西藏地区使用水源热泵时供暖末端装置的选择分析

西藏地区使用水源热泵时供暖末端装置的选择分析摘要：本文针对西藏地区使用地下水源，水源热泵为制热装置时，末端装置的合理选择问题进行了分析研究，给出了不同方式的优缺点及其初投资和运行费用的技术经济分析。关键词：水源热泵散热器风机盘管初投资运行费用经济分析０.前言水源热泵进行供暖的工作原理为：冬季从水源中提取能量,也就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,采用热泵原理,通过空气和水作为载冷剂提升温度后送到建筑物中。由于西藏地区缺煤少油，常规能源非常缺乏，一直困扰着西藏的经济发展，严重的电力不足制约着拉萨及周围地区的工农业发展。但西藏却有丰富的水力、地热、太阳能和风能等资源，其地下水比较丰富,它与河湖等地表径流的关系十分密切,全区地表径流约有30%系由地下水补给,因此,文中选用水源热泵的水源为地下水,并进行回灌。普通供热末端装置一般为风机盘管和散热器两种形式，本文将对这两种装置的优缺点进行分析并对这两种系统进行经济性分析，从而得出哪一种方式更适合西藏地区的供暖需要。1.末端装置的类型及其特点1.1风机盘管1.1.1风机盘管的优点①风机盘管空调系统由于布置灵活,节省建筑空间,对于不同建筑平面的布置形式都可以适应。②在温度控制方面,分散分布的风机盘管有利于不同朝向的房间就地控制,从而使不同负荷房间的温度基本平衡，各空调房间可独立地通过风量、水量(或水温)的调节,改变室内温湿度,当房间无人时可关闭风机盘管机组而不会影响其它房间,节省运行费用。③风机盘管出风有一定风速，所以室内气流分布均匀，流动较快，热交换充分，可以使房间在短时间内完成预热。1.1.2风机盘管的缺点：①风机盘管送回风口必须装空气过滤器，否则用了一二年以后表冷器就积满灰尘，影响表冷器的传热效果，而且过滤器要定期清理，否则室内空气品质要下降。②西藏地区由于其特有的地理环境及技术经济的相对落后，将给与风机盘管产品相配套的售后产品维护和维修带来较大的困难。1.2散热器1.2.1散热器的优点①散热器作为供热末端装置，其运行费用很低，因为风机盘管运行时风机要消耗电能来使风机转动，而散热器不需要，节省了很多运行费用。②散热器相对价格比较低廉，且安装简单，维修方便。1.2.2散热器的缺点：①散热器供暖靠辐射对流，室内气流分布不太均匀，热交换不是很充分，所以相对风机盘管来说，其预热时间较长，如果房间为间断供暖，由于其预热时间长，所以一般散热器为全天供暖，造成能量的浪费。②由于水源热泵提供热水，所以供水温度不太高，散热器的供回水温差不能取太大，这样使散热器传热效果下降。2.末端装置的选型2.1风机盘管的选型2.1.1选型方法风机盘管有两个主要的性能指标,即风量和热交换量。风量由风机选型确定；热交换量则与盘管的传热面积、冷(热)媒的温度和流量以及经过盘管的空气温度和流速等因素有关。一般厂家样本上都会给出风机在高中低三档下的在标况下的名义风量和名义制冷、制热量。我国行业标准JB/T4283-91《风机盘管机组》中规定:名义风量须在盘管不通水,空气进口静压差为零的条件下进行测定。但是风机盘管的使用条件显然不同于测试条件:实际情况往往是风机盘管需加装进、出口短管,回风格栅需加装过滤器,使实际应用系统风的阻力增大,导致名义风量下降,从而造成供冷供热不足。所以,风机盘管实际风量和冷量热量是低于名义值的。对于仅供热使用的风机盘管,一般进水温度为50℃～60℃,尽管整个系统为软水,仍有一定的积垢、积尘影响,还需要进行污垢修正。为了保证实际风量,在选用风机盘管机组时,必须具备一定的机外静压,用来克服空调系统的阻力，一般取机外静压大于20Pa。这样根据风量修正、污垢修正,一般取总的修正系数为1.3，求得盘管实际工况下的冷（热）量。当其大于等于计算冷（热）负荷时,则满足要求;当其小于计算冷（热）负荷时需增大盘管继续复核。当提供三档速度控制开关或可调速电机时,一些设计师根据中档转速的额定冷量来选择风机盘管。