水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在金源煤礦的應(yīng)用

【專家解說】：水源熱泵技術(shù)是通過利用地表淺層水源吸收的太陽能和地?zé)崮芏纬傻牡臀粺崮苜Y源，輔以少量電能，冬季，從相對高溫的水源中提取熱能，由熱泵機(jī)組通過空氣或水作載體，為建筑物供暖；夏季利用水體的相對低溫帶走建筑物中的熱量。風(fēng)冷熱泵則利用用空氣和電能來完成這一切。根據(jù)多方面的考察和當(dāng)?shù)氐乃牡乩砬闆r和未來的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、節(jié)能的措施的綜合考慮，嘗試采用水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行這方面的設(shè)計(jì)，獲得了較好的效果，現(xiàn)總結(jié)如下，供大家參考，有不足之處，肯請各位指正?！　?工程概況　　金源煤礦行政辦公區(qū)以及干警、犯人生活區(qū)占地面積3萬m2,礦區(qū)內(nèi)建筑分辦公樓、宿舍樓、醫(yī)院樓和教學(xué)樓四種?！　?經(jīng)濟(jì)分析　　由建筑工程學(xué)院設(shè)計(jì)院初步設(shè)計(jì)了四種方案，由于各種考慮，否決了其中的兩種，要求在余下的水源熱泵中央空調(diào)和風(fēng)冷熱泵中央空調(diào)兩種方案中進(jìn)行分析選擇。　　對兩方案初投資和運(yùn)行費(fèi)進(jìn)行了初步經(jīng)濟(jì)分析。初投資費(fèi)用比較見表3，運(yùn)行費(fèi)用比較見表4。　　3設(shè)計(jì)方案的確定　　空調(diào)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)　　3.1設(shè)計(jì)參數(shù)（見表1表2）　　空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)　干球溫度/℃相對濕度/﹪新風(fēng)量/m3人h噪音/dB（A聲級(jí)）夏季24~2850~7020≯60冬季18~20/20≯60　　空調(diào)室外設(shè)計(jì)參數(shù)　干球溫度/℃濕球溫度/℃相對濕度/﹪大氣壓力kPa夏季33.527.783100.45冬季5/70101.95　　3.2負(fù)荷計(jì)算　　冷負(fù)荷：礦區(qū)空調(diào)場所負(fù)荷包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱、設(shè)備散熱、人體散熱、照明散熱。圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》中的計(jì)算方法計(jì)算，通過大量計(jì)算與其它散熱源相結(jié)合，得出此空調(diào)冷負(fù)荷指標(biāo)：2676W/m2,熱負(fù)荷為2072W/m2?！　谋?、4可知，風(fēng)冷熱泵中央空調(diào)整體費(fèi)用要高于水源熱泵中央空調(diào)，而且風(fēng)冷熱泵的制冷熱系數(shù)隨著外界的溫度不斷的發(fā)生變化，從而導(dǎo)致制冷系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定、資源浪費(fèi)嚴(yán)重。而且水源熱泵機(jī)組與風(fēng)冷熱泵機(jī)組比，有以下優(yōu)勢：　　a)水源為深井水，水體溫度較恒定，機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，保證了系統(tǒng)高效性和經(jīng)濟(jì)性，且無須專人維護(hù)或操作，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用極少?！　)室外機(jī)組無須專用除霜設(shè)備，設(shè)備簡單?！　)由于水源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為10～25℃，其制冷、制熱系數(shù)可達(dá)3.5～4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運(yùn)行費(fèi)用為普通中央空調(diào)的50～60％。　　