解决供热空调的水源热泵系统

     解决住宅供热空调需求的水源热泵系统一．背景　　目前随着我国住宅市场化改革，新建商品住宅小区飞速发展，近三年每年住宅竣工面积近五亿平方米。随着城市环境问题的日益重视和能源结构的调整，北方地区新建小区一般就不再运行采用燃煤锅炉房供热，何种方式可以经济、清洁地解决这些新建小区的供热问题成为目前住宅建设中的大问题。另一方面，近年来我国住宅空调安装率迅速增长。上海居民住宅空调拥有率已超过60％，北京也达到34％。据报道中国城镇居民住宅平均拥有率已达20％，并且目前家用空调拥有率仍在飞速增长，很可能成为冰箱、彩电后迅速普及的又一种家电。这样，对于黄河和长江中下游地区的城市，住宅环境就不再仅仅是采暖问题，而是要统一考虑采暖和空调的需求。为此，采用深井回灌的水源热泵方式可能成为满足这种需求的住宅供热空调方式。本文介绍此种方式的基本原理，深井、水系统和末端的解{TodayHot}决方案，以及投资与运行费用分析与比较。二．基本原理　　这种方式在冬季是间接地利用地下水作为媒介，取地下深层砂、石的热量作为各户热泵的热源向户内供热，同时将建筑物中取得的冷量排入地下。而在夏季则通过地下水作为媒介，以它作为各户热泵的冷却水，同时将建筑物产生的热量排入地下。这样冬季从地下取热存冷，夏季取冷存热，若建筑物冬季供热量与夏季供冷量差不多，则一年内地下基本热平衡，未取出或存入热量，不会造成地下的热污染。同时，由于冬季地下水温度远比室外空气温度高，因此冬季热泵效.率比空气水热泵高，并且不存在结露等问题。夏季则以16～26℃为制冷机的冷却水，可以得到很高的COP，甚至在某些情况下可直接用此水作为冷源进行空调，而不用开启水源热泵。由于地下水通过换热器3换热后排回地下，仅仅利用了地下水的冷量（热量），而不消耗一滴水资源，地下水的整个流程都不与空气接触，因此也不会造成地下水资源的污染。　　因此，深井回灌水源热泵方式是节约能源，保护环境，节约用水，同时满足冬季供热与夏季空调要求的方式。三．各部分技术方案1. 对深井的要求　　由于向地下回灌比取水要困难，因此，可行的方案为打三口井，一口取水，两口回灌。同时，定期交换，使每口井都轮流工作于取水和回灌两种状态。这样相当于定?quot;洗井"，可以使深井长期高效、可靠地工作。　　为保证抽取出的水温长期温度稳定，三口井间要保证足够距离。若三口井布置为如图2所示边长为100m的等边三角形，每个井取/灌水对应的地下含水层高度为20m，则可认为地下100×100×20m3砂石层为蓄热体，当温度变化{HotTag}4℃时可蓄存热量为：　　Q=4℃×100×100×20×(r×Cp×0.7+r水×Cp水×0.3)取r＝2500kg/m3，Cp=0.2大卡/℃·kg，则Q=520百万大卡。若冬季采暖3000小时，平均采暖负荷25大卡/m2·hr，则冬季需要供热量为7.5万大卡/m2，当热泵的COP=3，则需要从地下取出的热量为5.7万大卡/m2，520百万大卡可满足9000m2建筑面积供热要求。夏季空调2000小时，平均负荷25大卡/m2·hr，因冷却水温低，取COP=4.5，则需向地下排热6万大卡/m2，520百万大卡可满足约8500m2建筑面积空调，与可满足的供热面积大致相同。一万平米地面积服务于约9000 m2建筑，容积率为0.9，除高密度住宅区外，一般城镇的多层住宅区基本上可满足这一要求。