这种方法既保证机组在室内运行起来较安静,而且在速度提高时能增大机组容量。但同时应该看到，由于大机小用,不仅加大了系统容量,提高了工程造价,而且使冷水机组长期处于大流量小温差的不良状态下运行,这会导致系统效率低下,能耗加大,所以按中速档参数选用风机盘管,并非合理作法,仅能作为目前的权宜之计。2.1.2选型参数根据上述的选型方法，本文进行风机盘管选型时，取机外静压大于20Pa，总制热量的修正系数为1.3。2.2散热器的选型2.2.1选型方法现在使用的散热器主要有铸铁散热器，钢制散热器，铝制散热器。灰铸铁散热器虽然价格低廉，耐腐蚀，使用寿命长，但是生铁消耗太大，能源消耗太大，在供暖热量相同时，灰铸铁散热器的重量要比钢制散热器的重量约高出两倍。现今，已经向新型铸铁散热器发展，采用新技术向轻型化，美观化发展。钢制散热器是发展方向。因为钢制散热器具有很多特点：重量轻、承压高，热工性能好，节材节能；装饰性强；安装和维护方便，生产条件好，易机械化、自动化，产品质量稳定，不污染环境。钢制散热器已列为国家重点推广计划，到2010年时，将达到“以钢为主”。铝制及复合陶瓷板式散热器，此类散热器适应潮流，价虽高，但K值也高，金属耗量低，耐腐蚀性强，美观寿命长，一般只使用装修标准高的房间。2.2.2选型结果由《西藏地区供暖用水源热泵和散热器的初投资经济性分析》可知，对不同类型的散热器，在满足水阻力损失的要求下，应优先选用闭式钢串片和高频焊翅片管，而且工业企业及民用适应性极强，尤其适应高湿、腐蚀及恶劣条件下的化工企业，其K值虽不高，但金属热强度高，经结合比较，其价格性能比最佳，且工程造价也较低。经计算选用闭式钢串片GCB120-1型。3.系统形式3.1热泵水源热泵机组的制热系数随着出水温度的升高而降低，出水温度每升高1℃，制热系数降低1.5%。因此，水源热泵机组出水温度越高，要获取相同的热量，机组的功率就会增加，容量增大，热泵的初投资就会提高；而且，随着出水温度的增加，获取相同的热量，热泵的耗电量将会相应增加，因此，运行费用也要增多。3.2风机盘管供暖末端为风机盘管时，结合热泵和风机盘管的初投资，一般取热泵的出水温度为４5℃。这样热泵的初投资较省，运行费用降低。而风机盘管的价格会高一些，不过相比水源热泵，风机盘管容易生产，价格较低。所以，综合考虑热泵与风机盘管的价格因数，取热泵的出水温度为４5℃。3.3散热器根据《西藏地区供暖用水源热泵和散热器的初投资经济性分析》，可知供暖末端为散热器时，选用低温热泵和中高温热泵，其初投资均在出水温度为55℃时为最低。所以，末端为散热器时，取热泵的出水温度为55℃。3.4系统形式分析热泵的制热系数εh可表示为：εh=Qh/P。水源热泵出水温度为４５℃时的制热系数εh为3.9，而出水温度为５５℃时的制热系数εh为3.3369，可见使用风机盘管时水源热泵的制热系数比使用散热器时的高１５％。且由《西藏地区供暖用水源热泵和散热器的初投资经济性分析》可知：水源热泵随着出水温度每升高/降低1℃,热泵单位热量价格升高/降低1.5%，可见使用风机盘管时水源热泵单位热量价格上比使用散热器时的低15%，即水源热泵的初投资上使用风机盘管时比使用散热器节省15%。热泵制热系数与其初投资成反比关系。对于低温热泵，当Tc=45℃时,热泵的单位价格为0.56元/大卡;对于中高温热泵，当Tc=75℃时,热泵的单位价格为1.242元/大卡。可知：使用低温热泵时r=0.482[1+(Tc-45)×1.5%]元／W使用高温热泵时r=1.068[1-(75-Tc)×1.5%]元／W使用低温热泵时，４５℃出水时热泵的单位热量价格为0.482元/W，55℃出水时为0.554元/W。使用高温热泵时,４５℃出水时热泵的单位热量价格为0.587元/W,55℃出水时为0.748元/W。散热器选型为闭式钢串片GCB120-1型，其一片价格为160元，有效散热面积为5.72m2，K=1.29⊿T0.15W/m2.℃。取散热器的修正系数为1.2，则其单位热量价格为：R=160×1.2/[5.72×1.29(Tc-20.5)1.15]元/W可算得散热器供水温度为55℃，供回水温差为５℃时，闭式钢串片GCB120-1型散热器的单位制热量价格为０.4434元/W。