水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計探析

1、<p>　　水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計探析</p><p>　　摘要：水源熱泵技術(shù)是一項新型的節(jié)能技術(shù)，是一項人與社會、人與自然和諧共處的技術(shù)。水源熱泵利用水源（如：地下水、原生污水、中水等）的低品位能量，在夏季制冷時，水源作為冷卻水吸收冷凝器中的熱量；而冬季取暖時，水源則在蒸發(fā)器中放出能量。水源熱泵系統(tǒng)以水能為主，電能為輔，能耗較低，具有可持續(xù)發(fā)展的潛能。在應(yīng)用水源熱泵技術(shù)的同時，考慮多項節(jié)能技術(shù)的綜合應(yīng)用

2、，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果將更加明顯。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：水源熱泵系統(tǒng)；節(jié)能；熱源；變頻節(jié)能技術(shù)。 </p><p>　　中圖分類號：TU201.5 文獻標識碼：A </p><p>　　一、水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)概述 </p><p>　　1、水源熱泵系統(tǒng)原理 </p><p>　?。?）水源熱泵系統(tǒng)基本原理 <

3、;/p><p>　　水源熱泵系統(tǒng)是指從低溫水源吸收太陽能和地熱能形式的低位熱量，并將熱量傳遞到高溫熱源系統(tǒng)，其實質(zhì)就是利用余熱進行供熱。在夏季，通過將空調(diào)房間的熱量取出放熱給低溫水源，進行制冷；冬季則吸收高溫水源的熱量放熱給用戶進行供熱。其工作原理如圖1-1所示水源熱泵系統(tǒng)基本原理示意圖。 </p><p>　　圖1-1 水源熱泵系統(tǒng)基本原理示意圖 </p><p>　

4、　水源熱泵工作過程中需要少量高位電能輸入。由于水源熱泵能夠合理地應(yīng)用一定的高位能源，并把儲藏豐富但不利于使用的低位熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楦呶荒茉醇右岳茫瑥亩_到節(jié)約高位能源的目的。 </p><p>　?。?）污水源熱泵系統(tǒng)基本原理 </p><p>　　污水源熱泵技術(shù)也是基于水源熱泵技術(shù)的原理，只是其所采用的低位熱源為污水（包括原生污水、可再生水等），需在熱泵主機前端加裝專用換熱裝置，由該裝置內(nèi)的

5、循環(huán)中介水（清潔水）汲取污水中的熱能，供給熱泵主機。由于污水的水質(zhì)條件較差，存在懸浮物和雜質(zhì)迅速累積的過程，因此提取熱量時需要解決防堵、防垢及低能耗運行等一系列問題。如圖1-2原生污水源熱泵系統(tǒng)原理圖所示。 </p><p>　　圖1-2 原生污水源熱泵系統(tǒng)原理圖 </p><p>　　2、水源熱泵系統(tǒng)的特點 </p><p>　?。?）機組高效節(jié)能 </p&

6、gt;<p>　　熱泵機組在制熱名義工況（熱水進出口水溫45/50℃）下：，能效比最高可達1：4.7；在制冷名義工況（冷水進出口水溫7/12℃）下：能效比最高可達1：7。 </p><p>　?。?）運行安全可靠 </p><p>　　水源熱泵系統(tǒng)水源端供、回水的溫度和水量相對穩(wěn)定，其波動的范圍遠遠小于空氣的變動。夏季水體作為冷源，冬季水體作為熱源，水體溫度較恒定的特性，使得

7、熱源機組運行更可靠、穩(wěn)定，也就保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。 </p><p><b>　　（3）靈活應(yīng)用 </b></p><p>　　水源熱泵系統(tǒng)是可以基本保證按全年用戶的采暖空調(diào)需求運行，特別是春秋過渡季節(jié)均能運行。 </p><p><b>　?。?）零污染： </b></p><p>　　供

