水源熱泵機組空調系統的運用和選擇

豐秀桂

1 應用目標

根據國家節能的要求，水源熱泵機組越來越被廣泛的應用。

2 冷熱負荷估算

假設為辦公樓，按照辦公樓的相關職能，進行了冷熱負荷的估算，由于要考慮機組的備用情況，根據設計院的參數，我們暫先選擇兩臺小型號相應的水源熱泵機組，單臺制冷量為523 kW;制熱量為549 kW。

這樣做的優點是兩臺機組同時使用，一旦一臺機組出現問題，不影響另一臺機組的正常運行，可以負擔整個末端負荷的70%以上，同時在夜間可以啟動1臺機組低頻率運行，以達到節省的目的。

3 應用技術設計方案

3.1 方案論述

1)空調冷熱源的選用。

空調冷熱源的選擇，對于一個現代化建筑而言，是至關重要的，因為它一次性投入大，運行時間長，影響也是長遠的;它對空調系統的初投資、運行效果、運行及維護管理起著決定性的作用。

對于有豐富的自來水資源的業主，需要采用水源熱泵機組的方式運行，冬季制熱，夏季制冷，而不用打深井，節省一定的費用。同時一般水源水溫度恒定約為13℃，因此可利用這一有利條件，選用水源熱泵機組，既響應國家環保、節能政策，又節省初投資和運行費用。

使用水源熱泵機組具有以下優點:

a.主機體積小、重量輕，受外部條件限制少。

b.節能、節水:不使用冷卻水系統，避免了冷卻塔的漂水損失，節約水源。

c.環保:自來水封閉使用，無水源污染;避免了鍋爐的排煙污染，對環境無危害;避免了冷卻塔的噪聲與水污染。

d.節省投資:一套系統滿足兩種要求(供冷和供熱)，初投資低，且無冷卻塔系統的投資。

e.操作簡單，易于維護。

2)空調方式的確定。

a.根據建筑的使用功能，為了運行、管理和調節的經濟方便，建議使用風機盤管系統。風機盤管可采用臥式暗裝，不占用有效空間。

b.根據房間的具體情況，利用中央空調系統，調整風量或冷/熱量的大小，使空調區域達到舒適的標準，發揮出完善的制冷、采暖效果。

c.中央空調系統能保證全年的空調效果，充分滿足各不同空調區域的使用要求，制冷與采暖兼顧。

d.根據各房間的使用要求，可以分區域、分房間控制，以便日常的維護與管理。

e.中央空調系統易于集中管理，方便維護，運行安全可靠，冷、熱量均能滿足日常負荷的變化要求，節電、省能。

3.2 空調水系統

空調水系統為兩管制，機械循環同程式。

空調水系統管材:當管徑小于150 mm時選用鍍鋅鋼管(GB 3092-87);當管徑不小于200 mm時，用螺旋鋼管(GB 8163-87)。其連接方式為:管徑小于32 mm時用螺紋連接;管徑大于40 mm時，用焊接或法蘭連接，對接法蘭盤間墊3 mm厚的石棉橡膠墊圈。

管道彎頭的做法應符合國標 GBJ 242-82第2.0.15條之規定。為節省空間，閥門盡量采用蝶閥，當小于40 mm時采用閘板閥，其余采用蝶閥。

承壓能力均采用1.0 MPa型。

空調冷/熱水的軟化處理采用全自動軟水器，冷卻水的處理采用電子水處理儀;節省機房面積;采用落地式膨脹水箱對系統進行補水、定壓。

空調管道在安裝后為了美觀、適用，通常采用橡塑海綿保溫。其中DN100以上管道保溫厚度50 mm，DN100以下管道保溫厚度30 mm。

3.3 空調的控制

水源熱泵機組除本身的自動控制及安全保護裝置外，管路系統上設置壓力表、溫度表等測控儀表。

3.4 換熱器的設置

為了使整個系統更加安全，應該在水源與熱泵機組進行換熱前，在中間增加一個板式換熱器，這樣做的目的是防止一旦水源熱泵機組出現問題，我們可以在換熱器的換熱側有效控制，有效避免污染水源，同時通過換熱器能提取水源的溫度，達到對末端盤管的制冷與制熱效果。

4 系統能效計算分析及技術經濟分析

假設新建辦公樓建筑面積為8 000 m2，根據該項目的使用功能及空調設計要求，空調可選用如下方案:

