水源熱泵空調系統的優化設計及技術經濟分析

孫呼平

摘要：本文分析了水源熱泵的工作原理和優勢。結合工程實例，對熱泵空調系統的優化設計進行了探討，并且對技術經濟信息采用表格形式進行了分析。

關鍵詞：水源熱泵空調系統；優化設計；技術優勢

前言

水源熱泵技術是一種以淺層地熱資源為主要能源，通過先進空調設備將地下的低位能量進行開發利用，成為可利用高位能、既能供熱又能制冷的高效節能空調技術。此系統以地能為冷熱源、以電能為輔助能源，開發利用地下低位能量，通過先進的水源熱泵機組將其變為可利用的高位能。水源熱泵利用的幾種方式主要包括地下水熱泵（地源熱泵）、江河湖水源熱泵和土壤熱泵。水源熱泵整機是由微電腦控制，無須專人值守，自動平衡能量需求，使機組始終處于最佳經濟運行狀態。該系統具有很高的能效比（1：5～1：6）。

1水源熱泵技術的優勢

我國地熱水資源極為豐富，利用熱泵技術將地熱水的低品位熱能提高到40～45℃的高品位熱能將可以大大提高地熱能的利用效率，對于調整我國目前的能源結構、走出一條可持續發展的新型工業化道路具有重要意義。水源熱泵技術具有以下優勢：

（1）水源熱泵技術利用地球水體所儲藏的太陽能資源作為冷熱源進行能量轉換。地表土壤與水體不僅是一個巨大的太陽能集熱器，收集47%的太陽輻射能量比人類每年利用能量的500倍還多，而且還是一個巨大的動態能量平衡系統，地表土壤與水體自然保持能量接受和發散的相對均衡。水源熱泵利用儲存于其中的近乎無限的太陽能或地能作為冷熱源，是典型的清潔可再生能源，取之不盡、用之不竭。熱泵系統進行能量的轉換利用，節能環保。

（2）高效節能。水源可利用水體溫度四季為16-20℃，冬季水體溫度比環境空氣溫度高，所以熱泵循環蒸發溫度提高，能效比也提高。夏季水體溫度比環境空氣溫度低，所以制冷冷凝的溫度降低，使冷卻效果好于風冷式與冷卻塔式，機組的效率提高。美國環保署EPA估計，設計安裝良好水源熱泵，平均可以節約用戶30～60%的供熱制冷空調運行費用。

（3）運行穩定可靠。水體溫度一年四季相對穩定，波動的范圍遠遠小于空氣的變動，是很好的熱泵熱源與空調冷源，水體溫度較恒定的特性使運行更可靠、穩定，保證了系統的高效性和經濟性。

（4）冬季運行不需要除霜，減少了結霜和除霜的損失，同時避免了空氣源熱泵冬季除霜的難點問題。

（5）環境效益顯著。水源熱泵使用電能，電能本身是一種清潔能源，在發電時，消耗一次能源并導致了污染物與二氧化碳溫室氣體的排放，所以節能設備本身就是減小了環境污染。水源熱泵的電力消耗和空氣源熱泵相比，相當于減少了30%以上，與電供暖相比相當于減少了70%以上。水源熱泵運行沒有任何污染，可建造在居民區內，沒有燃燒、排煙，也沒有廢棄物，不需堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。

（6）自動運行。由于運行工況穩定，可以設計簡單的系統，部件相對較少，機組運行簡單可靠，維護費用低；自動控制程度高、壽命長，可達到20年以上。地源中央空調不受室外空氣的影響，即使在室外環境溫度-30℃時，也能進行正常的制熱運轉，達到室內溫度要求。溫度的檢測應在系統連續安全運行24h后測定。

2水源熱泵系統方案的技術經濟分析

本文以上海地區某小區為例，結合住宅與商業的負荷情況及小區建設特點，冬、夏季均由水源熱泵機組來承擔空調負荷，夏季為末端提供7/12℃的冷凍水，冬季末端提供45/40℃的熱水。對于系統方案的經濟性計算，初投資和運行費用與常規空調系統（電制冷+燃氣鍋爐）進行了分析和比較。

2.1設計參數

小區內住宅設計為新型節能建筑，單位建筑面積冷負荷與熱負荷分別按45W/㎡和40W/㎡進行概算，系統冷熱負荷概算結果見表1。

2.2設備選型與初投資

2.2.1水源熱泵機組

本方案采用了2臺水源熱泵機組（單臺制冷量為1312kW、制熱量1257kW），用于夏季制冷與冬季供熱。主要設備與初投資選型如表2所示。

2.2.2燃氣鍋爐+螺桿冷水機組

本方案采用了2臺螺桿式冷水機組（單臺制冷量為1406kW），用于夏季制冷，2臺燃氣鍋爐（單臺制熱量為1400kW），冬季供熱。主要設備的選型列于表3。

2.3運行的費用分析

年運行費用按冬夏兩個季節計算，夏季的運行按照每天運行18h、運行150d，冬季的每天運行為18h、運行90d算。綜合考慮設備同時使用的系數0.8。本工程上海地區電價政策：06：00～22：00為0.61元/kWh，22：00～06：00為0.30元/kWh，天然氣2.2元/m3，進行年運行費用分析，結果如表4所示。

2.4經濟的比較

對兩種空調方案初投資及運行費用進行分析，結合兩種不同的空調方案特點，分析結果如表5。

（1）初投資。水源熱泵空調的系統冷熱源部分單位建筑面積初投資為91 23元/㎡。常規空調系統冷熱源部分單位建筑面積初投資為71.55元/㎡。

（2）年運行費用與投資回收期：水源熱泵機組單位建筑面積年運行費用21.27元/㎡，在同樣的供熱和制冷負荷條件下，比常規空調分別降了23%。投資回收期為4年。水源熱泵空調方案在投資回收期過后，每年為業主節省的運行費用即為凈利潤。系統按15年運行期考慮，節省運行費用而產生的總利潤為33.4萬元；水源熱泵系統所需要維護的設備較少，維護費用更低。

3水源熱泵系統對環境的影響

從水源熱泵系統的原理可知，水源熱泵空調系統對長江水的利用僅限于熱量的提取和轉換，在使用過程中嚴格限制對長江水進行任何的化學處理。

有限的處理也僅限于對其進行過濾、沉淀以及加熱冷卻等物理處理，長江水的成分在整個使用過程中沒有發生任何變化，因此水源熱泵系統運行不會給長江水造成污染。

4結論和建議

水源熱泵空調系統具有效率高、節能、環保等優點，水源熱泵空調系統技術與產業化已經成熟，通過技術經濟分析，不僅技術上可行，經濟上也很合理。根據所作的概算，水源熱泵的初投資比常規空調稍高，但運行費用低，且對環境保護有積極的促進作用。

水源熱泵系統在正常使用前提下，限于對其進行過濾、沉淀以及加熱冷卻等物理處理，水源熱泵系統的運行不會帶來長江水的污染問題。現有條件下，可以采用長江水水源熱泵系統，須做好過濾與除氧防腐工作。在長江中修建引水管道與構筑物須經相關管理部門的同意，最好與長江沿岸的景觀相協調。