目前的深井和泵房建设投资约1000元/m井深，三口井井深为100～200m时，投资为30～60万，相当于50～100元/m2建筑，基本接近目前各地区集中供热接入时的集资配套费。因此，只要建筑容积率小于0.9，地下水位不超过150m，这一方式在技术和经济上是可行的。2. 水系统及水源热泵　　为了降低深井投资并节省水泵运行能耗，应尽可能减少深井回灌回路循环水量，为此就需要尽量加大此回路的供回水温差。若冬季抽出的水温为15℃，为防止结冻，回水温度取作5℃，水温温差10℃，为满足高峰负荷要求，取循环水量为5kg/m2·hr，最高供热能力可达到65大卡/m2·hr。水泵采用恒流量运行，这样随负荷变化和季节变化，供水温度逐渐下降，回水温度升高，温差也在10℃～2℃间变化。夏季抽出水温为15℃时，经换热器升温至25℃，循环水量可仍取5kg/m2·hr。　　为充分利用地下冷热源，尤其是冬季尽可能加大深井抽灌温差，必须尽可能减少板式换热器传热温差，取逆流换热器温差为1℃，则地面进入建筑物的循环水在冬季最大负荷时参数为供水14℃，回水4℃，夏季则为供水16℃，回水26℃，这时就要求各户的水源热泵在10℃的大温差下工作。然而热泵侧却不希望如此大的温差，这将给冬季作为蒸发器，夏季作为冷凝器的换热器设计带来困难，并且会降低热泵的COP。为此考虑可采用如图3所示水侧串联的方式，将六～八台水源热泵的水侧串联，水经过每台水源热泵温降（冬季）1.3～1.7℃。这样使循环水总体上实现"大温差小流量"，而每台热泵机组却?quot;小温差大流量"。同时满足了循环水和热泵机组对流量和温差的彼此对立的要求。对热泵机组来说，温差小可使热泵高效工作，提高其COP。采用上送下回方式时，从上向下热泵的制热量和COP逐台下降，最下面一台蒸发器侧水温将工作在5.3℃～4℃间。其性能比9℃～4℃的水温时有些下降，但竖向各台平均，总的效率要远高于每台都工作于14℃～4℃时，或一半工作于14℃～9℃，一半工作于9℃～4℃时。当然，用谡庵址绞降娜缺盟吭龃?～4倍，因此必须采用专门的低阻力换热器，否则水侧压降会过大直至由于流动阻力过大而无法工作。　　一般适合于此方式的多层建筑层高不超过8层，因此仅在各户卫生间内设一立管，将各户的热泵机组串联，水系统可非常简单，类似于目前的单管串联暖气系统。这样即降低了楼内配管投资，还使水系统的流量分配较容易调整，避免了并联系统各用户水量分配不均匀的现象。图3中的旁通阀一般总为关闭，除非热泵机组拆除维修时，才打开旁通阀，以免影响其它用户的使用。　　当某一立管流量较小时，会导致温差加大，在冬季会导致回水温度过低直至出现在图3 A、B处冻结。为此在各立管回水处（图3的A、B处）装自立式温控阀，温度低时自动将阀门开大，增大流量，温度高时则自动将阀门关小，以减少流量。此阀门应仅工作在3℃～7℃，范围内。当温度大于7℃，阀门将不再动作，这样才能不影响夏季工况的正常运行。利用双金属片温控器的非线性特性，这种要求实现起来并不困难，实际上在冬季上送下回，立管流量偏小的管内水温偏低，而立管流量偏大的水温偏高，由此导致的重力差可自动使流量偏小的加大流量，从而得到较好的平衡。　　夏季各立管流量分配不均匀仅会使流量偏小的热泵性能变差，耗电增加，而不会出现结冻事故，因此不需采用更多的调节和保护措施。采用这种方式，尽管总的循环水量为5kg/m2·hr，比2－3kg/m2·hr的热水采暖系统循环流量大，但因为一户一立管而不是一组暖气一立管，因此楼内管道投资应接近于一般采暖的管道系统。