d)屬可再生能源利用技術(shù)　　水源熱泵是利用了地球水體所儲(chǔ)藏的太陽能資源作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。其中可以利用的水體，包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以及海洋。地表土壤和水體不僅是一個(gè)巨大的太陽能集熱器，收集了47％的太陽輻射能量，比人類每年利用能量的500倍還多（地下的水體是通過土壤間接的接受太陽輻射能量），而且是一個(gè)巨大的動(dòng)態(tài)能量平衡系統(tǒng)，地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發(fā)散的相對的均衡。這使得利用儲(chǔ)存于其中的近乎無限的太陽能或地能成為可能。所以說，水源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術(shù)?！　)高效節(jié)能　　水源熱泵機(jī)組可利用的水體溫度冬季為12-22℃，水體溫度比環(huán)境空氣溫度高，所以熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高。而夏季水體為18-35℃，水體溫度比環(huán)境空氣溫度低，所以制冷的冷凝溫度降低，使得冷卻效果好于風(fēng)冷式和冷卻塔式，機(jī)組效率提高。據(jù)美國環(huán)保署EPA估計(jì)，設(shè)計(jì)安裝良好的水源熱泵，平均來說可以節(jié)約用戶30～40％的供熱制冷空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用?！　)運(yùn)行穩(wěn)定可靠　　水體的溫度一年四季相對穩(wěn)定，其波動(dòng)的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的變動(dòng)。是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點(diǎn)問題。g)環(huán)境效益顯著　　水源熱泵的使用電能，電能本身為一種清潔的能源，但在發(fā)電時(shí)，消耗一次能源并導(dǎo)致污染物和二氧化碳溫室氣體的排放。所以節(jié)能的設(shè)備本身的污染就小。設(shè)計(jì)良好的水源熱泵機(jī)組的電力消耗，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少30％以上，與電供暖相比，相當(dāng)于減少70％以上。　　水源熱泵技術(shù)采用的制冷劑，可以是R22或R134A、R407C和R410A等替代共質(zhì)?！　∷礋岜脵C(jī)組的運(yùn)行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量。　　h)一機(jī)多用，應(yīng)用范圍廣　　水源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。特別是對于同時(shí)有供熱和供冷要求的建筑物，水源熱泵有著明顯的優(yōu)點(diǎn)。不僅節(jié)省了大量能源，而且用一套設(shè)備可以同時(shí)滿足供熱和供冷的要求，減少了設(shè)備的初投資。水源熱泵可應(yīng)用于賓館、商場、辦公樓、學(xué)校等建筑，小型的水源熱泵更適合于別墅住宅的采暖、空調(diào)。　　i)自動(dòng)運(yùn)行　　水源熱泵機(jī)組由于工況穩(wěn)定，所以可以設(shè)計(jì)簡單的系統(tǒng)，部件較少，機(jī)組運(yùn)行簡單可靠，維護(hù)費(fèi)用低；自動(dòng)控制程度高，使用壽命長可達(dá)到15年以上?！　‘?dāng)然，象任何事物一樣，水源熱泵也不是十全十美的，其應(yīng)用也會(huì)受到制約?！　、趴衫玫乃礂l件限制　　水源熱泵理論上可以利用一切的水資源，其實(shí)在實(shí)際工程中，不同的水資源利用的成本差異是相當(dāng)大的。所以在不同的地區(qū)是否有合適的水源成為水源熱泵應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵。目前的水源熱泵利用方式中，閉式系統(tǒng)一般成本較高。而開式系統(tǒng)，能否尋找到合適的水源就成為使用水源熱泵的限制條件。對開式系統(tǒng)，水源要求必須滿足一定的溫度、水量和清潔度。　?、扑畬拥牡乩斫Y(jié)構(gòu)的限制　　對于從地下抽水回灌的使用，必須考慮到使用地的地質(zhì)的結(jié)構(gòu)，確?？梢栽诮?jīng)濟(jì)條件下打井找到合適的水源，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)和土壤的條件，保證用后尾水的回灌可以實(shí)現(xiàn)?！　、峭顿Y的經(jīng)濟(jì)性　　由于受到不同地區(qū)、不同用戶及國家能源政策、燃料價(jià)格的影響，水源的基本條件的不同；一次性投資及運(yùn)行費(fèi)用會(huì)隨著用戶的不同而有所不同。雖然總體來說，水源熱泵的運(yùn)行效率較高、費(fèi)用較低。但與傳統(tǒng)的空調(diào)制冷取暖方式相比，在不同地區(qū)不同需求的條件下，水源熱泵的投資經(jīng)濟(jì)性會(huì)有所不同?！　谋?、表2可知，風(fēng)冷熱泵中央空調(diào)整體費(fèi)用高于水源熱泵中央空調(diào)。經(jīng)分析比較，并與建設(shè)方充分協(xié)商，最后決定采用水源熱泵中央空調(diào)，解決金源煤礦的夏季空調(diào)和冬季采暖問題?！　”?初投資費(fèi)用比較（數(shù)據(jù)與本工程無關(guān)）　水源熱泵中央空調(diào)風(fēng)冷熱泵中央空調(diào)序號(hào)項(xiàng)目初投資（元）項(xiàng)目初投資（元）1水源熱泵機(jī)組（1臺(tái)）42000風(fēng)冷熱泵機(jī)組（1臺(tái)）898002風(fēng)機(jī)盤管（14臺(tái)）13300風(fēng)機(jī)盤管（14臺(tái)）133003立式管道泵（1臺(tái)）1980立式管道泵（1臺(tái)）19804電子水處理儀（1個(gè)）4500電子水處理儀（1個(gè)）45005方形膨脹水箱（1個(gè)）1500方形膨脹水箱（1個(gè)）15006管道、閥門等制安費(fèi)37600管道、閥門等制安費(fèi)273407風(fēng)管、風(fēng)口等制安費(fèi)24500風(fēng)管、風(fēng)口等制安費(fèi)245008保溫材料費(fèi)及安裝費(fèi)19700保溫材料費(fèi)及安裝費(fèi)213009旋泥除沙器（1個(gè)）4620配電系統(tǒng)（1套）745010配電系統(tǒng)（1套）8700　合計(jì)　158400　191670　　注：水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)初投資中未計(jì)土建打井費(fèi)用?！　”?年運(yùn)行費(fèi)用比較（數(shù)據(jù)與本工程無關(guān)）　水源熱泵中央空調(diào)風(fēng)冷熱泵中央空調(diào)序號(hào)項(xiàng)目運(yùn)行費(fèi)用/元項(xiàng)目運(yùn)行費(fèi)用/元1水源熱泵機(jī)(12kW)11880風(fēng)冷熱泵機(jī)(16.8kW)16632合計(jì)　11880　16632　　注：1）按表1設(shè)備中兩系統(tǒng)用電量不同項(xiàng)進(jìn)行比較?！　?）所有設(shè)備按年運(yùn)行180天，每天運(yùn)行18小時(shí)，電費(fèi)0.55元/（kWh）計(jì)算?！　?空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)　　4.1因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)尚未決定裝修方案，無法獲知各房間的裝修方式，只能先考慮采用風(fēng)機(jī)盤管側(cè)吹風(fēng)的安裝方式。（后按裝修格局采用不同室內(nèi)機(jī)形式，盡量作到美觀大方。）　　4.2冷熱源設(shè)備：　　冷水機(jī)組：水源熱泵機(jī)組三臺(tái)，制冷量/制熱量=63.6/69.8kW　　冷水系統(tǒng)配套水泵：臥式離心泵五臺(tái)，流量15t/h,揚(yáng)程20m.　　