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北方工业大学 水源热泵系统的综合研究与工程应用 摘要 水源热泵作为一项节能环保技术，在一些西方先进国家已得到广泛应用，但由于热 泵系统的技术含量高以及所用主要大型配件国内不能生产等各种原因，我国在热泵的研 究和应用方面与西方先进国家差距较大。为缩小与国外的差距，促进我国节能环保事业 和经济与社会的发展，j 本文结合北京市教委社科发展基金项目和来自北京、山东、哈尔 滨等地区横向联合研究单位的资助，对水源热泵系统进行了全面深入的综合研究。 文中根据热力学和数学理论分析了热泵的节能原理，给出了热泵能效比与水源关系 的数学表达式。基于工程应用实际，建立了热泵运行的经济指标，为热泵在我国的应用 提供了依据。 在理论分析和对国外先进技术跟踪研究的基础上，本文研究开发了新型水源热泵。 这种新型水源热泵采用的是法国产的d a n f o s s 系列最新型号的涡旋式压缩机。文中开 发了多台涡旋机并联技术，成功地解决了单台涡旋机功率偏小无法满足大功率水源热泵 需求的矛盾。在并联技术中，开发了回油装置，成功地解决了并联技术中回油不均衡等 制约并联技术应用的问题。文中在输出功率2 4 0 k w 的热泵中，设计了回热装置，使该 热泵能适用于高寒地区。热泵的主要技术指标经中国计量科学院检测，能效比达到 1 ：4 2 ，该指标达到国内领先水平。 ， f 文中提出了一整套水源热泵系统的控制方案，该方案可以有效地控制热泵的运行， 并能根据能量的需求自动调节压缩机的启停数量。同时设计了多种保护压缩机和机组正 常工作的功能，一旦出现运行故障，能有效防止热泵的损坏。 文中的研究项目，都有具体的实际工程应用，针对实际工程中地下水源回灌困难等 问题，本文提出了低温回灌、二次取热、单井回灌等多项行之有效的方法。工程应用结 果显示了该项成果对节能环保事业的促进作用。人夕7 关键词：节能环保设气水源热泵i 系统研发7 智能控制j 工程应用 北方工业大学 i n t e g r a t e dr e s e a r c h a n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no f w a t e rs o u r c eh e a tp u m p s y s t e m a b s t r a c t a sat e c h n o l o g yo fe n e r g ye f f i c i e n c ya n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，w a t e rs o u r c eh e a t p u m p ( w s h p ) h a d b e e na p p l i e dt ot h ef i e l do f h e a t i n g ，v e n t i l a t i n ga n da i rc o n d i t i o n i n gw i d e l y i nd e v e l o p e dc o u n t r i e s a tp r e s e n t ，b e c a u s et h ec o r eo fs o m en e c e s s a r ys u b a s s e m b l i e sc a n tb e p r o d u c e di nc h i n a , s o m e r e m a r k a b l et e c h n o l o g yg a pi nt h ef i e l do fr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n b e t w e e nc h i n aa n dt h ed e v e l o p e dc o u n t r i e sh a sb e e nb r o u g h to n t or e d u c et h i sg a p ，w i t ht h e h e l po f t h es o c i a la n dn a t u r a lf u n do fb e i j i n ge d u c a t i o nc o m m i t t e ea n ds o m ei n s t i t u t e so f b e i j i n g ，s h a n d o n g ，h a r b i n ，i n t e g r a t e dr e s e a r c ho f w s h p h a sb e e nm a d e d e e p l y a c c o r d i n g t ot h et h e o r yo ft h e r m o d y n a m i c sa n dm a t h e m a t i c s ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h e p r i n c i p l eo fe n e r g ye f f i c i e n c y , p r o v i d e st h