水源热泵系统应用于供暖分析

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水源热泵系统应用于供暖分析

一、概况

某学院新校区位于东北某市高新技术产业区内，规划用地3200亩，建筑面积60余万平方米，分两期实施。其中一期占地1600亩，建筑面积35万平方米，包括教室、实验楼、图书馆、行政办公楼等多种建筑。依照当地规划部门的意见，考虑环保要求，拟采用地下水水源热泵系统进行供暖和供冷。地下水水源热泵系统是地源热泵系统中的一种，是以地下水作为冷热源的供暖供冷系统。由于其环保性和节能性，近期在国内外都得到了大力推广和应用。由于采用地下水水源热泵系统进行供暖供冷在当前沿是一项较新的技术，建筑方特委托我方对该工程采用水源热泵系统的可行性进行分析。本文重点介绍了对该工程采用地下水水源热泵系统进行供暖的经济性。

二、当地的水文地质状况和能源状况

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建设方委托当地地质工程勘察院落对工程所在地进行了实地勘查，并钻控了观察进和试验井，对当地地下水的水温，含水层分布，出水量以及回洪量等参数进行了试验研究，给出了水文地质报告和地下水水质分析报告。根据上述报告，当地地下水水温为9.2-10℃，水质较好，符合热泵机组的用水要求；当地地下水平均年下降速率为0.18m/a，有效含水层平均厚度为34米；在适当的井群设计下，建议采用Φ500的井管，在井深50米的情况下，每口井的出水量为5000m3/d，回灌水量为1800 m3/d。 由于该校区所在地市政设施沿不完善，热力管网和燃气管网均未敷设到位。能源主要以煤矿和电为主，除地热能外，唯一现实和被允许的供暖方式只有采用区域锅炉房+散热器的方式。 根据甲方提供数据，该地区电价按照0.69元/度计算，燃煤按照250元/吨计算，暂不执行分时电价政策。

三、地下水水源热泵系统的确定

就地下水的运行方式而言，地下水水源热泵系统分为两种，一种为直接式系统，另一种则为间接式系统，它们的区别主要在于地下水是直接引入热泵机组还是地下水不直接进入机组，而是通过板式换热器通过小温差换热的方式运行将热量传递给热泵机组。直接式系统能让地下水的热量得到充分利用，但地下水的品质直接影响到水源热泵机组的寿命；间接式系统虽然可以用廉价的板式换热器保护了昂贵的水源热泵机组，但由于存在换热温差，不能充分利用地下水热量和温度。

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就系统末端装置的形式而言，地下水水源热泵系统又分为集中的大型水-水水源热泵机组+风机盘管和分散的水-空气水源热泵机组形式。从投资上看，大型水-水水源热泵机组+风机盘管的系统形式是一种更为集中的空调方式，国内已有生产，由于机组较为集中。因此水源热泵机组初投资较小，但热泵机组需要在建筑中设置专用的机房，水-空气水源热泵系统相对分散，目前成熟产品主要为国外品牌，机组初投资略高；从运行上来看，由于水水-水水源热泵机组的能量调节只能分有限的级数进行，而且要同时供冷热就必须采用四管制，因此比较适合于作息时间比较统一，负荷比较一致的场合；水-空气水源热泵机组自带温控器，可以根据使用要求进行独立的调节和运行，还可以在两管制的情况下实现四管制才有的同进供暖供冷的功能，但由于压缩机集成在机组内部，有一定的噪音问题，因此比较适合作息时间多样化且使用要求也比较多样但噪音要求不太严格的商用和公用建筑。

针对以上系统特点，如果本工程采用间接式系统，由于当地地下水水温冬季仅有9℃左右，热泵机组的出水温度可能在3℃以下，为避免冻结的危险有必要在循环水种添加防冻剂。由于当地地下水符合热泵机组的用水要求，为避免循环水中添加防冻液，由此带来的一系列的运行、设计和管理难题，在做好除砂过滤和除氧防府工作（仅限于物理处理）的前提下，该系统采用直接式系统。同时，考虑到学校用房的作息时间和使用功能都比较单一，一般整栋建筑的使用都是同步的，且学校教室对噪音要求较严，同时综合考虑造价因素，决定本工程选用直接式地下水水-水热泵机组+风机盘管（或空调箱）的系统形式。

