧防腐工作（僅限于物理處理）。

6.2、在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(huì)對(duì)環(huán)境造成負(fù)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(dǎo)致水體溫度過(guò)低，水量過(guò)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(jī)組冷凍水的溫度，根據(jù)該基地的實(shí)際情況，輔助熱源可以考慮采用燃?xì)忮仩t的形式。

6.4、根據(jù)初步估算，采用地表水水源熱泵系統(tǒng)供暖氣其運(yùn)行費(fèi)用為22.1元/㎡，低于燃?xì)忮仩t房供熱價(jià)35元/㎡.整個(gè)基地年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約186.2萬(wàn)元。

以上內(nèi)容均根據(jù)學(xué)員實(shí)際工作中遇到的問(wèn)題整理而成，供參考，如有問(wèn)題請(qǐng)及時(shí)溝通、指正。

1.地表水源中的熱能為可再生能源，有條件場(chǎng)合應(yīng)優(yōu)先采用地表水地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。

2.地表水地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用，應(yīng)符合國(guó)家和當(dāng)?shù)卣默F(xiàn)有規(guī)范、規(guī)定與規(guī)劃要求。

3.地表水地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)方案，應(yīng)根據(jù)工程的具體條件、地表水資源的勘察與環(huán)境評(píng)估等資料，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。