一种建筑节能技术——水源热泵空调系统
- 发布时间：2012/1/16 17:13:14
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一、前言
进入二十一世纪，能源紧缺已经成为各国经济发展的世界性难题。随着经济的持续发展，人们生活水平的不断提高，对空调的舒适性、室内空气品质的要求也越来越高。为了更好地满足人们这种更加舒适和更加有利于身心健康的要求，现介绍近年来在空调领域兴起的水源热泵空调系统。
地球表面或浅层水源的温度一年四季基本不受外界气候影响，相对稳定，一般为10~25℃，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源。
水源热泵是既可供热又可供冷的建筑节能技术。能有效节省能源、减少大气污染及CO2排放。
水源热泵可采用多种形式的冷热源，如利用地球表面（土壤）或浅层水源（如地下浅层水、河水、湖泊和海水等），或者人工再生水源（工业废水、废气等），既可供热又可制冷的节能空调系统。
二、发展近况
国外水源热泵的历史可以追溯到1912年瑞士的一个，而真正意义的商业应用也只有近几十年的历史。如美国，到目前为止已安装了40万台，每年以10%的速度稳步增长，年节约能源费用达4.2亿美元。
美国的水源热泵主要采用盘管深埋技术，与美国不同，中、北欧如瑞典、奥地利、德国等国家主要利用浅层地热资源，采用地下土壤埋盘管，用于室内地板辐射供热装置中。
我国的水源热泵刚刚起步，发展前景看好。目前已经有数个示范工程。在华东地区，越来越多的中国用户开始熟悉水源热泵，并深感兴趣。主要是因为常规能源的节约和可再生能源的充分利用；另一方面是因为有较好的热泵科研与应用基础。[1]
三、系统组成及工作原理
水源中央空调系统是由末端（室内空气处理末端等）系统，水源中央空调主机（又称为水源热泵）系统和水源水系统三部分组成。为用户供热时，水源中央空调系统从水源中提取低品位热能，通过电能驱动的水源中央空调主机（热泵）"泵"送到高温热源，以满足用户供热需求。为用户供冷时，水源中央空调将用户室内的余热通过水源中央空调主机（制冷）转移到水源中，以满足用户制冷需求。制热工况的原理与制冷工况类似，只不过是热泵机组的循环方向相反、相应换热器的功能互换。
水源热泵根据对水源的利用方式的不同，可以分为闭式系统和开式系统两种：闭式系统需要构造地下埋管换热器或者地表水埋管换热器，形成封闭的地源水循环系统，向地下土壤或者地表水散热或者取热。开式系统的特点是抽取地下水或者地表水，在板式换热器中与机组的循环工质进行热交换，实现散热或者取热后，再回灌到地下或者河流。本文所讨论中心议题是开式系统。
虽然在长江三角洲地区直接抽取地下水的方式受到严格限制，但是在一些地区仍然是一种可行的节能技术，并且地表水类型的水源热泵不受限制。
四、水源热泵中央空调与其它常用中央空调冷热源的技术特点对比
水源热泵在夏季制冷时可使机组的冷凝温度降低、在冬季可使机组的蒸发温度提高，都能提高产能效率；此外，它们所利用的低温热源通常可以来自环境（大气、地表水和大地）或各种废热。热泵从这些热源吸收的热量属于可再生的能源。
空调系统一般应满足冬季的供热和夏季制冷两种相反的要求，传统的空调系统通常需分别设置冷源（制冷机）和热源（锅炉）（见表1）。如果让传统的空调系统在冬季以热泵的模式运行，则可以省去锅炉和锅炉房，不但节省了初投资（见表2），而且全年仅采用电力这种清洁能源，还能大大减轻供暖造成的大气污染问题。