em a t h e m a t i c a le x p r e s s i o na b o u te n e r g y e f f i c i e n c y r a t i o ( e e r ) a n d w a t e r s o u r e e ( w s ) t h e n t h et e c h n i c a la n de c o n o m i c a lc h a r a c t e r i s t i co fw s h p i s s t u d i e d c a l c u l a t i n gr e s u l t so fe x a m p l ep r o j e c t ss h o w t h a tt h ew s h pi s s u p e r i o rt ot h e t r a d i t i o n a la i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mi nt h et e c h n i c a la n de c o n o m i c a l r e s p e c t s b a s e do nt h em v a n c e dt e c h n o l o g yo fs o m ed e v e l o p e dc o u n t r i e s ，b yt h e o r ya n a l y s e s ，a n e ws t y l eo fw s i - i pc o m p o s e do ff o u rs c r o l lc o m p r e s s o r sp a r a l l e lc o n n e c t i o ni s d e v e l o p e d t h el a t e s td a n f o s ss e r i e so fs c r o l lc o m p r e s s o r sm a d ei nf r a n c ea r eu s e di nt h i sw s h p i t r e s o l v e dt h ep r o b l e mo f t h e p o w e r o f a s i n g l es c r o l lc o m p r e s s o r o nt h es m a l ls i d es u c c e s s f u l l y t h ec o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c e ( c o p ) o ft h i ss y s t e mi s1 ：4 2 ，c h e c k e db yc h i n ai n s t i t u t eo f m e t r o l o g y , p r o v e dl e a di nc h i n a t h o r o u g ha n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no f v a r i o u ss u b a s s e m b l i e s a b o u to p t i m i z i n gd e s i g no fw s h pi sm a d ei nt h i sp a p e r , s u p p l y i n gar e l i a b l eb a s i sf o rs a f e ， e c o n o m i c a l ，c o n v e n i e n td e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f t h ew s h p s y s t e m t oa n a l y z ea n dc a l c u l a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o m p r e s s o r , as e r i e so f e q u a t i o n sa b o u t c o n d e n s a t i o nt e m p e r a t u r e ，e v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r e ，r e f r i g e r a t i o np o w e r , p o w e r o u t p u tb ya c u r v es i m u l a t i o nm e t h o db a s e do nt h e p r a c t i c ed a t ac a n b e g a i n e d c o m p a r i n g t h e s e e q u a t i o n s ， 北方工业大学 s o m e s i g n i f i c a t i v ec o n c l u s i o n sh a v eb e e ng e t as e r i e so fc o n t r o l s y s t e m sa r