1、水源热泵系统节能设计探析摘要：水源热泵技术是一项新型的节能技术，是一项人与社会、人与自然和谐共处的技术。水源热泵利用水源（如：地下水、原生污水、中水等）的低品位能量，在夏季制冷时，水源作为冷却水吸收冷凝器中的热量；而冬季取暖时，水源则在蒸发器中放出能量。水源热泵系统以水能为主，电能为辅，能耗较低，具有可持续发展的潜能。在应用水源热泵技术的同时，考虑多项节能技术的综合应用，空调系统的节能效果将更加明显。 关键词：水源热泵系统；节能；热源；变频节能技术。 中图分类号：TU201.5 文献标识码：A 一、水源热泵空调系统概述 1、水源热泵系统原理 （1）水源热泵系统基本原理 水源热泵系统是指从低温水
2、源吸收太阳能和地热能形式的低位热量，并将热量传递到高温热源系统，其实质就是利用余热进行供热。在夏季，通过将空调房间的热量取出放热给低温水源，进行制冷；冬季则吸收高温水源的热量放热给用户进行供热。其工作原理如图 1-1 所示水源热泵系统基本原理示意图。 图 1-1 水源热泵系统基本原理示意图 水源热泵工作过程中需要少量高位电能输入。由于水源热泵能够合理地应用一定的高位能源，并把储藏丰富但不利于使用的低位热能转变为高位能源加以利用，从而达到节约高位能源的目的。 （2）污水源热泵系统基本原理 污水源热泵技术也是基于水源热泵技术的原理，只是其所采用的低位热源为污水（包括原生污水、可再生水等） ，需在热
3、泵主机前端加装专用换热装置，由该装置内的循环中介水（清洁水）汲取污水中的热能，供给热泵主机。由于污水的水质条件较差，存在悬浮物和杂质迅速累积的过程，因此提取热量时需要解决防堵、防垢及低能耗运行等一系列问题。如图 1-2 原生污水源热泵系统原理图所示。 图 1-2 原生污水源热泵系统原理图 2、水源热泵系统的特点 （1）机组高效节能 热泵机组在制热名义工况（热水进出口水温 45/50）下：，能效比最高可达 1：4.7；在制冷名义工况（冷水进出口水温 7/12）下：能效比最高可达 1：7。 （2）运行安全可靠 水源热泵系统水源端供、回水的温度和水量相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动。夏季水体
4、作为冷源，冬季水体作为热源，水体温度较恒定的特性，使得热源机组运行更可靠、稳定，也就保证了系统的高效性和经济性。 （3）灵活应用 水源热泵系统是可以基本保证按全年用户的采暖空调需求运行，特别是春秋过渡季节均能运行。 （4）零污染： 供热时省去了锅炉房，没有燃烧过程，避免了排烟污染；制冷时省去了冷却塔，避免冷却塔噪音及污染，既不消耗也不污染水资源。 （5）节约投资 水源热泵系统一套系统既可为用户供冷，又可为用户供热；不需要设冷冻机房及冷冻水系统，不需要设置锅炉房，安装和投资费用大大降低。 二、水源热泵空调系统节能技术分析 完整的水源热泵空调系统由水源系统、热泵机组、输配系统、末端用户系统组成（结
5、构组成如下图 2-1 水源热泵空调系统组成） ，其能耗相应也由各部分能耗共同构成。 图 2-1 水源热泵空调系统组成 就水源热泵机组本身而言，其节能环保的优势非常突出，但水源热泵空调系统增加了水源系统的初投资以及取水输水的能耗。一般而言，水源系统包括水源、取水构筑物、输水管网、水处理设备等，在与常规空调系统形式比较时，往往也因为这部分投资和运行费的增加抵消了水源热泵空调系统的一部分优势，使得应用受到了限制。因此，在空调系统设计中，除了与水专业人员深入配合，设计高效经济的水源系统外，空调系统本身应结合具体情况综合应用节能技术，提高系统的整体能效。1、输配系统变频节能技术 输配系统主要由水泵及其管