风机盘管的选型，假设每个房间的热负荷均为1500W，根据上述风机盘管的选型步骤，选择型号为MCW200C的卧式暗装风机盘管。机外静压为30Pa，水流量为0.24m³/h,45℃进水温度下的制热量为1970W（大于计算热负荷1500W×1.3=1950W），风机功率为42W，价格为850元，即风机盘管的单位制热量为0.5667元/W。根据水源热泵的两种形式（低温与中高温热泵），将系统形式分为：低温水源热泵加风机盘管、低温水源热泵加散热器、中高温热泵加风机盘管和中高温水源热泵加散热器四种系统形式，要分别给予计算。由以上分析可知，低温水源热泵加风机盘管的初投资为1.0388元/W，低温水源热泵加散热器为0.9974元/W，中高温热泵加风机盘管为1.1154元/W，中高温水源热泵加散热器为1.1191元/W。可见在初投资上使用散热器的系统稍微节省，大致价格相当。运行费用上主要由热泵即风机盘管的电费和维修费用组成，假设每个房间的热负荷均为1500W，热泵45℃出水时其功率为385W，而55℃出水时其功率为449W，而风机盘管的功率仅为４２W，可见风机盘管的功率远远小于水源热泵的功率，所以可知使用风机盘管的系统时功率为４２７Ｗ小于使用散热器的系统功率为４４９W,这样其运行费用应较节省．具体计算可由下面实例给出。4.经济性分析4.1初投资西藏拉萨地区的冬季计算用采暖期室外平均温度为0.5℃，室内计算温度取18℃。例如，取某工程的总热负荷为1000KW，假设每个房间的热负荷均为1500W。表1.系统初投资价格表低温水源热泵+风机盘管低温水源热泵+散热器中高温热泵+风机盘管中高温水源热泵+散热器热泵价格（元）482000末端价格（元）566950总价格（元）1048950554000443400997400587000566950115395074800044340011914004.2运行费用由于该工程中使用的地下水为自采自用，因此运行费用中的水费不予计算；另外，本文主要对供暖末端不同的系统进行分析，为了简化起见，运行费用中的人工费用不予计算，维修费按初投资的２.５％计算。西藏拉萨地区冬季计算用采暖期为142天，进行12小时供暖，取拉萨地区电费为0.5元/千瓦时。计算结果见下表。表2.系统运行费用比较低温水源热泵+风机盘管低温水源热泵+散热器中高温热泵+风机盘管中高温水源热泵+散热器热泵电费（元）218461末端电费（元）23868维修费（元）26224运行费（元）268553257013/249352819482184612386828849271178257013/297852867984.3年度总费用年度费用，考虑现金流量的年度等值为年度费用，以A表示。计算公式为：A=k*[i0(1+i0)j]/[(1+i0)j–1]+c其中：k—初投资；c—运行费用；i—基准贴现率，i=12%;j—回收年限，15年；A—年度费用。表3.系统的年度总费用比较低温水源热泵+风机盘管低温水源热泵+散热器中高温热泵+风机盘管中高温水源热泵+散热器年度总费用（元）422560428390440610461720由以上数据可以看出：1.使用中高温热泵时，由于其价格高于低温热泵，所以年度费用上均高于低温热泵。2.在运行费用上，热泵的耗电量占很大一部分，所以在保证系统初投资最低，满足热负荷需求的情况下，尽量使热泵的出水温度为最低限．3.选用风机盘管作为供暖末端时，虽然其系统初投资要稍高于使用散热器的系统，而其运行费用要比使用散热器高出不少，所以年度总费用上低与使用散热器的系统，既使用风机盘管的系统节能，但没有明显高于使用散热器的系统．4．使用高温热泵比低温热泵系统年度总费用要高，主要由于其初投资要比低温热泵高很多．5．结论通过上述计算可知，使用低温热泵加风机盘管的系统在经济性上最佳，但是其经济性没有明显高于使用散热器的系统，而我们的计算是考虑维修费用均为初投资的２.５％，而考虑西藏地区的实际情况