ed e s i g n e di nt h i sw s h p , w h i c he n s u r et h eh e a tp u m p c i r c u l a t ee f f i c i e n t l ya n dd e t e r m i n ew h i c h c o m p r e s s o r ss t a r to rs t o pa u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n g t o e n e r g yr e q u i r e m e n t t h e nm u l t i p u r p o s ef u n c t i o ni sd e s i g n e dt op r o t e c tt h ec o m p r e s s o r sa n d t h ew h o l e s y s t e m a l lt h er e s e a r c h e sm e n t i o n e di nt h i sp a p e rh a v eb e e na p p l i e dt o e n g i n e e r i n gp r a c t i c e a n a l y z i n gt h ew a t e rd e l i v e r yo ft h ew e l ls o u r c e ，an e wm e t h o d ，c a l l e ds i n g l ew e l ls o u r c e t e c h n i q u e ，i sp r e s e n t e dt os o l v et h ep r o b l e m o fw a t e ro u t p u ta n d i n p u t i th a s b e e n p r o v e dt h a t t h er e s e a r c hr e s u l t sh a v em u c h p r o m o t i o ni nt h ef i e l do fe n e r g y - e f f i c i e n c ya n de n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n a c c o r d i n g t ot h r e ek i n d so fw s h pw e d e s i g n e d ，s o m ed e s i g nm e t h o d so fw s h ph a v e b e e n p u t f o r w a r d a l lo f t h em e t h o d sa n dn e w t ) r p e so f w s h p h a v em a d er e m a r k a b l eb e n e f i t s k e yw o r d s ：w a t e rs o u r c eh e a tp u m p ( w s h p ) ，e n e r g ye f f i c i e n c ya n de n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n ，i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m ，e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得北方工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者签名：厶1 硝b 残签字同期：却b 年士月2 参同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全r 解北方r 业大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向幽家有关部门或机构送交论文的复q v f q 二和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 北方工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：鲫惫戍锄虢槭毛色 签字f 期：埘j 年皇月j f i签字同期：砌j 年岁月彩日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话：6 8 雹3 旱p 奎孑 邮编：矽口年， 北方工业大学学位论文 1 1 工程背景 1 1 1 可持续发展与能源问题 第一章引言 在刚刚过去的2 0 世纪，人类在经济、社会、教育、科技等众多领域取得了显著的 成就，但在环境与发展的问题上始终面临着严峻的挑战。2 0 0 2 年8 月2 6 日至9 月4 日 在南非约翰内斯堡召开的可持续发展世界首脑会议( w o r l ds u m m i t o ns u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t ，w s s d ) ，揭开了人类进入2 1 世纪面l 临和解决环境与发展问题的序幕。 