6、路、阀件等组成，其任务是将蓄载冷热量的水或空气等媒质，输送和分配至空调末端。随着变频技术的成熟，空调系统中的输配设备，如水泵，越来越多地采用这种技术进行节能。研究分析表明，变频技术应用在空调水系统中，能有效解决部分负荷下的大流量小温差问题，大大减少运行能耗。 对于系统较大、阻力较高，且水系统分区各环路负荷特性相差较大时，可采用二次泵方式，二次水泵的流量与扬程可以根据不同水力特性的环路分别配置，极大地避免了无谓的浪费。而且二次泵的设置不影响制冷主机规定流量的要求，可方便的采用变流量控制和各环路的自由起停控制，负荷侧的流量调解范围也可以更大。尤其当二次泵采用变频控制时，其节能效果更好。 2、负荷优
7、化配置与调控技术 建筑的负荷计算是一切采暖空调工程设计的基本依据。建筑冷(热)负荷全年、一天当中均存在着变化，分析建筑的动态负荷，存在着一定的规律。合理的系统形式和冷热源方案的设计，均需要准确的建筑负荷及其变化规律的基础数据。 已有较多学者研究探讨了负荷模拟软件在节能设计中的应用。利用辅助设计的建筑能耗分析软件，可以模拟建筑物全年 8760h 逐时的室温、系统的冷、热负荷等。依据其结果，如逐月与全年的最高冷、热负荷数据，可以确定或校核空调冷、热源设备的设计容量。分析建筑不同区域冬、夏季热、冷负荷与累计冷、热量的数据，能够对空调水系统的划分与空调方式提出合理的建议。根据逐时冷、热负荷数据，可以准
8、确统计出全年的冷负荷与热负荷分布的累计时间规律，从而可以制定出建筑的全年冷、热源设备优化控制策略。 因此，一方面在准确的动态负荷计算的基础之上，对冷热源设备的台数、装机容量的大小等进行合理配置；另一方面，根据逐月逐时的负荷变化规律，对投入运行的机组设备进行调节控制，均能大大地减少能耗，提高设备和系统的能效。 3、区域供冷供热技术 区域供冷供热系统是指由专门的制冷(热)中心机房集中制造冷水或热水，通过区域管网为一个或多个大规模建筑物供给冷(热)的系统。 由于集中选用大型优质高效的设备，避免了建筑单体采用中小型空调设备效率低、质量参差不齐的缺点。而且综合考虑不同建筑单体使用时间及负荷的变化，减少了
9、设备总的装机容量，设备投资以及配电设施费用可显著下降。设备运行效率的提高，使耗电量减少，从而减少了温室气体的排放。 三、工程实例分析 1、工程概况 北京某再生水厂；设计规模近期 8 万 m3/d，远期 11 万 m3/d；近期构（建）筑物占地面积约 3.4 万 m2；主要服务范围包括该区域的污水，面积约 46.98 平方公里。 厂区内构筑物主要包括鼓风机房、脱水机房、加药间、主配电室、膜车间、生物滤池等 15 个单体，建筑物主要包括综合楼、传达室。 厂区鸟瞰图如图 3-1 再生水厂鸟瞰图所示。 图 3-1 再生水厂鸟瞰图 2、工程冷、热源方案 （1）冷、热负荷 厂区内构筑物的室内采暖温度为 5
10、10，建筑物的室内采暖温度为1625，再生水厂厂区需采暖的新建构（建）筑物的建筑面积约为11170m2，计算热负荷为 708kW；厂区需空调的新建构（建）筑物的建筑面积约为 3751m2，计算冷负荷为 293kW （计算软件为浩辰 V2011 版软件）。 （2）冷、热源方案确定 该再生水厂周边暂无配套市政热力管网设施，根据公共建筑节能设计标准关于冷热源的规定：具有天然水资源可供利用时，宜采用水源热泵供冷、供热技术。 经与工艺专业配合，综合考虑，采用水源热泵系统为厂区冷、热源。其水源采用处理后的污水，取水自清水池出水总干管，回水至清水池进水总干管。清水池出水水温10，正常运行时的出水水质为地表I
11、V 类水。 在再生水厂运行初期，或维护检修期，工艺水处理流程可能做跨越处理，其出水水质如表 3-2 水质参数所示。 表 3-1 水质参数（单位：mg/L） COD BOD5 SS TP TN NH3-N 出水水质参数 50 10 10 0.3 15 1.5 为满足不同时期出水水质的情况，水源热泵系统采取间接换热的方式，设置污水专用换热器。 （3）水源热泵系统设计 如图 3-2 再生水厂水源热泵系统图所示 图 3-2 未来科技城再生水厂水源热泵系统图 热泵机房位于厂区东侧，与配水泵房合建，建筑面积约为 236m2。 冬季供暖供回水温度为 50/45，夏季空调供回水温度为 7/12。 热泵机房设置