8、熱時省去了鍋爐房，沒有燃燒過程，避免了排煙污染；制冷時省去了冷卻塔，避免冷卻塔噪音及污染，既不消耗也不污染水資源。 </p><p><b>　?。?）節(jié)約投資 </b></p><p>　　水源熱泵系統(tǒng)一套系統(tǒng)既可為用戶供冷，又可為用戶供熱；不需要設(shè)冷凍機房及冷凍水系統(tǒng)，不需要設(shè)置鍋爐房，安裝和投資費用大大降低。 </p><p>　　二、水

9、源熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)分析 </p><p>　　完整的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)由水源系統(tǒng)、熱泵機組、輸配系統(tǒng)、末端用戶系統(tǒng)組成（結(jié)構(gòu)組成如下圖2-1 水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)組成），其能耗相應(yīng)也由各部分能耗共同構(gòu)成。 </p><p>　　圖2-1水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)組成 </p><p>　　就水源熱泵機組本身而言，其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢非常突出，但水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)增加了水源系統(tǒng)的初投資

10、以及取水輸水的能耗。一般而言，水源系統(tǒng)包括水源、取水構(gòu)筑物、輸水管網(wǎng)、水處理設(shè)備等，在與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)形式比較時，往往也因為這部分投資和運行費的增加抵消了水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的一部分優(yōu)勢，使得應(yīng)用受到了限制。因此，在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，除了與水專業(yè)人員深入配合，設(shè)計高效經(jīng)濟的水源系統(tǒng)外，空調(diào)系統(tǒng)本身應(yīng)結(jié)合具體情況綜合應(yīng)用節(jié)能技術(shù)，提高系統(tǒng)的整體能效。 </p><p>　　1、輸配系統(tǒng)變頻節(jié)能技術(shù) </p>

11、<p>　　輸配系統(tǒng)主要由水泵及其管路、閥件等組成，其任務(wù)是將蓄載冷熱量的水或空氣等媒質(zhì)，輸送和分配至空調(diào)末端。隨著變頻技術(shù)的成熟，空調(diào)系統(tǒng)中的輸配設(shè)備，如水泵，越來越多地采用這種技術(shù)進行節(jié)能。研究分析表明，變頻技術(shù)應(yīng)用在空調(diào)水系統(tǒng)中，能有效解決部分負荷下的大流量小溫差問題，大大減少運行能耗。 </p><p>　　對于系統(tǒng)較大、阻力較高，且水系統(tǒng)分區(qū)各環(huán)路負荷特性相差較大時，可采用二次泵方式，二次水泵

12、的流量與揚程可以根據(jù)不同水力特性的環(huán)路分別配置，極大地避免了無謂的浪費。而且二次泵的設(shè)置不影響制冷主機規(guī)定流量的要求，可方便的采用變流量控制和各環(huán)路的自由起停控制，負荷側(cè)的流量調(diào)解范圍也可以更大。尤其當二次泵采用變頻控制時，其節(jié)能效果更好。 </p><p>　　2、負荷優(yōu)化配置與調(diào)控技術(shù) </p><p>　　建筑的負荷計算是一切采暖空調(diào)工程設(shè)計的基本依據(jù)。建筑冷(熱)負荷全年、一天當中

13、均存在著變化，分析建筑的動態(tài)負荷，存在著一定的規(guī)律。合理的系統(tǒng)形式和冷熱源方案的設(shè)計，均需要準確的建筑負荷及其變化規(guī)律的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 </p><p>　　已有較多學者研究探討了負荷模擬軟件在節(jié)能設(shè)計中的應(yīng)用。利用輔助設(shè)計的建筑能耗分析軟件，可以模擬建筑物全年8760h逐時的室溫、系統(tǒng)的冷、熱負荷等。依據(jù)其結(jié)果，如逐月與全年的最高冷、熱負荷數(shù)據(jù)，可以確定或校核空調(diào)冷、熱源設(shè)備的設(shè)計容量。分析建筑不同區(qū)域冬、夏季熱、