能源是左右可持续发展进程的关键因素之一。一方面，能源为改善人类生活和促进 经济发展所必需：另一方面，能源也可能带来空气污染、地球变暖等健康和环境问题。 目前，世界各国使用的能源主要是煤、石油、天然气等一次性能源，占能源总消费量的 9 0 左右，现有的能源供应和消费模式显然称不上“可持续”。联合国公布的一些数字颇 能说明问题：目前全球有2 0 亿人用不上电，约占世界人口的三分之一，他们主要生活 在贫困的乡村地区；全球矿物能源消耗薰在1 9 9 2 至1 9 9 9 年间增加了1 0 ，发达国家是 其中的大户，人均矿物燃料年消耗量达到发展中国家人口的1 0 倍左右；1 9 6 5 至1 9 9 8 年，全球二氧化碳排放量翻了一番，燃烧矿物燃料产生的温室气体，目前是全球温室气 体的最主要来源，所占份额达到7 5 ，其中占全球人口不到5 的美国所排放的二氧化碳 占全球总排放量的2 5 以上。“” 1 9 9 2 年罩约地球首脑会议以来，世界能源消耗量显著增加，据预测在未来2 0 年内 仍将以平均每年2 的速度上升，而且按现在的使用速度，石油只够开采5 0 年，煤炭也 只能开采不到2 0 0 年。如何以可持续发展的方式满足不断增长的能源需求，既是挑战， 也提供了历史性的机遇。这不仅要求国际社会继续采取有效措施，使全球贫困人口能享 受现代能源技术的恩惠，更重要的还将有赖于采用先进的技术提高能源生产的效率，增 加可再生能源的使用等。世界各国比以往更加关注能源、环境与可持续发展的问题。为 了实现经济的可持续发展，无污染的可再生能源便成了当前人类的能源首选。 可再生能源通常是指不污染环境、在自然中可以循环再生的能源，如风能、太阳能 北方工业大学学位论文 一一 和地热能等。 瑞典隆德大学工业环境经济国际研究所所长约翰松指出，能源几乎与可持续发展中 的所有领域都有错综复杂的联系，预测表明在不远的将来世界能源消耗仍将大幅上升， 能源问题可能在健康、环境等方面给人类带来挑战，而推广可再生能源是解决这些挑战 的主要途径之一。 约翰松认为，国际社会应就发展可再生能源制订出切实的行动目标和时间表，加大 对可再生能源技术的投资，并将重点放在提高发展中国家在这方面的技术能力上。他指 出，发展可再生能源，并不意味着传统能源就一无是处。切实可行的消除贫困战略往往 有赖于二者的结合。“1 如果在能源问题上不采取坚决的行动，推广使用清洁的、可再生 的能源，全球将不会有真正的可持续发展。 中国是世界上最大的发展中国家。重视节约能源和提高能源效率是我国一贯的国 策。据统计，我国国内生产总值由1 9 9 2 年的2 6 6 3 8 亿元增长到2 0 0 0 年的8 9 4 0 4 亿元， 而万元g d p 能耗却由1 9 9 0 年的5 3 2 吨标准煤降到2 0 0 0 年的2 7 7 吨标准煤( 1 9 9 0 年 不变价格水平) 。但是随着经济和社会的发展，我国对能源的需求不断增长，2 0 0 0 年能 源消费总量达到1 2 8 亿吨标准煤，比1 9 9 0 年增长了3 0 。1 由于我国能源结构以煤炭 为主，石油资源短缺，能源发展与环境保护的矛盾日益突出。 热泵技术的开发为利用可再生热能提供了强有力的手段，满足了节约能源和保护生 态环境的要求。 1 1 2 水源热泵的现实意义 世界各国的能源消耗中，以热能消耗量为最大。在一次能源变成热能再转换成各种 形式能量的过程中，超过一半的能量以排气、蒸汽、低温热水( 1 0 0 以下) 等排热形 式损失掉。如何利用这些热源成了人们亟待解决的问题。 取暖在我国能源消耗中占非常大的比重。以北京地区为例，冬季有长达4 个月的取 暖期，主要用的是传统能源煤炭。北京地区全年用煤量约2 7 0 0 万吨标准煤，冬季 仅供暖用煤就达6 0 0 万吨左右标准煤。煤炭消耗如此巨大，且集中在四个月内燃尽，造 成北京地区的大气环境污染相当严重。冬季空气中的二氧化硫与飘尘浓度是非采暖期的 2 北方工业大学学位论文 六倍以上，严重超过国家大气质量标准，威胁全市人民的身体健康。同时又排放了数量 可观的温室气体二氧化碳。而且经调查，即便煤炭消耗如此巨大，供暖质量也还是 不尽人意，冷热不均。”。 北京成功申办2 0 0 8 年奥运会，极大地鼓舞了中华儿女，同时，也对日趋恶化的生 态环境问题提出了挑战，改变以燃煤为主的能源结构，实现能源无污染利用成了当前研 究的重点。 以上这些，为水源热泵的应用创造了很好的条件，随着技术的发展和成熟，水源热 泵越来越显示出其在供暖制冷领域独特优势。这种高效利用可再生能源的技术正受到越 来越多专家和相关研究人员的关注。 作为自然界的现象，正如水由高处流向低处那样，热量也总是从高温流向低温。如 同采用水泵可以把水从低处提升到高处那样，人们也可以把热量从低温抽吸到高温，这 种机器就是热泵。广义上说，凡是可以在低温环境下吸取热量，并将其能位提高后，向 高温环境输出热量的装置或机械都可以称作“热泵”。所以热泵实质上是一种热量提升 装置，它本身消耗部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，提高温位进行利用， 而整个熟泵装置所消耗的功仅为供热量的三分之一或更低，这也是热泵的节能特点。 