水源热泵中央空调系统的技术应用.doc

水源热泵中央空调系统的技术应用一、概述在中国发达城市，夏季空调、冬季采暖与供热所消耗的能量已占建筑物总能耗的40-50%。特别是冬季采暖中的燃煤锅炉、燃油锅炉的大量使用，给大气环境造成了极大的污染。因此，建筑物污染控制和节能已是国民经济发展面临的一个重大问题。传统的采暖空调模式因其产生的环境污染正面临着严峻的挑战。传统的供暖空调方式是两套系统分别解决冬季供暖（如采用锅炉或集中热网）和夏季供冷（如分体空调机或中央制冷机），系统投资大，占地多。根据国家可持续发展的战略规划，需要调整广大北方地区冬季供热以燃煤为主的能源消费结构形式，开发利用可再生清洁能源。此时具有经济、节能、环保等多方面优势的水源热泵中央空调系统应运而生，弥补了中国传统的供暖空调方式存在的问题，逐渐取代了传统的采暖空调模式。在中国传统的空调系统概念中，受国家的经济发展状况和政策的影响，相当长的时期中，北方主要以燃煤锅炉解决冬季取暖问题，南方以水冷机组解决夏季制冷问题。二十世纪八十年代以后，制冷机组的方式开始多样化，出现了溴化锂机组、风冷机组等，机组容量也从原有的大中型机组过渡为大中小型机组，在二十世纪九十年代以后，对于取暖方式也开始有新的尝试和探讨，特别是随着可持续发展和公众环保意识的提高，世界和中国的能源利用结构都正在转变，由原有的煤、石油取暖过渡到了以天然气及电等清洁能源的取暖方式。虽然将以煤为主改为以天然气和电力等替代能源，但是，替代能源尽管可以部分解决大气污染的问题，可是天然气和石油等都属于不可再生的能源，从可持续发展的角度看，必须提高能源利用效率或者寻找可以再生的能源，而水源热泵机组就是比较理想的一种设备。水源热泵中央空调起源于1910年的欧洲，经过几十年的改进应用，其技术已经基本成熟，水源热泵真正意义的商业应用也只有短短十几年的历史，但发展相当迅速。如美国，截止1985年全国共有1.4万台地源热泵，而1997年就安装了4.5万台，到目前为止已安装了40万台，每年以10的速度稳步增长。1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19，其中新建筑中占30。美国计划到2001年达到每年安装40万台地源热泵的目标，其中，水源热泵占15%，届时将降低温室气体排放100万吨，相当于减少50万辆汽车的污染物排放或种植树木100万英亩，年节约能源费用达4.2亿美元，此后，每年节约能源费用再增加1.7亿美元。 与锅炉（电、燃料）和空气源热泵的供热系统相比，水源热泵具明显的优势。锅炉供热只能将90%98%的电能或7090%的燃料内能转化为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量；由于水源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为1025，其制冷、制热系数可达3.54.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的5060。因此，近十几年来，尤其是近五年来，水源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展，中国的水源热泵市场也日趋活跃，可以预计，该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。该技术于20世纪80年代进入中国，自从国家建设节约型社会的要求提出后发展迅速，近年由于能源紧缺和价格上涨得到更多用户的青睐，建设部等五部委更将其作为节能项目在国内推广使用。二、水源热泵的工作原理水源热泵技术是利用地球表面浅层水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。地球表面浅层水源如深度在1000米以内的地下水、地表的河流和湖泊和海洋中，吸收了太阳进入地球的相当的辐射能量，并且水源的温度一般都十分稳定。水源热泵机组工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到水源中，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，而冬季，则从水源中提取能量，由热泵原理通过空气或水作为载冷剂提升温度后送到建筑物中。通常水源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。在制冷模式时，高压高温的制冷剂气体从压缩机出来后进入水/制冷剂的冷凝器，向水中排放热量而冷却成高压液体，并使水温升高。到热膨胀阀进行节流膨胀成低压液体后进入蒸发器蒸发成低压蒸汽，同时吸收空气的（水）热量。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高压气体，如此循环不已。此时，制冷环境需要的冷冻水在蒸发器中获得。在供热模式时，高压高温制冷剂气体从压缩机压出后进入冷凝器同时排放热量而冷却成高压液体，到热膨胀阀进行节流膨胀成低压液体进入蒸发器器蒸发成低压蒸汽，蒸发过程中吸收水中的热量将水冷却。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高压气体，如此循环不已。此时，供热环境需要的热水在冷凝器中获得。热泵系统是一种高效、节能、节资、冷暖两用、运行灵活且无污染的新型中央空调系统。它利用空气、地表水、地下水、工业废水及地下常温土壤资源，借助压缩机系统，完成制冷（制热）。它无须任何人工资源，彻底取代了锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。它不向外界排放任何废气、废水、废渣，使人们远离粉尘、废气和霉菌，是一种理想绿色技术。目前我国利用较多的是水源热泵，就是以地下水作为冷热源体，在冬季利用热泵吸收其热量向建筑物供暖，在夏季热泵将吸收到的热量向其排放、实现对建筑物供冷。传统的暖通空调系统需要很多辅助系统或设备来完成一个完整的暖通空调功能，如冷却塔。而水源热泵系统只是通过与地下水的热交换来完成制冷或制热的效果。只应用一个硬件系统，通过在不同季节进行冷凝器和蒸发器的转换，就可以完成制冷与制热功能的转换。工作原理图三、水源热泵的特点由于水源热泵技术利用地表水作为空调机组的制冷制热的源，所以其具有以下优点：1. 属可再生能源利用技术水源热泵是利用了地球水体所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。