冷卻水用潛水泵：八臺(tái)，本工程由甲方根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置?！　?.3系統(tǒng)形式　　冷凍水采用雙管制風(fēng)機(jī)盤管閉式系統(tǒng)，室內(nèi)機(jī)掛于室內(nèi)樓板下方，水源熱泵機(jī)組和冷水循環(huán)用臥式離心泵和其他設(shè)備設(shè)于空調(diào)機(jī)房內(nèi)。冷卻水采用地下水作為水源循環(huán)使用?！　　　　　?—循環(huán)水泵　2—電子水處理儀　　3—方形膨脹水箱　4—旋流除沙器　　圖1系統(tǒng)流程圖　　4.4井水回灌　　本設(shè)計(jì)采用有壓回灌的方式，抽水井和回灌井間隔分布的方式，使井水全部回灌，從而也保證了水井不會(huì)被破壞。并且在成井過程中，采用在上部封閉止水，井室采用混凝土澆灌并且井壁處比井室相差1米深度，在此基礎(chǔ)上井水回灌再次加大有壓回灌的力度，保證了井水的100%回灌。同時(shí)不影響建筑物基礎(chǔ)，保證了地面建筑物的安全。系統(tǒng)流程圖見圖1?！　?.5井水量的保證措施　　本設(shè)計(jì)的水源采用的是深井水，水溫恒定。水井結(jié)構(gòu)采用含水層是橋式濾管，巖石層是螺旋鋼管，螺旋鋼管以保證井壁的結(jié)構(gòu)不受影響。最重要的一點(diǎn)是含水層與濾管之間的濾料，本設(shè)計(jì)的濾料多邊形的石子（質(zhì)地堅(jiān)硬的豆沙也可），這樣才能保證地下水的順利流通和回灌?！　?.6系統(tǒng)控制流程圖　　本系統(tǒng)選用清華同方的主機(jī)（SGH－1000）三臺(tái)，主機(jī)的壓縮機(jī)負(fù)荷控制根據(jù)溫差大小采用無級(jí)調(diào)節(jié)（25％、50％、75％），減少了一般壓縮機(jī)從開機(jī)到停機(jī)都是100％工作所造成的不必要的資源浪費(fèi)。冷卻水采用變頻自動(dòng)控制，根據(jù)壓力調(diào)節(jié)水泵所投入的工作頻率及數(shù)量?，F(xiàn)在唯一不足是冷凍水水泵、冷卻水水泵、主機(jī)沒有實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)和遠(yuǎn)程控制，即以主機(jī)為核心帶動(dòng)水泵工作，以最大限度的節(jié)約資源，最終將真正做到中央空調(diào)機(jī)房無人值班的目的?！　?.7減震、節(jié)能措施　　為防止設(shè)備震動(dòng)噪聲，水管出入水口、水泵進(jìn)出口設(shè)橡膠軟接頭，水泵基礎(chǔ)設(shè)減震墊。機(jī)組設(shè)在砼基礎(chǔ)上，并加減震墊?！　榱斯?jié)能降耗，本系統(tǒng)冬季充分利用冬季室外環(huán)境溫度低的特點(diǎn)，把經(jīng)自然冷卻后的水灌入深井，實(shí)現(xiàn)了“冬灌夏用”；供、回水管均采用離心玻璃棉以及福樂斯保溫，減低冷熱量的消耗?！　?運(yùn)行效果　　系統(tǒng)自2004年冬季投入使用以來，冬夏總體運(yùn)行情況良好，沒有出現(xiàn)井水不能完全回灌現(xiàn)象及大面積的熱力失調(diào)現(xiàn)象，建造商和業(yè)主都較為滿意。　　6結(jié)語　　當(dāng)今人類對環(huán)保的要求越來越嚴(yán)，同時(shí)各種能源隨著使用的增加日漸枯竭，迫使人們不斷采用更先進(jìn)節(jié)能的環(huán)?？照{(diào)設(shè)備和更先進(jìn)、節(jié)能的運(yùn)行方案。水源熱泵系統(tǒng)是利用地下水或地下土壤常年溫度保持恒定的特點(diǎn)，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的冷暖空調(diào)系統(tǒng)，是環(huán)保、節(jié)能、“零”污染、“零”排放的一種空調(diào)設(shè)備。它無須冷卻塔等裝置，初投資和運(yùn)行費(fèi)都比傳統(tǒng)冷暖方式低，而且地下水水溫穩(wěn)定，受外界影響小，機(jī)組的制冷和制熱功能發(fā)揮的更好。隨著空調(diào)的日益普及，水源熱泵系統(tǒng)必將受到各界更大的關(guān)注與支持，應(yīng)用會(huì)更加廣泛。