1 1 3 水源热泵的发展进程 水源热泵技术的发展经历了一个多世纪。1 8 2 4 年卡诺首先提出热力学循环理论； 1 8 5 2 年开尔文具体提出了热泵的设计思想：1 9 1 7 年德国卡赛伊索达制造厂首次把热泵 应用于工业生产上；随后，由于技术和经济上的原因，热泵的发展有所停滞。2 0 世纪 5 0 年代，随着科学技术的飞速发展，电能成本的大幅降低，燃料价格的不断上涨，加 上精密工业和公共建筑的大量需求，国外对热泵又开展了积极的研究，并有了较大的发 展。7 0 年代以来，欧洲各国和前苏联、日、美、澳等国均投入了大量的资金致力于更 经济、更先进的新型热泵的开发。我国热泵技术发展较为落后，且最初发展缓慢。”8 1 2 0 世纪5 0 年代，天津大学热能研究所吕灿仁教授开展了我国热泵的最早研究，1 9 6 5 年研 制成功国内第一台水冷式热泵空调机。六、七十年代由于众所周知的原因，热泵的研究 也停滞不前。2 0 世纪8 0 年代初，随着经济发展和人们生活水平的提高，能源问题变得 3 北方工业大学学位论文 突出，为了节约能源和有效利用能源，国内部分高校和科研院所如清华大学、北方工业 大学、天津大学、重庆大学、山东建工学院、中国科学院广州能源研究所等对热泵进行 了大量研究，并取得了显著的成果。热泵技术作为一项“绿色技术”，能有效缓解中国 对煤炭和石油的依赖程度，从而达到能源资源多元化的目的。 在水源热泵研究中，压缩机、换热器、水源控制等不同构件的匹配，是需要解决的 问题。如何才能高效节能的运行，也面临着很多问题。各地区地质、环境温度、建筑条 件等差异也左右着水源热泵的能效发挥。进行水源热泵的优化设计，是水源热泵工程应 用中面临的重要课题。 尽管组成水源热泵的机组部件设备很多在经过数十年发展后，其制造技术已经比较 成熟，但一个水源热泵系统工程的成功运行，除了高性能的机组和满足相应的水源条件 外，还涉及到系统的组合形式、总体设计等方面的问题。这些问题包括水源热泵系统优 化设计方法的研究；能量介质的温差与流量的合理利用：高寒应用水源热泵系统的冬季 冻结和机组压力等。另外，水源热泵取水方式和耐腐蚀设备的选择等基础技术研究；住 宅水源热泵系统的外网运行费用分担问题等等都需要科学地解决。 9 ”1 而这些问题随着 实际环境的变化而变化，不可能一蹴而就，必须结合理论和实践两方面来加以研究。 1 2 国内外研究现状 作为项应用技术的研究，水源热泵技术的发展，离不开其应用的广泛性和经济性。 国内外对水源热泵的研究也是通过对水源热泵技术不断进行优化来根据不同的实际应 用环境改善其技术经济性能。 1 2 1 国外研究现状 在国外，关于水源热泵的研究分属于两种热泵系统：一种为地源热泵，一种为海水 热泵。其中发展最迅速的当属地源热泵，其真正意义的商业应用只有二十多年的历史。 美国地源热泵工业已经成立了由美国能源环境研究中心( e n e r g y e n v i r o n m e n t a l r e s e a r c hc e n t e r ) 、美国地下水资源联合会( n a t i o n a lg r o u n dw a t e ra s s o c i a t i o n ) 、 爱迪生电力研究所( e d i s o ne e c t r i ci n s t i t u t e ) 及众多地源热泵制造设计销售公司 4 北方工业大学学位论文 以及政府机构和建筑商等1 4 6 家成员组成的美国地源热泵协会，该协会在近年中将投入 一亿美元从事开发、研究和推广工作。美国现在每年安装的4 0 万台地源热泵中，水源 热泵占1 5 。美国的水源热泵的研究和应用偏重于住宅和商业小型系统( 2 0 r t 以下) ， 多采用水一空气系统。在大型建筑方面，美国推行w l h p 系统，即水环热泵系统。 与美国的地源热泵发展有所不同，中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主 要利用浅层地热资源，地下土壤埋盘管( 埋深 。，因此热泵作为取暖用时的c d p 系数恒大于1 即热泵的能量输出大于输入，而消耗煤、石油、天然气以及直接用电取暖时的热效益小 于l ，这就是热泵的节能原理。 c 0 p 越大，节能效果越好。从( 2 3 ) 式中可以看出，降低输入功率缈和提高从热源 1 1 北方工业大学学位论文 中吸取的热量g 会提高c o p 的数值。f 面从数学的角度给出商、低温热源对c o p 的 影响。 根据图2 2 ，c o p 的表达式改写为： c o p ：坠丝2：j二(2-4) t ( d c ) 一t o ( d c ) t t o 将( 2 4 ) 式关于冷源的温度乃求导，得到： i o c o p ：点 ( 2 5 ) a 瓦( t 一兀) 2 、 可见( 2 - 5 ) 式恒大于零，这说明性能系数c o p 随着低温热源的温度增高而增大， 随着低温热源的温度降低而减小。 将( 2 4 ) 式关于热源的温度丁求导，得到： i o c o p ：一i ( 2 - 6 ) 一一 l a r ( r 一7 o ) 2 可见( 2 6 ) 式恒小于零，这说明性能系数c o p 随着高温热源的温度r 增高而减小， 随着高温热源丁的温度降低而增大。 