12、 3 台水源热泵机组，水源热泵机组单台制热量 278kW，制冷量 296kW。 热泵机房内设备包括污水专用换热器、中介水循环泵、末端循环泵、定压补水装置（两套） 、软水器、软水箱、分集水器等；取水泵设置于配水泵房内。 热泵机房内设备布置如图 3-3 热泵机房设备平面布置图所示。 图 3-3 热泵机房设备平面布置图 3、水源热泵系统技术节能设计 （1）水源热泵机组 水源热泵机组采用环保冷媒 134a；热泵机组可根据各工况需求调节水流量，能量调节范围为 10100%无级调节，强化了调节精度，比分级调节的机组更加节能。 热源机组 3 台并联，可根据制冷制热不同工况同时运行 1 台或 3 台热泵机组；
13、冬、夏季通过阀门的切换来实现水源热泵系统冷热工况的转换。在热源机组的所有进出水管上设置电动阀门，以保证投入运行的机组的流量分配要求，也使未投入运行的机组在停机阶段承压降低。如图3-4 水源热泵机组及连接管件阀门所示。 图 3-4 水源热泵机组及连接管件阀门 （2）水泵变频节能设计 热泵系统的取水泵、末端循环水泵采用多台并联运行的形式，水泵均为变频水泵。 根据冬夏季不同工况的取水量需求，由其变频控制系统（原理如图3-5 水泵变频控制系统原理图所示）根据供回水主管压差设定值控制水泵的运行台数和转速，实现水源热泵系统制冷制热工况的变水量运行和节能控制。 图 3-5 水泵变频控制系统原理图 （3）取水
14、水源节能设计 该再生水厂处理的原生污水经全部工艺流程处理后，出水水质为地表 IV 类水。具体参数如表 3-2 水质参数所示。 COD BOD5 SS TP TN NH3-N 出水水质参数 30 6 浊度 5NTU 0.3 10 1.5 表 3-2 水质参数（单位：mg/L） 此水质参数满足直接接入水源热泵机组的要求，在水源端和中介水端设旁通管，跨越污水专用换热器，管道上均需加设阀门，以便切换。 当水源侧的水质满足热泵机组要求时，可跨越污水专用换热器，直接进入热泵机组，从而减少冷热能的消耗，提高机组效率，起到节能的作用。 （4）热泵系统自控节能设计 整套热泵系统（包含取水部分）的控制系统（包括配
15、电、保护、控制和操作）全部纳入热泵机房的配电控制柜中，并上传至综合楼的内中控室，工作人员可就地或远程检测并控制热泵系统运行。 如图 3-6 热泵系统中控室监控界面所示。 图 3-6 热泵系统中控室监控界面 （5）末端设备节能设计 本工程主要以厂房为主，空间大，厂房高度一般为 813m，厂房内采暖设计温度为 510，根据上述特点及厂区热源参数，对于高大空间的厂房末端设备采用了壁装式大空间高效暖风机组。如图 3-7 壁装式暖风机组所示。 图 3-7 壁装式暖风机组 大空间高效暖风机组采用高效钢管-铝翅片换热器换热，涡流送风器送风（电机防护等级 IP54） 。此机组热效率高，温度场分布均匀，水平送风
16、距离约 30 米，可有效减少设备用量及配套管件阀门量，从设计、施工安装、运行及检修上都有效的节约了能耗。 大空间高效暖风机组的控制采用区域控制，按使用功能划分若干台暖风机设计一台控制系统，设就地控制箱。各个独立区域内设置温度感应探头，冬季根据室内实测温度来自动控制机组的启停，有效的节约能源。 4、投资与运行费用的比较 （1）计算方法 该地区夏季空调期为 5 月中到 9 月中，约 120 天；冬季采暖期为 11月中到次年 3 月中，为 120 天。在运行费用统计上，采用分时段计算法，即分别把制冷期和采暖期划分为 5 个时段：20负荷段、40负荷段、60负荷段、80负荷段和 100负荷段，分别逐时计算相应时段的运行费用，并加以汇总，就得出总的运行费用。该地区电价按照 0.7 元/kWh，燃气价格按照 2.1 元/Nm3 计算。 （2）系统运行费用计算 如表 4-1 水源热泵运行费用计算所示： 表 4-1 水源热泵运行费用计算 设备名称 功率 季节 运行天数 负荷百分数 时间百分数 每天运行