14、冷負荷與累計冷、熱量的數(shù)據(jù)，能夠?qū)照{(diào)水系統(tǒng)的劃分與空調(diào)方式提出合理的建議。根據(jù)逐時冷、熱負荷數(shù)據(jù)，可以準確統(tǒng)計出全年的冷負荷與熱負荷分布的累計時間規(guī)律，從而可以制定出建筑的全年冷、熱源設(shè)備優(yōu)化控制策略。 </p><p>　　因此，一方面在準確的動態(tài)負荷計算的基礎(chǔ)之上，對冷熱源設(shè)備的臺數(shù)、裝機容量的大小等進行合理配置；另一方面，根據(jù)逐月逐時的負荷變化規(guī)律，對投入運行的機組設(shè)備進行調(diào)節(jié)控制，均能大大地減少能耗，提

15、高設(shè)備和系統(tǒng)的能效。 </p><p>　　3、區(qū)域供冷供熱技術(shù) </p><p>　　區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)是指由專門的制冷(熱)中心機房集中制造冷水或熱水，通過區(qū)域管網(wǎng)為一個或多個大規(guī)模建筑物供給冷(熱)的系統(tǒng)。 </p><p>　　由于集中選用大型優(yōu)質(zhì)高效的設(shè)備，避免了建筑單體采用中小型空調(diào)設(shè)備效率低、質(zhì)量參差不齊的缺點。而且綜合考慮不同建筑單體使用時間及負荷的變

16、化，減少了設(shè)備總的裝機容量，設(shè)備投資以及配電設(shè)施費用可顯著下降。設(shè)備運行效率的提高，使耗電量減少，從而減少了溫室氣體的排放。 </p><p><b>　　三、工程實例分析 </b></p><p><b>　　1、工程概況 </b></p><p>　　北京某再生水廠；設(shè)計規(guī)模近期8萬m3/d，遠期11萬m3/d；近期構(gòu)

17、（建）筑物占地面積約3.4萬m2；主要服務(wù)范圍包括該區(qū)域的污水，面積約46.98平方公里。 </p><p>　　廠區(qū)內(nèi)構(gòu)筑物主要包括鼓風機房、脫水機房、加藥間、主配電室、膜車間、生物濾池等15個單體，建筑物主要包括綜合樓、傳達室。 </p><p>　　廠區(qū)鳥瞰圖如圖3-1再生水廠鳥瞰圖所示。 </p><p>　　圖3-1再生水廠鳥瞰圖 </p>

18、<p>　　2、工程冷、熱源方案 </p><p><b>　　（1）冷、熱負荷 </b></p><p>　　廠區(qū)內(nèi)構(gòu)筑物的室內(nèi)采暖溫度為5~10℃，建筑物的室內(nèi)采暖溫度為16~25℃，再生水廠廠區(qū)需采暖的新建構(gòu)（建）筑物的建筑面積約為11170m2，計算熱負荷為708kW；廠區(qū)需空調(diào)的新建構(gòu)（建）筑物的建筑面積約為3751m2，計算冷負荷為293kW （

19、計算軟件為浩辰V2011版軟件）。 </p><p>　?。?）冷、熱源方案確定 </p><p>　　該再生水廠周邊暫無配套市政熱力管網(wǎng)設(shè)施，根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》關(guān)于冷熱源的規(guī)定：具有天然水資源可供利用時，宜采用水源熱泵供冷、供熱技術(shù)。 </p><p>　　經(jīng)與工藝專業(yè)配合，綜合考慮，采用水源熱泵系統(tǒng)為廠區(qū)冷、熱源。其水源采用處理后的污水，取水自清水池出

20、水總干管，回水至清水池進水總干管。清水池出水水溫≥10℃，正常運行時的出水水質(zhì)為地表IV類水。 </p><p>　　在再生水廠運行初期，或維護檢修期，工藝水處理流程可能做跨越處理，其出水水質(zhì)如表3-2水質(zhì)參數(shù)所示。 </p><p>　　表3-1水質(zhì)參數(shù)（單位：mg/L） </p><p>　　COD BOD5 SS TP TN NH3-N </p>