其中可以利用的水体，包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以及海洋。地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了47的太阳辐射能量，比人类每年利用能量的500倍还多（地下的水体是通过土壤间接的接受太阳辐射能量），而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散的相对的均衡。这使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能成为可能。所以说，水源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。2. 高效节能水源热泵机组可利用的水体温度冬季为12-22，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季水体为18-35，水体温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率提高。据美国环保署EPA估计，设计安装良好的水源热泵，平均来说可以节约用户3040的供热制冷空调的运行费用。3. 运行稳定可靠水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动。是很好的热泵热源和空调冷源，水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。4. 环境效益显著水源热泵使用电能，电能本身为一种清洁的能源，但在发电时，消耗一次能源并导致污染物和二氧化碳温室气体的排放。所以节能的设备本身的污染就小。设计良好的水源热泵机组的电力消耗，与空气源热泵相比，相当于减少30以上，与电供暖相比，相当于减少70以上。水源热泵技术采用的制冷剂，可以是R22或R134A、R407C和R410A等替代共质。水源热泵机组的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。5. 一机多用，应用范围广水源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，水源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量能源，而且用一套设备可以同时满足供热和供冷的要求，减少了设备的初期投资。水源热泵可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，小型的水源热泵更适合于别墅住宅的采暖、空调。6. 自动运行水源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单的系统，部件较少，机组运行简单可靠，维护费用低；自动控制程度高，使用寿命可达到15年以上。四、水源热泵中央空调系统的工程应用项目（一）、项目工程简介鹤煤集团综合科技楼建筑面积28900m2，总高度99m，地下1层，地上23层。空调设计总制冷量：2850KW；空调设计总制热量：2460KW。原设计中央空调系统采用2台单冷冷水螺杆机组加1套板式换热器进行夏天制冷和冬季采暖。夏天制冷工况：供水温度7 ，回水温度12 ；冬天制热工况：供水温度55，回水温度50。夏天利用余热供45的生活热水。为推进循环经济、响应建设节约型社会的号召，经过考察测算后改选用螺杆式水源热泵机组两台。 （二）、项目工程投资分析（1）原设计为采用螺杆冷水机组原设计为两台单冷水机组，制冷量：1470KW/台，总投资约为300万元。市政热力网的入网费55元/m2，该部分费用为158.95万元（2）水源热泵机组两台水源热泵冷暖机组，制冷量：1473.6KW/台，总投资约为：298.9万元。其中设备及安装投资约为：244.9万元。钻探取水井投资约为54万元。采用水源热泵机组的工程投资费用可节约150万元。（三）、项目投入运行后运行费用对比分析1、设计修改前后的设备性能对比（1）原设计为采用螺杆冷水机组单台制冷量：1470KW/台，输入功率：265 KW/台,制冷性能系数COP：1470/265=5.55。板式换热机组：循环水泵输入功率：30 KW/台（2）水源热泵机组单台制冷量：1473.6KW/台，输入功率：226 KW/台,制冷性能系数COP：1473.6/226=6.52。单台制热量：1479.8 KW/台，输入功率：301.6 KW/台,制冷性能系数COP：1479.8/301.6=4.91。2、夏季运行费用分析夏天空调运行时间按90天，每天按10小时；（1）原设计为采用螺杆冷水机组冷水机组：制冷量2850KW5.55（COP）10h/d90d0.56元/ KW =258810.81元冷却水循环泵：45KW310h/d90d0.56元/ KW =68040.0元。冷却塔：22KW210h/d90d0.56元/ KW =22176.0元。其他项目相同，不计算。以上合计为：349026.81元（2）水源热泵机组热泵机组制冷量2850KW6.52（COP）10h/d90d0.56=220306.75元深井泵：22KW310h/d90d0.56元/ KW =33264.0元。水资源费用：80m3/h310h/d90d0.08元/ m3=17280.0元其他项目相同，不计算。以上合计为：270850.75元则：在夏季制冷时采用水源热泵机组可节约78176.06元2、冬季运行费用分析冬季空调运行时间按120天，每天按10小时，（1）原设计为板式换热机组循环泵：30KW110h/d120d0.56元/ KW =20160.0元。市政热力费用：4.3元/m2月428900m2=497080.0元其他项目相同，不计算。以上合计为：517240.0元（2）水源热泵机组热泵机组制热量2460KW4.91（COP）10h/d120d0.56=336684.32元深井泵：22KW310h/d120d0.56元/ KW =44352.0元。水资源费用：80m3/h310h/d120d0.08元/ m3=23040.0元其他项目相同，不计算。以上合计为：404076.32元则：在冬季采暖时采用水源热泵机组可节约113163.68元另外，周边城市的热力网收费情况比鹤壁市较高，如郑州市