1 水源熱泵開發的背景
隨著科技進步及國民經濟的高速發展,人們對生活品質的要求也越來越高,用來滿足人們舒適度要求的空調系統,不僅在工業及商業建筑中得到了廣泛應用,近年來在住宅建筑中的應用也越來越普遍。由于建筑能耗中的很大部分是被采暖空調系統所消耗,因此空調系統的廣泛應用,使得建筑能耗大幅增加。
在這種背景之下,以節能和環保為主要特征的空調系統——水源熱泵空調系統應運而生,該系統以地球水體所儲藏的太陽能資源為冷熱源,通過輸入少量的高品位能源(電能),實現低溫位熱能向高溫位熱能的轉移。地表土壤和水體不僅收集了47%的太陽輻射能量,而且是一個巨大的動態能量平衡系統。因此,利用地下水源的熱泵空調系統屬于可再生能源利用技術,另一方面,熱泵系統運行效率高,性能系數可達3.0以上。由于系統只需輸入少量高品位電能,因此不會產生有害氣體,對大氣不會造成污染,是真正的環保節能型空調系統。
2 水源熱泵中央空調的設計
2.1 水源熱泵空調系統的設計
(1)整體方案設計。
本系統是利用地下水循環中的熱量作為水源熱泵系統的低溫熱源,循環方案選擇水一水熱泵系統。
對于本系統來說,由于一般而言夏季工況下蒸發器與冷凝器的負荷略大于冬季工況下的負荷,由此可知夏季工況下選型得到的換熱器面積也略大于冬季工況下所需的換熱器面積,所以,按照夏季工況進行換熱器選型,不僅可以滿足冬季工況的要求,還可以使系統在冬季工況運行時有較高的能效比。
在所設計的水源熱泵空調系統中,通過四通換向閥改變熱泵工質的流向來實現制熱與制冷循環的切換。在供暖期,加熱后的循環水一部分被直接引至換熱器,此時換熱器即為熱泵系統中的蒸發器,在蒸發器中循環水的熱量被熱泵工質吸收,降溫后排入循環水池。熱泵工質吸收熱量后蒸發,經過壓縮機升溫升壓,在冷凝器中,將從蒸發器中吸取的熱量和壓縮機耗功所提升出來的那部分熱量排出,放出的熱量就傳遞給空調用水,使其溫位提高用于供暖,溫位降低則可以用于制冷循環。
(2)系統末端裝置分析。
就系統末端裝置的形式而言,水源熱泵空調系統又分為集中的大型水—水式水源熱泵機組+風機盤管和分散的水-空氣式水源熱泵機組形式。根據以上所述水源熱泵技術的特點,結合本方案的具體設計情況,確定采用集中的大型水-水熱泵機組+風機盤管的形式,原因如下。
①此種形式的水源熱泵系統所采用的設備在國內均有成熟產品,在價格和售后服務方面更易得到保障。
②由于末端水一空氣式水源熱泵機組帶有壓縮機,在噪音控制方面較為不利,考慮到噪音的控制,因此采用只有風機而不帶壓縮機的風機盤管作為末端設備更為有利。
③尤其是在北方,冬季空調計算溫度低達-12℃,由于水-空氣機組對進風溫度有要求(一般不低于5℃,否則低溫保護將啟動),冬季新風的處理必須使用電加熱預熱,在地表水充足的情況下不能有效利用免費的地熱資源,而該方案能夠有效的避免上述問題,更加合理高效的利用熱能實現采暖供熱的需求。
2.2 水源熱泵空調在采暖中的應用及其經濟性分析
(1)采暖應用分析。
采用水源熱泵空調供暖,在設計上首先要進行供暖熱量的計算及驗證,為設計合適的水源熱泵空調功率奠定基礎,其次,要選用合適的元件,確保換熱、散熱、冷凝等工序的順利進行,第三,要為水源熱泵空調系統選擇合適的冷源與熱源,水熱源由應用水作為熱泵機組的冷(熱)源,采用水作為傳熱介質,可以極大的提高空調系統的換熱量,尤其是在采暖供熱方面,可以應用河、湖及海水、地下水、廢水等。
