某生态住宅小区水源热泵空调系统方案的技术经济分析

　　0　引言


　　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。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。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。但大多数水源热泵系统以地下水作为冷热源，据报道，目前我国青岛建起了以海水为冷热源的水源热泵空调系统，湖南湘潭市政府新大楼里的水源热泵中央空调利用市中心区人工湖地表湖水为冷热源的水源热泵系统。水源热泵因具有“绿色、环保、节能”的优势，在我国的推广应用前景十分广阔。


　　1　崇明生态住宅小区概况
　　崇明岛是一座具有独特文化的生态之岛，拥有“水清、土洁、气净”优越的生态环境，是上海地区唯一的一个国家级生态示范区。上海为了探索“健康、舒适、生态、节能”的住宅小区的建设，实现“节能、节水、节地、节材、治污”的目标，选择崇明作为建设“人与自然和谐发展”的资源节约型住宅的示范地。崇明某生态住宅小区总规划建筑面积93490㎡，其中，住宅建筑48230㎡，原住宅建筑面积10000㎡，住宅户数473户，住宅人数1514人。


　 　2　空调系统冷热源方案和可行性分析

　 　2.1空调系统冷热源方案
　　本工程水源热泵系统原理图如图1所示。冬季，工质通过板式换热器从河水中吸收热量，通过热泵系统的冷凝器加热空调系统的循环水，向用户供暖。夏季工质通过板式换热器向河水中排出热量，通过热泵系统的蒸发器吸收空调系统的循环水的热量，向用户供冷。由于冬季江水温度较低，为了提高换热效果，直接利用江水和板式换热器进行换热。为了得到更低的蒸发器温度，工质采用乙二醇溶液（加防冻剂等添加剂）。

　　2.2水源热泵方案可行性分析
　　首先，崇明某生态住宅小区紧靠长江（距江堤约1000米），江堤附近的河面开阔，根据最低和最高水位的实际情况，引水管的取水口的安设位置对航道不会造成影响，因此，水源热泵具备利用长江水资源的条件。另外，小区附近有一条通向长江的排水明渠，可直接利用该明渠向长江排水，只需安设一根引水管，因此敷设取水管道的初投资可以相应减少。其次，根据上海市的气象、水文条件，夏季长江水最高月（8月）平均温度一般为27.6～28.0℃，以换热器5℃温差考虑，则热泵机组夏季的进水平均温度不高于33℃，如果夏季热泵的冷却水侧进出口温差为5℃，则热泵机组出水温度不高于38℃，根据热泵机组的技术要求，这时的冷却水供回水温差是能够保证夏季热泵机组制冷正常运行。在冬季，崇明长江水最低月（2月）平均温度一般为5.6～6.7℃左右，以换热器2℃温差考虑，则热泵机组冬季的进水温度不高于3.6℃，以冬季热泵的冷冻水侧进出口温差为5℃考虑，则热泵机组出水温度不到–1.4℃，则须在循环水中添加防冻液。考虑到长江水易泥沙、水藻等杂质含量高，水表面直接与空气接触，水体含氧量较高，腐蚀性强，如果将地表水直接供应到每台热泵机组进行换热，容易导致热泵机组寿命的降低，换热器结垢而性能下降，严重时还会导致管路阻塞，因此不宜将地表水直接供应到每台热泵机组换热。因此本工程将长江水和冷凝器或蒸发器的循环水之间是用热交换器分开，热交换器采取小温差换热的方式运行，这样就可以用廉价的换热器保护昂贵的水源热泵机组。综上所述，根据崇明向阳住宅小区所处的地理位置，可利用长江水资源的优越条件，选用大型水源热泵机组作为住宅小区内住宅空调系统的冷热源，以长江水作为水源热泵机组的冷热源技术上是可行的。


　 　3　水源热泵系统方案技术经济分析
　　根据住宅和商业的负荷情况及小区的建设特点，冬、夏季均由水源热泵机组来承担空调负荷，夏季为末端提供7／12℃的冷冻水，冬季为末端提供50／40℃的热水。系统方案经济分析计算初投资和运行费用并常规空调系统（电制冷+燃气锅炉）进行分析比较。


　　3.1设计参数
　　小区内住宅设计为节能建筑，单位建筑面积的冷负荷和热负荷分别按45W／㎡和40W／㎡进行概算，系统冷热负荷概算结果见表1。

　　 3.2设备选型和初投资
　　⑴水源热泵机组
　　本方案采用2台水源热泵机组（单台制冷量为1312kW、制热量1257kW），用于夏季供冷和冬季供热。主要设备和初投资选型表如表2。

　　⑵燃气锅炉+冷水电制冷机组
　　本方案采用2台螺杆式冷水机组（单台制冷量为1406kW），用于夏季供冷，2台燃气锅炉（单台制热量为1400kW），用于冬季供热。主要设备选型表如表3。


　 　3.3运行费用分析
　　年运行费用主要按冬夏两个季节计算，夏季运行按照每天运行18小时，运行150天：冬季每天运行18小时，运行90天算。综合考虑设备同时使用系数0.8.本工程上海地区的电价政策：06：00～22：00-0.61元／kWh，22：00～06：00-0.30元／kWh，天然气2.2元／m3，据此，进行年运行费用分析。其结果如表4所示。
　　表2水源热泵空调系统主要设备选型和初投资
　　表3燃气锅炉+冷水电制冷机组主要设备选型表
　　表4年运行费用分析表


　 　3.4经济比较
　　通过对两种空调方案的初投资及运行费用分析，结合两种不同空调方案的特点，分析结果如表5
　　表5两种方案初投资及运行费用比较


　　从以上对两种方案系统的初投资与运行费用综合分析结果得出：
　　⑴初投资
　　水源热泵空调系统冷热源部分单位建筑面积的初投资为91.23元／㎡.常规空调空调系统冷热源部分单位建筑面积的初投资为71.55元／㎡
　　⑵年运行费用和投资回收期：
　　水源热泵机组单位建筑面积的年运行费用为21.27元／㎡，比常规空调分别降低23％。其投资回收期为4年。水源热泵空调方案在投资回收期过后，每年为业主节省的运行费用，即为净利润。系统按15年运行期考虑，因节省运行费用而产生的总利润为334万元；且水源热泵系统所需要维护的设备较少，维护费用更低。


　　4　水源热泵系统对环境的影响
　　根据水源热泵系统的原理可知，本工程水源热泵空调系统对长江水的利用仅限于热量的提取和转换，并在使用过程中严格限制对长江水进行任何的化学处理，有限的处理也仅限于对其进行过滤、沉淀以及加热冷却等物理处理，长江水的成分在整个使用过程中没有发生任何变化，因此，水源热泵系统的运行不会给长江水造成污染。


　 　5　结论与建议
　　5.1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，崇明生态小区集中空调系统冷热源具备利用长江水有利条件，通过技术经济分析，不仅技术上可行，经济上也合理。根据本文所做的概算，水源热泵的初投资比常规空调稍高，但运行费用低，年节省运行费用约28.54万元。


　　5.2长江水水源热泵系统正常使用的前提下，仅限于对其进行过滤、沉淀以及加热冷却等物理处理，因此，水源热泵系统的运行不会带来长江水的污染问题。


　　5.3在现有条件下，可以采用长江水水源热泵系统，须做好过滤和除氧防腐工作。


　　5.4在长江中修建引水管道和构筑物须经相关管理部门的同意，最好与长江沿岸的景观相协调。