管道也无保温，防结露等要求。与中央空调集中供冷水系统比较，楼内管网投资要低的多。3. 末端装置　　采用"一户一机"方式，每户安装一台水??水热泵，为该户提供供热用热水和空调用冷水。户内的末端装置可以有多种选择。可以采用风机盘管，冬季送热风，夏季送冷风。这种方式系统简单，但冬季热风有的用户觉得有吹风感。还可以冬季继续使用采暖散热器供暖，夏季使用风机盘管，但室内需有2套管道，并且在秋季间和春季间通过手动阀门进行转换。还有一种采用辐射吊顶的方式，使热水和冷水通过吊顶中的水道，通过辐射方式向房间供热和供冷。此方式的最大问题成为夏季吊顶表面结露问题。已有与供新风、除湿与吊顶辐射相结合的新型辐射吊顶方式（见专利公告：一种新型辐射吊顶空调末端装置），可较好地解决此问题，由于篇幅所限此处不再深入介绍。　　由于增加了空调功能，因此不论采用哪种末端装置，户内投资均高于暖气系统。然而如果采用水水热泵和风机盘管方式的话，每户的投资应与住户每个房间均安装分体式空调的投资相当。四．经济分析　　根据上一节比较，采用这种"一户一机，统一供水，深井回?quot;的水源热泵方式，其初投资与集中供热（只付集资费），暖气采暖加各房间分体式空调接近，考虑后者是目前城镇住宅环境控制的发展趋势，其投资规模已被住户认可，因此本文的水源热泵方式初投资也可以接受。　　系统运行费包括深井循环水泵电耗及管理费用，地面上循环水系统水泵电耗及管理费用以及户内热泵与风机盘管电耗。下面分别计算讨论：　若循环流量为5 kg/m2·hr，则　深井循环水泵功率1.5W /m2　地面循环水泵功率0.7W/m2　　全年运行5000小时，再考虑管理维护费，可折合5元/m2·年。冬季平均负荷为25大卡/m2，当COP=3时，整个冬季3000小时热泵耗电21度/ m2·年，每度电0.40元时，电费8.4元/m2·年。夏季平均负荷25 大卡/m2，当COP=4.5时，整个夏季2000小时热泵耗电11.8度/ m2·年，计电费4.7元/m2·年。风机盘管电耗1.5W/m2，5000小时为7.5度，3元/m2·年。这样，每平米全年合计运行费用为21元/m2·年。目前北京市集中供热收费已调整到20元/m2·年，且不包括夏季空调，因此水源热泵方式比目前集中供热方式运行费用低。　　由于我国燃煤发电效率平均为30％，因此COP=3的热泵所消耗的一次能源比燃煤直接供热要略低些，附加的水泵功耗也与集中供热泵耗相当，因此折合成一次能源的话，水源热泵系统耗能也低于直接燃煤系统。五．结论　　由上述分析可见，采用"一户一机，深井回灌"的水源热泵很适合我国目前同时需要供热和空调的住宅小区，这种方式无论从初投资还是运行费，都优于目前的冬季燃煤锅炉采暖＋夏季分体空调方式。同时，系统管理方便，住户可很方便地单独对温度调节。这一方式全部能源由电提供，无任何污染，空调排热全部进入地下用于冬季采暖，不再对小环境造成热污染，并且再不悬挂室外机，美化了建筑外表面。尽管采用地下水回灌方式，但由于是全闭式低常虼思床幌娜魏蔚叵滤试矗植换岫云浯慈魏挝廴尽?br> 　　目前的问题是需要政府部门制定相应政策以支持这种节能、节水、保护环境的方式。一些城市目前抽水和回灌都要分别收费，导致此方式由于无任何经济性而根本无法推广。使有关部门认识到这种方式对保护环境、节约用水的意义，是成为推广这一方式的关键。 

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