方案一:螺桿式冷水機組+熱力管網:制冷采用制冷量為46.3萬大卡/h的RHSBW150J螺桿式冷水機組兩臺，采暖采用熱力管網。

方案二:螺桿式熱泵機組:采用制冷量為45萬大卡/h，制熱量為47.2萬大卡/h的RHSBW135HJ螺桿式熱泵機組兩臺。現就該項目兩種空調方案初投資及運行費用做一比較。

4.1 初投資(萬元)

兩方案的初投資比較見表1。

表1 初投資比較

4.2 運行費用比較

能源情況:電均價0.74元/kWh，熱力管網5.8元/m2，入網費60元/m2，地下水免費利用。

運行條件:制冷年運行天數90 d，日平均開機時間8 h/d，制熱年運行天數150 d，日平均開機時間8 h/d。

負荷系數:0.7。

方案一:螺桿式冷水機組+熱力管網。

1)制冷期間運行費用。

制冷期間運行費用=電耗量(kW)×電單價(元/kWh)×運行天數(d)×負荷系數×日運行時間(h)×機組臺數=97.4×0.74×90×0.7×8×2=72 652.61元。

2)采暖期間運行費用。

采暖期間運行費用=建筑面積(m2)×熱力管網單價(元/(月·m2))×5個月=8 000×5.8×5=232 000元。

全年運行費用為:72 652.61+232 000=304 652.61元。

方案二:螺桿式熱泵機組年運行費用。

1)制冷期間運行費用。

制冷期間運行費用=電耗量(kW)×電單價(元/kWh)×運行天數(d)×負荷系數×日運行時間(h)×機組臺數=83.1×0.74×90×0.7×8×2=61 985.95元。

2)采暖期間運行費用。

采暖期間運行費用=電耗量(kW)×電單價(元/kWh)×運行天數(d)×負荷系數×日運行時間(h)×機組臺數=112.6×0.74×150×0.7×8×2=139 984.32元。

全年運行費用為:61 985.95+139 984.32=201 970.27 元。

4.3 小結

兩方案的綜合比較見表2。

通過以上初投資、運行費用比較可以看出，選用方案二螺桿式熱泵機組運行費用最為經濟、合理。采用方案二每年可節省費用10余萬元。

5 效益及風險分析

5.1 環境影響分析

使用該生產技術可以達到:環保無污染。省去了鍋爐系統，沒有燃燒過程，不生產CO2等有害氣體，避免了排煙污染;省去了冷卻塔系統，避免了冷卻塔的噪聲及霉菌污染，使環境更加潔凈優美。

表2 兩方案綜合比較結果

5.2 應用項目推廣前景進行分析

1)應用項目的優點。

a.環保無污染。

b.節省投資壽命長。

一套系統解決冷、暖、浴的供應，安裝簡單、節省投資費用，運行壽命達到20年以上。

c.高效節能。

無論冬季還是夏季，每投入1 kW電能均可得到5 kW左右的熱能或冷能。能源利用效率遠高于其他形式的中央空調系統。

d.應用范圍廣。

除了從土壤或地下水提取能量，水源熱泵機組還可以從工業廢水、污水、中水、湖水、海水中提取能量，廣泛地應用在民用建筑采暖、冷暖空調、工業企業冷凍、冷藏、冷卻、加熱等領域，從而節約了大量采暖、供熱、供冷能量。

e.運行穩定安全。

水源熱泵從溫度相對恒定的水源中提取能量，相當于汽車以經濟時速在高速公路上行駛，平穩而安全，故障率較低。

f.節省運行費用。本系統最大特點是節能減排，利用可再生能源。無論冬季還是夏季，運行費用只有傳統供冷供暖方式的1/2～1/3。

2)綜上所述，采用水源熱泵在今后會大量的使用。目前，國內的清華大學、天津大學、重慶建筑大學、天津商學院、中國科學院廣州能源研究所等多家大學和研究機構都在對水源熱泵進行研究。其中中國科學院廣州能源研究所等單位還多次召開全國性的有關熱泵技術發展與應用的專題研討會，清華大學經過多年的研究在多工況水源熱泵領域已經形成產業化的成果，建成數個示范工程。

5.3 風險分析

采用水源熱泵調節室內的溫度，操作技術簡單、使用方便，基本沒有任何風險。

[1]胡麗華.熱回收水源熱泵的設計與節能分析[J］.山西建筑，2010，36(11):196-197.

[2]韓 君.淺談河水源熱泵在山西太原市應用的展望[J］.山西建筑，2011，37(9):133-134.