水源热泵空调系统的优化设计及技术经济分析

孙呼平

摘要：本文分析了水源热泵的工作原理和优势。结合工程实例，对热泵空调系统的优化设计进行了探讨，并且对技术经济信息采用表格形式进行了分析。

关键词：水源热泵空调系统；优化设计；技术优势

前言

水源热泵技术是一种以浅层地热资源为主要能源，通过先进空调设备将地下的低位能量进行开发利用，成为可利用高位能、既能供热又能制冷的高效节能空调技术。此系统以地能为冷热源、以电能为辅助能源，开发利用地下低位能量，通过先进的水源热泵机组将其变为可利用的高位能。水源热泵利用的几种方式主要包括地下水热泵（地源热泵）、江河湖水源热泵和土壤热泵。水源热泵整机是由微电脑控制，无须专人值守，自动平衡能量需求，使机组始终处于最佳经济运行状态。该系统具有很高的能效比（1：5～1：6）。

1水源热泵技术的优势

我国地热水资源极为丰富，利用热泵技术将地热水的低品位热能提高到40～45℃的高品位热能将可以大大提高地热能的利用效率，对于调整我国目前的能源结构、走出一条可持续发展的新型工业化道路具有重要意义。水源热泵技术具有以下优势：

（1）水源热泵技术利用地球水体所储藏的太阳能资源作为冷热源进行能量转换。地表土壤与水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集47%的太阳辐射能量比人类每年利用能量的500倍还多，而且还是一个巨大的动态能量平衡系统，地表土壤与水体自然保持能量接受和发散的相对均衡。水源热泵利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能作为冷热源，是典型的清洁可再生能源，取之不尽、用之不竭。热泵系统进行能量的转换利用，节能环保。

（2）高效节能。水源可利用水体温度四季为16-20℃，冬季水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环蒸发温度提高，能效比也提高。夏季水体温度比环境空气温度低，所以制冷冷凝的温度降低，使冷却效果好于风冷式与冷却塔式，机组的效率提高。美国环保署EPA估计，设计安装良好水源热泵，平均可以节约用户30～60%的供热制冷空调运行费用。

（3）运行稳定可靠。水体温度一年四季相对稳定，波动的范围远远小于空气的变动，是很好的热泵热源与空调冷源，水体温度较恒定的特性使运行更可靠、稳定，保證了系统的高效性和经济性。

（4）冬季运行不需要除霜，减少了结霜和除霜的损失，同时避免了空气源热泵冬季除霜的难点问题。

（5）环境效益显著。水源热泵使用电能，电能本身是一种清洁能源，在发电时，消耗一次能源并导致了污染物与二氧化碳温室气体的排放，所以节能设备本身就是减小了环境污染。水源热泵的电力消耗和空气源热泵相比，相当于减少了30%以上，与电供暖相比相当于减少了70%以上。水源热泵运行没有任何污染，可建造在居民区内，没有燃烧、排烟，也没有废弃物，不需堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。

（6）自动运行。由于运行工况稳定，可以设计简单的系统，部件相对较少，机组运行简单可靠，维护费用低；自动控制程度高、寿命长，可达到20年以上。地源中央空调不受室外空气的影响，即使在室外环境温度-30℃时，也能进行正常的制热运转，达到室内温度要求。温度的检测应在系统连续安全运行24h后测定。

2水源热泵系统方案的技术经济分析

本文以上海地区某小区为例，结合住宅与商业的负荷情况及小区建设特点，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，冬季末端提供45/40℃的热水。对于系统方案的经济性计算，初投资和运行费用与常规空调系统（电制冷+燃气锅炉）进行了分析和比较。

2.1设计参数

小区内住宅设计为新型节能建筑，单位建筑面积冷负荷与热负荷分别按45W/㎡和40W/㎡进行概算，系统冷热负荷概算结果见表1。

2.2设备选型与初投资

2.2.1水源热泵机组

本方案采用了2台水源热泵机组（单台制冷量为1312kW、制热量1257kW），用于夏季制冷与冬季供热。主要设备与初投资选型如表2所示。

2.2.2燃气锅炉+螺杆冷水机组

本方案采用了2台螺杆式冷水机组（单台制冷量为1406kW），用于夏季制冷，2台燃气锅炉（单台制热量为1400kW），冬季供热。主要设备的选型列于表3。

2.3运行的费用分析

年运行费用按冬夏两个季节计算，夏季的运行按照每天运行18h、运行150d，冬季的每天运行为18h、运行90d算。综合考虑设备同时使用的系数0.8。本工程上海地区电价政策：06：00～22：00为0.61元/kWh，22：00～06：00为0.30元/kWh，天然气2.2元/m3，进行年运行费用分析，结果如表4所示。

2.4经济的比较

对两种空调方案初投资及运行费用进行分析，结合两种不同的空调方案特点，分析结果如表5。

（1）初投资。水源热泵空调的系统冷热源部分单位建筑面积初投资为91 23元/㎡。常规空调系统冷热源部分单位建筑面积初投资为71.55元/㎡。

（2）年运行费用与投资回收期：水源热泵机组单位建筑面积年运行费用21.27元/㎡，在同样的供热和制冷负荷条件下，比常规空调分别降了23%。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，节省运行费用而产生的总利润为33.4万元；水源热泵系统所需要维护的设备较少，维护费用更低。

3水源热泵系统对环境的影响

从水源热泵系统的原理可知，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，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，因此水源热泵系统运行不会给长江水造成污染。

4结论和建议

水源热泵空调系统具有效率高、节能、环保等优点，水源热泵空调系统技术与产业化已经成熟，通过技术经济分析，不仅技术上可行，经济上也很合理。根据所作的概算，水源热泵的初投资比常规空调稍高，但运行费用低，且对环境保护有积极的促进作用。

水源热泵系统在正常使用前提下，限于对其进行过滤、沉淀以及加热冷却等物理处理，水源热泵系统的运行不会带来长江水的污染问题。现有条件下，可以采用长江水水源热泵系统，须做好过滤与除氧防腐工作。在长江中修建引水管道与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。