水源热泵技术应用及实例系统分析

水源热泵技术应用及实例系统分析
0　引言
当今社会环境污染与能源危机已成为全人类必须面对并要加以解决的重大课题，在这种背景下，以环保和节能为主要特征的绿色建筑及相应的供暖空调系统应运而生，而水源热泵技术正是满足这些要求的比较有代表性的低耗能新型供暖空调技术。
1　水源热泵技术的国内外发展状况
水源热泵系统（WLHPS：Water Loop source Heat Pump
System）国外又习惯称作闭式环路水源热泵系统。60年代开始在美国提出之后，经过30年不断改进和发展，技术日趋成熟，其产品已逐渐商品化，迄今已经在北美建筑中应用了40多年[1]。进入70年代后，这项技术在日本的推广应用很快。东芝、三菱电机、PMAC公司均有水源热泵产品出售，东京、名古屋、横滨等城市在70年代初就有很多采用闭式环路水源热泵空调系统的工程实例[2]，例如，东京镰仓河岸大厦、平和东京大厦、名古屋大厦、新日建大厦等。自80年代以来，我国采用水源热泵空调系统的建筑也逐年增多。目前，在深圳，上海，北京以及一些中小城市均有工程实例，例如，北京天安大厦、上海锦江第四号楼、西安建国饭店、青岛华侨饭店。深圳同贸大厦、惠州大酒店、泉州大酒店等均采用了闭式环路水源热泵空调系统。特别是2008年奥运会将在北京举行，为办好本届奥运会，北京市主管部门和科研部门全力合作，利用得天独厚的地热条件，充分发挥地热温泉的清洁能源优势和保健作用，相继将一些先进的技术，如地热尾水回灌、水源热泵等应用到地热供暖系统上，同时水源热泵式中央空调已成为2008年北京奥运会指定选用的空调型式。水源热泵在我国的推广应用前景极其广阔。
2　水源热泵技术的优越性
水源热泵空调系统是一种可以利用地球表面浅层水源（如地下水、河流和湖泊），和人工再生水源（工业废水、中水、地热尾水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。水源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位热能的转移。将水体和地层蓄能作为冬、夏季的供暖热源和空调冷源，即在冬季，把水体或地层中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量“取”出来，释放到水体和地层中去。
　　水源热泵只取水中的热或冷而不消耗水，并且基本作到水体或地层蓄能的年平均能量平衡，不会造成任何污染。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。而锅炉供热只能将90%以上的电能或70%~90%的燃料内能转化为热量，供用户使用，因此水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。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。
对于水源热泵的节能及运行效果，已有一些文章作了介绍，但它们通常只是对这种系统运行能耗的静态分析。本文结合一个正在运行的工程实例，用实际数字对水源热泵的节能及运行效果作进一步探讨。
3　新旧系统对比分析
2002～2003年采暖期中，在胜利油田管理局和有关部门的支持下，滨南社区华滨物业管理公司海滨小区使用康特姆水源热泵替代采暖锅炉，2002年12月建成投产，现运行情况良好。
3.1　工程相关背景及项目介绍
近年来，随着社会生产力的不断发展，社会文明程度的不断进步，人们的环保责任意识不断加强。对采暖行业而言，人们不但需要高质量的供暖，同时还对该行业在环保、节能和安全文明生产方面提出了更高的要求。社会的要求使得各种使用清洁能源的安全高效的供暖技术应运而生。滨南社区华滨物业管理公司海滨小区因为靠近滨南采油厂滨一站，有丰富的污水余热资源，小区地处山东省滨州市和东营市的交界处，采暖面积约3.7万m2，采暖管网最大距离800m。该小区原有一座采暖生活锅炉房，有2t（蒸汽）、4t（热水）锅炉各一台，一直以原油为燃料，油耗一直保持在700～750t/a的水平。安装热泵后表明：水源热泵技术先进，机组集成度高，安装方便；操作全自动化；经济性能良好；安全性能优越；操作简单，实用性强；对废热以及地热丰富的单位、地区而言有很强的实用性，具有广泛的推广价值。