一脚e 砌知i 筹i l 警i ，此式删源黻拙徽的 影响大于高温热源温度对性能系数的影响。因此，应尽可能采用较高温度的低温热源。 2 2 水源热泵技术经济分析 水源热泵相对于其他供暖制冷系统，从原理到应用上均独具特色，具有鲜明的技术 特点。 首先，水源热泵技术以水为载体提取土壤以及水中的热量。地表土壤和水体每年接 收的太阳能数百倍于人类每年利用的能源，这些能源的一部分通过土壤传递给地下水 体：同时，地下水体还能通过太阳能辐射直接或间接地补充能量，这相当于间接地利用 近乎无限的太阳能。因此可以说，水源热泵利用的是清洁的可再生能源。 1 2 北方工业大学学位论文 其次，水源热泵技术是一种高效环保节能技术。水源热泵机组可利用的水体温度长 年保持在i o 。c 2 5 c ，在冬季，地下水温度比环境空气温度高，所以热泵循环中的温 度乃提高，能效比也提高。在夏季，水源热泵制冷与常用的分体空调和中央空调不同， 地下水温度比环境温度低很多，所以制冷系数高，使得冷却效果好，冷却效率高。1 1 9 l 常见的制冷空调夏天要把热量排放到温度更高的室外，制冷系数低。水源热泵机组供热 时省去了传统的锅炉房系统，没有燃烧过程，避免了排尘污染；供冷时省去了冷却塔噪 音及霉菌污染以及向大气中排放热量而造成的“热岛效应”，是一种真正的节能环保绿 色产品。 水源热泵既能供暖又能制冷，既环保又节能，但水源热泵是否具有经济竞争性仍然 是一个非常关键的问题。由于涉及的因素很多，不同地区，不同能源结构及价格等都将 直接影响水源热泵的经济性，这里仅通过对同一环境下水源热泵与传统的制热制冷方式 进行比较，探讨其经济性。 2 2 1 经济指标 作为一种新技术，用户首先关心的是技术的可靠性，其次是经济性。水源热泵技术 在我国从总体上讲落后于西方先进国家，有热泵本身的技术问题，同时也缺少对热泵进 行的经济效益分析。水源热泵经济性可以和传统燃煤、天然气锅炉、热电厂等供暖设备 和分体式、中央式制冷机等制冷设备进行比较，评价的主要指标有：初投资、年总成本、 年经营成本等相关经济参数。” 1 、初投资：指供暖制冷系统各部分投资之和，包括有：能量投资，如电力增容费， 变电站、电线、电缆及电气安全保护设备等：水源热泵主机组投资；热( 冷) 量输送设 备投资，如水泵，阀门，管材，风机，风机盘管，保温材料，分水器等；土建费、安装 费及其它费用( 包括设计费、监理费和不可预见费) 。 2 、年总成本：指系统各部分的运行费，如水费、电费、燃料费：润滑油、制冷剂 等易耗损件的补充与更换费用；排污费；管理人员工资、管理费；设备折旧费和设备维 修、大修费等。水源热泵机组总体上按1 5 年来进行设备折旧。1 7 3 、年经营成本：指年总成本中扣除设备折旧费。 1 3 北方工业大学学位论文 4 、单位面积经营成本：用年经营成本除以供暖或制冷面积来计算。 5 、单位热( 冷) 量经营成本：用年经营成本除以供暖累积热负荷或制冷累积冷负 荷来计算。 2 2 2 计算条件 l 、 选取北京某住宅楼为计算对象，制暖热指标取4 5 w m 2 ，制冷指标取7 5 w m 2 ， 总面积为1 2 0 0 0 m 2 ，总冷热负荷为7 5 0 k w 。 2 、水源热泵冬季制热系数4 2 0 ，夏季制冷系数4 7 0 ，常规制冷系数取3 4 0 。 3 、常用的供暖制冷联供方案有： 方案l ：分体空调制冷加煤( 燃气) 锅炉采暖。 方案2 ：电制冷加城市集中供暖。 方案3 ：水源热泵。 4 、经济参数有：地下水资源费，电价，各种燃料的热值及价格，软化水费，排污 费，工人工资，利率，设备使用年限等。 表2 - 1 煤和天然气的相关数据 指标燃料( + )热值( k c a l + )效率单价( 元掌) 煤( k g ) 5 0 0 00 7 00 3 0 天然气( m 3 ) 8 5 0 0o 8 51 8 0 5 、供热系统热网输配效率为0 8 5 ，锅炉效率为o 5 5 。 2 2 3 方案的分析比较 在下面的分析计算中，水源热泵的经济指标来源于我们的水源热泵系统，传统中央 空调、分体空调等常规制冷系统和锅炉、热电联供等供暖系统的经济指标则参考了一些 典型实例和经验数据。 1 、初投资比较。 初投资中包括了从冷热源到管网到室内终端的所有投资项。计算时，考虑的费用中， 安装费1 5 ，运行调试费5 ，税及管理费5 ，设计费2 和利润1 0 。如图2 3 为根 1 4 北方工业大学学位论文 据供热( 冷) 面积计算的投资比较图。 图2 3 初投资比较 窄调 热电厂供暖 从图2 3 可以看出，由于水源热泵既可供暖又可制冷，一机两用，一次投资全年使 用，从功能上相当于其他供暖加制冷系统共同作用，因此水源热泵的初投资相当于与其 他供暖加制冷系统的总投资相比较。煤锅炉与天然气锅炉的初投资相近，合为一种。方 案3 水源热泵的初投资与方案2 电制冷加热电厂采暖的初投资相近，约2 4 0 元，m 2 ，低 于方案1 锅炉加制冷系统约2 8 0 元i n 2 的总投资。 2 、运行成本比较。 对于供暖情况，下面以加热1 0 0 0 0 k c a l 热量所需的费用做一个综合比较： 用热泵机组时，根据热泵的c o p 值为4 2 可得耗电量为2 7 6 k w ，电费平均价格 按0 5 元k w h ( 北京地区) 计算，则总电费为2 7 6x0 5 元= 1 3 9 元。 