21、<p>　　出水水質(zhì)參數(shù) 50 10 10 0.3 15 1.5 </p><p>　　為滿足不同時期出水水質(zhì)的情況，水源熱泵系統(tǒng)采取間接換熱的方式，設(shè)置污水專用換熱器。 </p><p>　?。?）水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計 </p><p>　　如圖3-2再生水廠水源熱泵系統(tǒng)圖所示 </p><p>　　圖3-2未來科技城再生水廠水源熱

22、泵系統(tǒng)圖 </p><p>　　熱泵機房位于廠區(qū)東側(cè)，與配水泵房合建，建筑面積約為236m2。 </p><p>　　冬季供暖供回水溫度為50℃/45℃，夏季空調(diào)供回水溫度為7℃/12℃。 </p><p>　　熱泵機房設(shè)置3臺水源熱泵機組，水源熱泵機組單臺制熱量278kW，制冷量296kW。 </p><p>　　熱泵機房內(nèi)設(shè)備包括污水專用

23、換熱器、中介水循環(huán)泵、末端循環(huán)泵、定壓補水裝置（兩套）、軟水器、軟水箱、分集水器等；取水泵設(shè)置于配水泵房內(nèi)。 </p><p>　　熱泵機房內(nèi)設(shè)備布置如圖3-3熱泵機房設(shè)備平面布置圖所示。 </p><p>　　圖3-3熱泵機房設(shè)備平面布置圖 </p><p>　　3、水源熱泵系統(tǒng)技術(shù)節(jié)能設(shè)計 </p><p>　?。?）水源熱泵機組 <

24、;/p><p>　　水源熱泵機組采用環(huán)保冷媒134a；熱泵機組可根據(jù)各工況需求調(diào)節(jié)水流量，能量調(diào)節(jié)范圍為10~100%無級調(diào)節(jié)，強化了調(diào)節(jié)精度，比分級調(diào)節(jié)的機組更加節(jié)能。 </p><p>　　熱源機組3臺并聯(lián)，可根據(jù)制冷制熱不同工況同時運行1臺或3臺熱泵機組；冬、夏季通過閥門的切換來實現(xiàn)水源熱泵系統(tǒng)冷熱工況的轉(zhuǎn)換。在熱源機組的所有進出水管上設(shè)置電動閥門，以保證投入運行的機組的流量分配要求，也

25、使未投入運行的機組在停機階段承壓降低。如圖3-4水源熱泵機組及連接管件閥門所示。 </p><p>　　圖3-4 水源熱泵機組及連接管件閥門 </p><p>　　（2）水泵變頻節(jié)能設(shè)計 </p><p>　　熱泵系統(tǒng)的取水泵、末端循環(huán)水泵采用多臺并聯(lián)運行的形式，水泵均為變頻水泵。 </p><p>　　根據(jù)冬夏季不同工況的取水量需求，由其變

26、頻控制系統(tǒng)（原理如圖3-5水泵變頻控制系統(tǒng)原理圖所示）根據(jù)供回水主管壓差設(shè)定值控制水泵的運行臺數(shù)和轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)水源熱泵系統(tǒng)制冷制熱工況的變水量運行和節(jié)能控制。 </p><p>　　圖3-5水泵變頻控制系統(tǒng)原理圖 </p><p>　　（3）取水水源節(jié)能設(shè)計 </p><p>　　該再生水廠處理的原生污水經(jīng)全部工藝流程處理后，出水水質(zhì)為地表IV類水。具體參數(shù)如表3-2

27、水質(zhì)參數(shù)所示。 </p><p>　　COD BOD5 SS TP TN NH3-N </p><p>　　出水水質(zhì)參數(shù) 30 6 濁度5NTU 0.3 10 1.5 </p><p>　　表3-2 水質(zhì)參數(shù)（單位：mg/L） </p><p>　　此水質(zhì)參數(shù)滿足直接接入水源熱泵機組的要求，在水源端和中介水端設(shè)旁通管，跨越污水專用換熱器，管道