该项目的热源是利用滨南采油厂滨一站外输的40～50℃的污水余热，通过高效换热装置加热系统热媒清水，换热后的热媒清水温度上升约10℃左右，然后利用康特姆热泵将10℃的热量提取应用于采暖。设计污水流量为80m3/h时，热媒清水温度要求在35℃左右，压力保持在3kg以上。
3.2　运行的经济性比较
热泵系统输入功率是556kW，输出功率为2224kW，总输入、输出功率的大小可自动调整。从运行情况看，在停用锅炉的情况下，运行参数稳定，换热能力和系统出力完全符合设计要求。热媒清水进出水温度分别保持在30～40℃和20～32℃之间，主机做功时的温差在8～12℃之间，系统运行时可保证出水温度大于73℃（温度可以设置）。实际耗电情况：2003年1月份零下15℃时，每天耗电量在11000kW•h电左右；其他时间耗电一般在7000～9000kW•h，电价按胜利油田结算价0.37元/kW•h计算，最冷时“燃料”成本为4070元，一般情况下为2 590～3 330元；如果按照工业用电价格0.5元/kW•h计算，那么每天“燃料”成本在3 500～4500元之间，由此可以推断出水源热泵系统单位面积运行成本约为0.10～0.13元，而在水源热泵投产前使用的燃油锅炉每天的燃料成本在10 800元左右。热泵系统实现自动化，无需人工操作，这样大大节约了人员工资。热泵供暖系统与原有的燃油锅炉相比每个采暖季可以节省816000元，与电锅炉供暖系统相比每年可以节省1 653 360元。热泵运行费用大大低于燃油锅炉的成本，因此热泵产品经济效益明显。
3.3　运行的安全及环保性
使用水源热泵系统时燃油锅炉系统完全停用，大大降低了系统危险系数，使单位安全生产管理的压力大为降低；环保方面，由于新系统只消耗二次能源，使得与纯消耗一次能源的老系统相比几乎没有环境污染。无论是废水、废气、固体废弃物、噪声还是其他环境污染物的产生量均大大降低，发生污染事故的可能性基本为零。
3.4　操作与运行管理方面优越性
一段时间的运行实践表明，该系统操作简单，管理相对容易。实现了以下几方面的自动控制功能：
1）输出功率自动调节及保护功能；
2）污水压力自动调节及保护功能；
3）热媒清水温度、压力自动调节及保护功能；
4）系统进口精细过滤及自动排污功能；
5）系统变频自动补水。
该系统实现较高程度的自动化后，只需一次设置好出水温度，运行负荷的调整甚至运行全过程均无需操作人员干预。
对于管理人员而言，新系统的安全性、环保性、运行的稳定性均有较大程度的提高。工作现场环境有了较大变化。相应的管理重点也发生了较大转变，管理工作中以前的查找安全事故隐患，调整运行状态至相对较为高效低耗的平台上，杜绝环境污染事故等项工作基本上被现在的抓现场管理，提高操作人员综合技术素质的工作代替。管理难度大大降低，管理责任相对减轻，工作组跃过了较低层次阶段，直接迈上了一个新的台阶。
4　结论
1）从工作原理即可得出，水源热泵空调系统具有效率高、节能、环保的优点；同时，水源热泵空调系统技术和产业化已经成熟，在我国符合条件的地方，特别是有余热、废然可利用的地方应大力推广该技术。
2）通过对一个正在运行的工程实例的分析，表明水源热泵空调供暖系统运行费用大大低于电锅炉及燃油锅炉供暖系统的成本，因此热泵产品经济效益明显。
3）水源热泵空调系统废水、废气、固体废弃物的排放均较少，是真正的节能环保型空调；同时，其操作及运行管理也相对简单。
参考文献
1　徐伟，等译，朗四维，校.地源热泵工程技术指南.北京：建筑工业出版社，2001
2　范存养.热泵空调及各种热回收系统和空调节能措施.同济大学科技情报站
3　李先瑞，郎四维.热泵的现状与展望.建筑热能通风空调，1999（3）
4　丁卫东，袁鲁滨.水源热泵技术在供热空调工程中的应用.节能，2002（5）