用煤加热时，取煤的燃烧系数为0 7 ，则所需的燃料为2 8 6 k g ，煤价按0 3 元k g 计算，则总费用为2 8 6x0 3 元= 0 8 6 元。 用天然气加热时，取天然气的燃烧系数为0 8 5 ，则所需的燃气量为1 3 8 m 3 ，燃气 价格按1 8 元m 3 计算，则总费用为1 3 8x1 8 元= 2 4 8 元。 根据上面的计算，我们可以得到关于供暖运行成本的明确的结论。尽管水源热泵的 动力费用与电价有直接的关系，而且其他加热方式供暖时燃料的价格也有波动，但总体 而言费用是相对稳定的。实际工程中，大面积应用时，煤锅炉供暖成本最低，低于1 0 1 5 北方工业大学学位论文 元m 2 ；其次是水源热泵，约1 2 元m 2 ；天然气锅炉的供暖成本在2 0 元m 2 以上。以水 源热泵为基准比较各方案供暖成本，煤锅炉比水源热泵低2 0 左右，而天然气锅炉则比 水源热泵要高5 0 以上。图2 4 是以上几种方式供暖运行比较。 投资：万元 天然气锅炉供暖 永源热泵 煤锅炉供暖 对于制冷情况，普通中央电制冷机制冷成本约1 7 元m 2 左右，分体式空调的制冷成 本在1 8 元m 2 以上，而水源热泵制冷成本低于1 2 元m 2 。如图2 5 所示。 投资：万元 1 5 1 0 5 图2 5 制冷运行成本比较 合成总运行成本，方案3 水源热泵运行成本低于1 2 元m 2 ，方案2 电制冷加热电 厂采暖成本约为1 4 元m 2 ，方案1 分体空调制冷加煤( 燃气) 锅炉采暖大于1 6 元，m 2 。 如图2 6 所示。 1 6 西 加 u m ， 北方工业大学学位论文 投资：万，c 2 5 1 5 1 0 5 图2 6 总运行成本比较 分体式卒调加锅炉采暖 常规制冷加热电厂采暖 水源热泵 由于单冷空调经济性明显低于水源热泵，所以燃煤锅炉供暖加单冷空调方案的经济 性要低于水源热泵一体化供暖制冷，说明了水源热泵一机两用，既供暖又制冷的经济优 势。对水源热泵方案与其他方案的综合经济性进行比较，可以得出水源热泵确实具有明 显的优越性。 按单位供热( 冷) 量系统投资来计算，水源热泵方案约为4 2 0 0 元l 【w ，而燃煤锅 炉供暖加单冷空调方案约为4 7 0 0 元k w 。按照单位热( 冷) 量收费标准计算，对经营 者来说，供应的热( 冷) 量越多，所收取的费用将越多，并且供暖制冷的成本相对越低， 因此其经济效益将越高，这类似于电力的供应，电厂供应的电力越多，效益将越高。因 此不同建筑物，不同的供熟( 冷) 量，经营者的经济效益将不同，不能照搬本文的计算 结果。应针对具体的建筑物类型、用途，当地的气象资料，当地的各种能源价格及供暖 空调的收费标准来进行最优经济方案可行性分析。o “”1 对传统的“单位面积收费标准”，由于需要供应的建筑物面积是确定的，向用户收 取的采暖空调费用也是固定的，因此对于经营者来说，供应的热( 冷) 量越少，其效益 就越高。这与“计量收费”的效果正好相反，但采用“计量收费”是有利于用户和有利 于节能的。 1 7 北方工业大学学位论文 2 2 4 其他的技术经济数据 同种条件下的各种方案的技术经济数据的可比较性差异较小，但由于建筑类型和气 候条件的不同，表现出来的技术经济数据也会有很多差异。其他一些科研院所也根据各 自的具体情况进行了相关的技术经济数据分析。建设部会同建研院空调所对北京地区某 住宅建筑采用不同供热方式的运行费用进行了实测，表2 2 是汇总后的水源热泵系统与 其它常用供暖制冷方式运行费用比较表。 表2 - 2 水源热泵系统与其它常用供暖制冷方式运行费用比较 每平米造价热指标= 5 5 w m 2 时热指标= 2 8 w m 2 时 供暖方式各注 ( 元m 2 )运行费( 元m 2 )运行费( 元m 2 ) 燃煤集中锅炉房供热 1 4 5 1 7 71 5 3 87 6 9 末端为散热器 热电联产供热2 0 0 2 1 01 0 35 3初投资为挂网费 分户燃气供热 1 2 0 1 5 02 1 31 0 9 7 末端为散热器 分散燃气锅炉房供热1 0 0 1 0 52 9 61 5 2 7末端为散热器 电热膜供热 1 6 04 6 62 4 1 水源热泵供热1 0 0 1 5 01 2 8 56 4末端为散热器 从表2 2 可以看出，上述六种供暖方式中，水源热泵在热指标= 5 5 w m 2 时运行费为 1 2 8 5 元m 2 ，在热指标= 2 8 w m 2 时运行费为6 4 元m 2 ，远低于除了热电联产供热之外的 另外四种方式，而热电联产供热单位面积的造价投资则远远高于水源热泵，体现了水源 热泵的优越性。1 表2 3 是转载自北京青年报的几种供暖方式采暖期( 1 3 0 天) 能源消耗费用比较表： 表2 - 3 几种供暖方式采暖期( 1 3 0 天) 能源消耗费用比较表： 供暖方式能源( 燃料)价格( 人民币)燃料耗量m 2燃料费用 使用效率费用比例 燃煤锅炉煤 0 2 5 元k g3 4 7 蚝 8 6 8 元 n 27 0 1 燃气锅炉天然气1 8 元，m 31 7 9 m 33 2 2 元，f n 28 8 3 7 2 燃油锅炉轻柴油3 0 6 元几1 9 2l5 9 元 n 2 8 5 6 8 电锅炉 电0 3 9 3 元 【啪1 6 2 5k w h6 3 9 元m 29 6 7 3 6 水源热泵电0 3 9 3 元k 帅3 8 1k w h 1 5 元m 24 4 0 1 7 1 8 北方工业大学学位论文 表2 3 中的数据与表2 2 中的数据略有差距，其中燃煤锅炉供暖成本比水源热泵略 低，但显然燃煤锅炉的环境效益是极差的，远不如水源热泵那样具有环保效益。 