在上述系统形式下，计算得到供暖所需理论地下水流量为2874m3/h。根据水文地质报告和的需水量，计算得到所需供水井为14眼，回灌井数量为38眼。最终设计井群为：供水井17眼（含3眼备用井），回灌井43眼（含5眼备用井）。

四、经济分析

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考虑以学校地处东北，供冷时间较短，且大部分时间处于长达两个月的暑假期间，地下水水源热泵系统的主要功能为供暖，供冷只是一项附加的功能，因此甲方最迫切需要知道的是系统用于供暖的经济性。根据当地能源条件，以下主要就燃煤区域锅炉房+散热器系统和地下水水源热泵+风机盘管系统的供暖功能就整个35万平方米的一期工程进行技术经济比较。

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1．初投资

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燃煤区域锅炉房+散热器系统整个校区统一设置一个区域锅炉房，末端采用传统的铸铁采暖散热器，热力管道直埋敷设，没有包含热力站和锅炉房的土建费用和其他当地规定应收限的费用，如排放费等。地下水水源热泵+风机盘管系统平均5万平炉左右设一个热力（冷冻）站，共7个热力站，末端装置采用风机盘管，有的建筑中还需要增加新风机组，热力管道直埋敷设，没有包含热力站和土建费用和其他当地规定应收取的费用，如水资源费等。

2．运行费用

燃煤区域锅炉房+散热器系统的运行没有考虑可调节控制和可计量的手段和因素，仍假设所有的散热器在供暖期间24小时运行，热网定流量运行。 地下水水源热泵+风机盘管系统假定地下水和系统冷热水都是定流量运行，每栋建筑风机盘管制运行调节规律与供暖负荷的分布情况一致，供暖负荷按稳态计算，与室外温度分布情况一致，水源热泵机组的使用按照60%满负荷进行计算。由于学校建筑使用时间不一，也不可能全天运行，所有建筑的平均使用时间按每天10小时计算，供暖时间根据规范为152天。

3．单位面积供暖成本 燃煤区域锅炉房+散热器系统和地下水水源热泵+风机盘管系统的单位面积供暖成本比较结果如图三所示。计算中考虑到燃煤区域锅炉房+散热器的供暖系统的寿命为15年，地下水水源热泵+风机盘管系统寿命也按15年考虑，所有设备按直线折旧计算。

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综合以上比较，可知：

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（1）采用燃煤区域锅炉房+风机盘管系统的初投资远远高于燃煤区域锅炉房+风机盘管系统，前者因为同时兼有供冷供热功能，系统造价理所当然要高，但在本工程中却用不到供冷功能，系统初投资部分浪费，投资没有发挥其全部功能。

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（2）地下水水源热泵+风机盘管系统的运行费用高于燃煤区域锅炉房+风机盘管系统，主要原因是前者所提供的热量中有大约三分之一为优质高价的电能转化而成（包括潜水泵耗电、热泵机组耗电、循环泵耗电），而后者所供热量主要由廉价的燃煤转化而成。当地电价过高是造成前者运行费用过高的主要原因。

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（3）地下水水源热泵+风机盘管系统和燃煤区域锅炉房+散热器系统是两种不同档次的系统，它们的使用效果和舒适性都有一定差异，所产生出的质是不一样的，如果从性能价格比这个角度上来看，它们的差距并不象前文得出的结果那样悬殊。

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五、结论与建议

（1）在本工程条件下，单就实现供暖这一主要功能而言，燃煤区域锅炉房+散热器系统所付出的投资仅为地下水水源热泵+风机盘管系统的30%左右。燃煤区域锅炉房+散热器系统的供暖成本不到地下水水源热泵+风机盘管系统的供暖的一半。

（2）地下水水源热泵系统供暖虽然在环保性、节能性和可持续发展性等方面具有巨大优势，但根据各个工程的实际情况，并非一定是最经济的方案，当地电价是影响其运行经济性的重要因素。

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（3）在北方地区采用地下水水源热泵必须注意地下水的出水温度。温度较低时必须注意可能引起的冻结危险和机级效率的下降。有用直接式系统时需注意地下水水质状况和地下水的处理，需回灌的地下水不允许进行化学处理以免造成污染。

（4）单纯采用地下水水源热泵系统进行供暖一是会造成投资浪费，二是可能会地下水层的冷积聚，最好让系统能在冬夏同时运行或采取措施防止冷积聚。