28、上均需加設(shè)閥門，以便切換。 </p><p>　　當水源側(cè)的水質(zhì)滿足熱泵機組要求時，可跨越污水專用換熱器，直接進入熱泵機組，從而減少冷熱能的消耗，提高機組效率，起到節(jié)能的作用。 </p><p>　?。?）熱泵系統(tǒng)自控節(jié)能設(shè)計 </p><p>　　整套熱泵系統(tǒng)（包含取水部分）的控制系統(tǒng)（包括配電、保護、控制和操作）全部納入熱泵機房的配電控制柜中，并上傳至綜合樓的內(nèi)

29、中控室，工作人員可就地或遠程檢測并控制熱泵系統(tǒng)運行。 </p><p>　　如圖3-6熱泵系統(tǒng)中控室監(jiān)控界面所示。 </p><p>　　圖3-6熱泵系統(tǒng)中控室監(jiān)控界面 </p><p>　?。?）末端設(shè)備節(jié)能設(shè)計 </p><p>　　本工程主要以廠房為主，空間大，廠房高度一般為8~13m，廠房內(nèi)采暖設(shè)計溫度為5~10℃，根據(jù)上述特點及廠區(qū)

30、熱源參數(shù)，對于高大空間的廠房末端設(shè)備采用了壁裝式大空間高效暖風機組。如圖3-7壁裝式暖風機組所示。 </p><p>　　圖3-7壁裝式暖風機組 </p><p>　　大空間高效暖風機組采用高效鋼管-鋁翅片換熱器換熱，渦流送風器送風（電機防護等級IP54）。此機組熱效率高，溫度場分布均勻，水平送風距離約30米，可有效減少設(shè)備用量及配套管件閥門量，從設(shè)計、施工安裝、運行及檢修上都有效的節(jié)約了

31、能耗。 </p><p>　　大空間高效暖風機組的控制采用區(qū)域控制，按使用功能劃分若干臺暖風機設(shè)計一臺控制系統(tǒng)，設(shè)就地控制箱。各個獨立區(qū)域內(nèi)設(shè)置溫度感應(yīng)探頭，冬季根據(jù)室內(nèi)實測溫度來自動控制機組的啟停，有效的節(jié)約能源。 </p><p>　　4、投資與運行費用的比較 </p><p><b>　?。?）計算方法 </b></p>&

32、lt;p>　　該地區(qū)夏季空調(diào)期為5月中到9月中，約120天；冬季采暖期為11月中到次年3月中，為120天。在運行費用統(tǒng)計上，采用分時段計算法，即分別把制冷期和采暖期劃分為5個時段：20％負荷段、40％負荷段、60％負荷段、80％負荷段和100％負荷段，分別逐時計算相應(yīng)時段的運行費用，并加以匯總，就得出總的運行費用。該地區(qū)電價按照0.7元/kWh，燃氣價格按照2.1元/Nm3計算。 </p><p>　?。?

33、）系統(tǒng)運行費用計算 </p><p>　　如表4-1水源熱泵運行費用計算所示： </p><p>　　表4-1水源熱泵運行費用計算 </p><p>　　設(shè)備名稱 功率 季節(jié) 運行天數(shù) 負荷百分數(shù) 時間百分數(shù) 每天運行時間 耗電量 </p><p>　　kW % % h kWh </p><p>　　主機、末端循環(huán)泵、

34、取水泵 282.6 冬季 120 20 5 15 5086.8 </p><p>　　282.6 120 40 30 15 61041.6 </p><p>　　282.6 120 60 50 15 152604 </p><p>　　282.6 120 80 10 15 40694.4 </p><p>　　282.6 120 100 5