水源热泵机组系统运行稳定，能效比可达5~6，远大于其它同类型机组（见表1）。系统运行过程中，无燃烧，无任何固态、液态或气态污染物排放，是"绿色"供暖（冷）的环境系统工程。水源热泵的污染物排放与电供暖相比，相当于减少70%以上。
水源热泵中央空调与其它中央空调冷热源的技术特点对比
水源热泵机房占地面积小，可设在地下室20年只利用地下水源的热量采用回灌技术，不消耗水资源电能利用系数为3.8~6.0无燃烧污染水资源与制冷剂不接触，无水源污染，噪音低需要一定量的水资源，维护简单
溴化锂吸收式直燃机机房占地面积大，冷却塔要占用屋顶面积，储油设备需要占地，要求有一定的安全间距10年冷却水循环量的2%冬季供热的排污补水燃油或燃气能源利用系数为80%有燃烧污染有一定的噪音和水霉菌污染机房需要设置安全报警装置水冷机+电锅炉需设冷冻站和锅炉房，冷却塔要占用屋顶面积，电负荷较大冷水机组20年电锅炉15年冷却水循环量的2%冬季锅炉的排污补水电能夏季：能源利用系数为3.5~3.8冬季：90%无燃烧污染夏季有一定的噪音和水霉菌污染需要设置两套机组和人员，运行维护复杂
注：水冷冷水机组按水冷螺杆机组考虑，性能参数均摘自厂家样本资料；室内进风温度27℃DB，19.5℃WB，冷却水进出水温度32℃/37℃，冷媒水进出水温度7℃/12℃；冷却水塔按两台考虑；
根据表1我们可以总结如下几点：
1、从冷热源占地面积可以看出，水源热泵相对其它类型的中央空调系统，其占地面积小，不需要冷却水塔、锅炉等耗电设备；
2、相对其它类型的中央空调机组15年左右的使用寿命来说，水源热泵空调机组使用寿命可长达20年；
3、水源热泵技术所使用是可再生水资源，不需要进行循环水的补水；
4、水源热泵的制冷、制热系数可达3.8~6.0，于其它形式的中央空调系统相比有明显的节能优势；
5、由表1可以看出，水源热泵系统相对其它系统而言，无燃烧和水污染；
6、水源热泵系统结构简单，运行维护方便。
五、水源热泵初投资概算及与其它采暖空调模式比较
以华东地区空调建筑面积10,000m2为例，夏季冷负荷1,064kW；冬季热负荷1,220kW，表2比较了水源热泵与其它不同系统的投资与运行费用。
水源热泵系统初投资与其它中央空调系统比较方式水源热泵溴化锂吸收直燃机组水冷机组+燃气锅炉水冷机组+电锅炉（平+谷）
1、初投资比较
水源热泵空调系统总投资为156万元，如果不使用水源热泵系统，而采用其它的空调系统，则需要配置冷却水塔、锅炉及其配套设备。水源热泵机组寿命为20年，在此期间，其它的空调系统需要更新一次，具体数据分析如下：
a）与溴化锂吸收直燃机组的投资差价：228-156=72万元，
b）与水冷机组+燃气锅炉的投资差价：218-156=62万元
c）与水冷机组+电锅炉（平+谷）的投资差价：204-156=48万元
因此初投资相对其它中央空调系统而言约节省24%~40%的成本。
2、能耗费用比较
水源热泵能耗费用为：28元/年•m2，如采用其它类型的空调系统，其能耗费用比较如下：
a）与溴化锂吸收直燃机组的能耗费用比较：58-29=29元，
b）与水冷机组+燃气锅炉的能耗费用比较：53-29=24元
c）与水冷机组+电锅炉（平+谷）的能耗费用比较：45-29=16元
由此可以得到，水源热泵能耗费用相比较其它类型的空调系统而言，约节省35%~50%的成本。
六、结语
水源热泵空调节能技术是节约能源、改善生活、减轻环境污染、促进经济可持续发展的有效措施。水源热泵技术充分利用有利的自然资源，挖掘节能潜力，减少能源消耗，降低运行维护成本。相信在不久的将来，水源热泵空调节能技术必将获得更加稳定和快速的发展。