除了上面的分析和列表外，我们还可以得到一些其它关于运行成本和投资费用的比 较。综合这些比较，我们可以看到，由于水源热泵既能制冷，又能供暖，一机两用，总 投资费用相对于分别供暖制冷的系统来说相对较少。在维护方面，只需要单一方式维护， 供暖制冷的切换非常简便，降低了维护费用，而另两种方案则需要维护两套设备，加大 了维护费用以及维护的复杂性。加上水源热泵极好的节能环保效果，其技术经济优越性 更显突出。 1 9 北方工业大学学位论文 第三章新型水源热泵的优化设计与研发 作为- - f 3 发展中的技术，水源热泵系统的优化设计是十分重要的。系统的优化离不 开部件的优化。压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀是组成热泵系统的四大部件。其中压 缩机为核心部件，蒸发器和冷凝器本质上都是直接关系到能量利用效率的换热器，而膨 胀阀则是热泵循环工质节流降压不可缺少的部件。优化的目的，是开发一种新型的热泵。 这种热泵应该具有较高的能效比，具有较高的性价比，具有更可靠的质量保证，具有更 长的使用寿命，具有方便用户的操作监控系统，具有更少的故障率和无人值守的运行方 式，以及具有更低廉的运行费用。 3 1 压缩机匹配设计与性能分析 3 1 1 压缩机的性能分析 根据热力学原理，压缩机可分为容积型和速度型两大类。容积型压缩机从结构上分 为往复活塞式和回转式两种，回转式又可分为滚动转子式、滑片式、螺杆式( 又称双螺 杆式) 、单螺杆式和涡旋式等。目前在大型制冷和热泵中应用比较多的是活塞式和螺杆 式压缩机。 往复式压缩机作为问世最早，至今仍在广泛应用的压缩机型。由于其在可靠性、容 积效率、压力稳定性等方面相对于其他形式压缩机的劣势，其市场份额已渐渐被其他形 式的压缩机占去。 滚动转子式压缩机的发展历史仅有六十余年，现在主要用于小容量( o 3 5 k w ) 系 统，如家用电冰箱和空调器。 螺杆式压缩机结构紧凑，能适用于大压比的工况，对湿行程不敏感，有良好的输气 量调节特性，主要用于中大型冷量系统，但其价格昂贵，且噪声比较大。目前在冷水机 组中应用得比较多，但能适用于冷凝温度比较高的热泵的螺杆压缩机并不多。 离心式压缩机主要用于大冷量系统( 大于1 5 0 0 k w ) ，这主要是受益于在这个范围内 它具有无可比拟的系统总效率。 2 0 北方工业大学学位论文 近年来，涡旋式压缩机由于其效率高、噪声低、运转平衡而受到了重视。它利用涡 旋转子与涡旋定子的啮合，形成多个压缩室，随着涡旋转子的平动回转，使各压缩室的 容积不断变化来压缩气体。涡旋式压缩机不需进、排气阀，且工质在涡旋体中流速较低， 可以在1 3 0 0 0 9 0 0 r r a i n 的范围中较好运转。由于涡旋式压缩机可以采用轴向和径向的柔 软密封，不仅提高了密封性能，大大提高了容积效率，而且对湿行程也不敏感，这对热 泵在高压下运行时，采用喷液冷却压缩机提供了方便。”2 4 “ 水源热泵使用的压缩机由于其进行热交换的水源温度并不太低，所以，其需要承受 的机械负荷不高，但由于需要系统长期运行，所以要考虑所选用的压缩机有足够的可靠 性。 3 1 2 压缩机的匹配设计与热泵开发 压缩机作为水源热泵的核心，对系统的运行性能、噪声、振动和使用寿命等有着决 定性的影响。压缩机的设计由蒸发温度、冷凝温度、压缩比以及工质的流量决定。压缩 比确定了压缩机的大小，而由工质的流量则可确定压缩机的额定排气量，以蒸发温度和 冷凝温度为依据，在压缩机的性能曲线上可以得到压缩机的功耗。由于工质在压缩机内 部流动时存在热交换和流动阻力等一系列损失，造成压缩机排气量下降、功耗增加，从 而导致热泵循环性能下降，因此设计时，将额定排气量适当加大，以确保热泵在良好的 环境下运行。“ 为了选择适合于水源热泵的压缩机，我们最初试用了美国布里斯托公司生产的全封 闭活塞式等多种规格的压缩机，但在实际应用中，能效比、性价比不太理想。随着近年 来涡旋式压缩机的发展，通过对比分析，我们选择了涡旋式压缩机。 涡旋式压缩机的优点可以从其结构上体现出来。由于压缩室是由一对涡旋盘形成， 回转半径很小，只有几毫米，且不需要吸气阀和排气阀，所以反复冲击部分小，想对滑 动速度低，零部件数量少，减小了震动，降低了噪声，提高了可靠性。另外，涡旋式压 缩机同时对称地形成几个压缩室，没有余隙容积，所以扭矩变化小，内部泄漏、通道损 失少、容积效率高，因而效率高，体积小，重量轻。 虽然目前涡旋式压缩机还没有超过2 5 k w 的大功率单机，如何解决涡旋机单机功率 2 l 北方工业大学学位论文 小的问题，是制约涡旋机应用于大型水源热泵的一个关键问题。因此，新型热泵的设计 与开发主要需要解决多台涡旋机并联使用的问题，满足更大功率制冷、制热量的要求。 我们开发的大型热泵系统主要采用d a n f o s s