35、15 25434 </p><p>　　中介水循環(huán)泵 22 120 100 100 15 39600 </p><p>　　主機、末端循環(huán)泵、取水泵 61.2 夏季 120 20 5 12 881.28 </p><p>　　61.2 120 40 30 12 10575.36 </p><p>　　61.2 120 60 50 12 264

36、38.4 </p><p>　　61.2 120 80 10 12 7050.24 </p><p>　　61.2 120 100 5 12 4406.4 </p><p>　　中介水循環(huán)泵 11 120 100 100 12 15840 </p><p>　　耗電量（kWh） 全年耗電量 389653 </p><p&g

37、t;　　折合標準煤（t） 47.9 </p><p>　　運行費用（萬元） 全年電費 27.3 </p><p>　　按同種工況，采用冷水機組+燃氣鍋爐房為冷熱源的運行費用如表4-2冷水機組+燃氣鍋爐運行費用計算所示： </p><p>　　表4-2冷水機組+燃氣鍋爐運行費用計算 </p><p>　　設(shè)備名稱 耗氣/電量 季節(jié) 運行天數(shù) 負

38、荷百分數(shù) 時間百分數(shù) 每天運行時間 耗氣/電量 </p><p>　　m3/kW % % h m3/kWh </p><p>　　燃氣鍋爐 130 冬季 120 20 5 15 2340 </p><p>　　130 120 40 30 15 28080 </p><p>　　130 120 60 50 15 70200 </p>

39、<p>　　130 120 80 10 15 18720 </p><p>　　130 120 100 5 15 11700 </p><p>　　末端循環(huán)泵 16.5 120 100 100 24 47520 </p><p>　　冷水機組 75.5 夏季 120 20 5 12 1087.2 </p><p>　　75.5

40、120 40 30 12 13046.4 </p><p>　　75.5 120 60 50 12 32616 </p><p>　　75.5 120 80 10 12 8697.6 </p><p>　　75.5 120 100 5 12 5436 </p><p>　　冷卻塔循環(huán)泵 11 120 100 100 12 15840 <

41、/p><p>　　耗氣量（m3） 全年耗氣量 131040 </p><p>　　耗電量（kWh） 全年耗電量 124243 </p><p>　　折合標準煤（t） 174.2 </p><p>　　運行費用（萬元） 40．2 </p><p>　?。?）運行費用比較結(jié)論 </p><p>　　計算

42、結(jié)果表明:本工程項目采用水源熱泵系統(tǒng)形式，與冷水機組+燃氣鍋爐系統(tǒng)形式相比，全年運行能耗折合標準煤減少126.3噸。水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)比冷水機組+燃氣鍋爐系統(tǒng)設(shè)備初投資費用略低，系統(tǒng)全年運行費用比冷水機組+燃氣鍋爐系統(tǒng)節(jié)約12.9萬元。 </p><p>　　結(jié)論：綜上，水源熱泵技術(shù)充分利用自然資源，挖掘節(jié)能潛力，減少能源消耗，降低運行維護成本。本文結(jié)合某水廠具體工程實例，通過分析論證，在詳細的負荷分析的基礎(chǔ)上，充

43、分考慮全年的負荷變化，以及部分負荷條件下的運行調(diào)節(jié)，合理配置冷熱源機組，大大提高了系統(tǒng)的綜合運行能效，最終實現(xiàn)節(jié)能減排目標，相信在不久的將來，水源熱泵空調(diào)節(jié)能技術(shù)必將獲得更加穩(wěn)定和快速的發(fā)展。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1]白莉，齊子姝，石巖.污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能減排性能分析[J].電力需求側(cè)管理，2008.3. &l

44、t;/p><p>　　[2]張金生.水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)控制技術(shù)[J].創(chuàng)新技術(shù)，2008.5. </p><p>　　[3]周燕，劉秋克.淺析地表水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能特性[J].能源工程，2005.2. </p><p>　　[4]李國棟.水源熱泵系統(tǒng)的效率分析與節(jié)能研究[J].鐵道標準設(shè)計，2010.2. </p><p>　　[5]殷正琴，賈