實際上,水源熱泵空調系統是以一個雙管封閉的循環系統,以采暖熱泵空調系統為例,循環系統并聯聯接住宅建筑中每戶水源熱泵機組,每戶設一個水源熱泵機組,當冬季需要采暖供熱時,冷媒從循環水中取走熱量,室內空氣流經機組室內側熱交換器后,經風管系統送人主要房間進行空調及采暖。
(2)經濟性分析。
①直接經濟效益:水源熱泵調峰供暖能否與傳統鍋爐供暖相抗衡,主要取決于產生效益的高低。以供、回水溫度50℃/35℃、供暖面積5萬m2為例,燃煤鍋爐的單位供暖成本13.65元/m2,地熱水源熱泵調峰供暖方案的單位供暖成本15.41元/m2,比鍋爐高出13%。從直接經濟效益上看,水源熱泵調峰供暖會比鍋爐調峰供暖的利潤低;但若從合理使用能源的角度上分析,鍋爐調峰并沒有很好地解決地熱資源合理利用的問題,而且通過二次燃料的消耗,又或多或少地造成環境問題。而水源熱泵系統是通過從廢棄地熱水中提取熱量,來擴大供暖面積,地熱利用率可提高30%左右。從供熱系統本身而言,對環境并未造成危害,既保護了環境,又節約了地熱資源。傳統的采暖方式采用燃油燃氣鍋爐,從環保角度上會優于燃煤鍋爐,但由于價格相差懸殊,必須要考慮經濟性。
②間接經濟效益:水源熱泵與鍋爐供暖相比,所產生間接效益的差別是不容忽視的。在效益分析中,由于鍋爐及配套設備所占用土地、運輸、出渣、排放煙氣及灰塵處理等在計算成本時受多種主、客觀因素所限,很難以統一尺度進行衡量,被視為間接效益。與熱泵調峰供熱相比,燃煤鍋爐要留有儲煤、存渣場地、運輸通道,粗略估算其占地面積相當于一個水源地熱站的5倍。如果是燃油鍋爐,要有配套的儲油罐,除了要占用一部分空間以外,增加了管理上的難度。雖然燃氣鍋爐清潔、占地面積小,但運行成本之高,目前在供熱市場還很難全面推廣。
③環境效益分析:采用水源熱泵調峰供暖可有效地減少常規燃料需求和灰、渣、二氧化硫及氮氧化物排放量,并相應減少城市運輸量,具有明顯的環境效益和社會效益。
3 水源熱泵技術的特點及應用前景
水源熱泵技術在實際應用中,相對于傳統的空調采暖技術,具有很多突出的優勢,具體表現如下。
(1)是一種可再生的清潔能源利用技術;(2)高效節能;(3)一機多用,應用廣泛;(4)節水、省地。
水源熱泵技術目前集中應用在商場、大廈等建筑物中,并且多采用地下水源和污水源,隨著熱泵技術的發展,將來水源熱泵技術可以進一步應用在家庭住宅、別墅、車庫等中小型建筑物中,其綠色清潔的能源利用方式、高效的能源利用率、低廉的投入費用等必將迅速占領采暖供熱市場,取代傳統的采暖供熱空調系統。
摘要：針對傳統空調系統采暖供熱效率較低、消耗能量大的弊端,水源熱泵空調技術得到迅速發展和廣泛應用。本論文在介紹了水源熱泵技術的特點及其應用前景的基礎上,給出了水源熱泵中央空調系統的設計方案,完成了水源熱泵空調系統的整體設計,并對設計中有待研究和探討的問題進行了分析討論,對于進一步推廣水源熱泵空調系統的應用具有一定的借鑒意義。
關鍵詞：水源熱泵技術,采暖系統,空調系統設計
參考文獻
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