水源热泵在冬季供暖中的应用
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发布时间：2022-05-01 02:40
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时间：2022-06-22 17:49
刘雪玲 朱家玲
（天津大学地热中心）
摘要：利用水源热泵从13～18℃的浅层地下水中提取热量，提供45℃的热水，通过风机盘管进行供暖。本文对热泵供暖的经济性进行了分析，并与燃油、燃气锅炉供暖进行了比较，结果表明热泵是一种节能环保的设备，热泵供暖带来了明显的经济及环保效益。
我国北方地区的冬季漫长，供暖大多通过燃煤锅炉得以实现，这种传统的供暖方式，不仅消耗了大量的煤炭资源，同时，严重污染环境，对人类的生存造成巨大威胁。因此，冬季供暖不能仅仅将其视为解决一个“热”的问题，而是与健康环保和城市形象发展战略紧密相连。因此，如何开发和设计出环保、节能型绿色生态建筑，已成为刻不容缓的课题。
水源热泵是一种比较有代表性的成熟的低耗能采暖技术，为能源结构调整带来了一个比较可行的实施方案。
水源热泵技术是利用地球表面浅层水如地下水、地热水、地表水、海水及湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。地能（地下水、土壤或地表水）作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。
天津市地矿珠宝公司地处城市中心。长期以来，该公司冬季采用传统的锅炉方式供暖，夏季制冷采用分体式空调机。锅炉燃烧时向大气排放大量的废气、废物，给环境造成极大的污染，严重的环境污染给周围的市民生活既带来不便也严重影响市容市貌；另外，夏季空调系统耗电量大，运行成本高，稳定性差。因此，改造该公司的供暖及制冷系统势在必行。由于公司位于天津市中心，补建热网难度大，燃气、燃油的经济性和安全性均是不容忽视的大问题，同时还存在大气污染。针对这些突出问题，采用水源热泵改造供暖和制冷系统，改造后的系统运行时不仅不会带来任何环境污染等问题，而且还能起到节能、环保等作用。
1 工程概况及要求
地矿珠宝公司要求冬季采暖夏季制冷的总面积为6105m2。其中，1层为珠宝店，3、4、5层为办公室，共114间，2层为客房，共27间。
地下水井采用回灌技术，打有生产和回灌两口井，两口井相距34m，井深均为200m。利用浅层的地下水作为热泵的冷、热源，热泵直接用于冬季供暖和夏季制冷。生产井和回灌井冬夏季互换，即冬季供暖的生产井为夏季制冷的回灌井，冬季供暖的回灌井为夏季制冷的生产井。
水源热泵有2台，其中：1＃机组：66kW，制热量300kW，制冷量：260kW。2＃机组：45kW，制热量198kW，制冷量：182kW。
一般情况，1＃机组运行，冬季供暖时机组白天（8：00～18：00）停3次，每次停45～50分钟；夜晚（18：00～次日8：00）停2次，每次停45～50分钟。由于3、4、5楼为办公楼，下班后（18：00～次日8：00）机组按50%～75%运行。空调设备为“三速开关”控制的风机盘管。低温热泵供暖的系统示意图如图1所示。
图1 低温热泵供暖系统示意图
2 系统运行分析
2.1 技术参数
自2002年11月7日至2003年3月24日（3月16，17日没有供暖），共136天，全天每隔2小时观测并记录系统运行数据。跟踪记录系统运行状态参数一方面为了深入研究系统冬季采暖的运行效果，另一方面为最佳利用地热提供科学依据，为地热供暖的利用和设计提供可靠的参考数据。主要记录参数有生产井和回灌井的温度和流量、供水温度、回水温度、室内温度、室外温度。流量是用流量指示积算仪配以涡轮流量计来测量；供回水温度及抽水井与回灌井水温度来自水源热泵数字仪表显示，精度达0.1℃；室内外温度的记录采用温度计，精确为±1℃，其中室内温度是选一间客房为测试对象而记录的数据。
根据现场实测数据，整理后得到在整个供暖期室内外温度变化曲线、生产井和回灌井的温度变化曲线，分别如图2、图3所示。
从图2 可以看出，在冬季采暖期，室外温度不断变化，其日平均温度变化范围为－8.25～7.67℃，而室内温度基本稳定在22.3℃左右，因此，室内温度能够满足供暖要求。
图2 室内外温度变化曲线
从图3可以看出，抽水井的温度在采暖期基本保持稳定，但随着地热尾水回灌量的持续增加呈下降趋势。抽水井温度的变化可分为三个阶段，即采暖初期至采暖期开始后的第60天，抽水井温度基本稳定在17.5℃左右；随着回灌量的增加，在采暖期开始后的第60天和第72天，抽水井温度发生两次明显的变化后，降至12.81℃；此后，随着采暖期的继续，抽水井温度变化不大，并略呈上升趋势。这是因为，随着供暖日期的增多，累计回灌量增加，抽水井的温度有所降低；而更主要的原因是室外温度的变化对抽水井的温度影响很大，1月份（即供暖的第60～70天）是冬季气温最低的时候，而抽水井的水温也降到了最低点，仅为12.81℃，随着室外温度的回升，抽水井温度也逐渐升高，在采暖期结束时，抽水井温度回升到13.3℃。
图3 生产井和回灌井的温度变化曲线
2.2 经济性分析
初投资：地下水井32万；热泵＋风机盘管＋管道138万。由于该系统是冬季供暖，夏季制冷，所以初投资的50%计入空调系统。
运行费用包括能耗（电费和水费）、人工费、维修费、折旧费。由于该系统是带有回灌井，免收水费，所以能耗主要费用是电费（表1）。
表1 热泵的运行费用
燃油，燃气锅炉的效率按90%计算，若分别使用燃油、燃气锅炉和热泵供暖，天津市地矿珠宝公司一个供暖期的运行费用（不含设备折旧和维修费用）列于表2。
表2 不同燃料供暖的运行费用比较
3 效益分析
由表1，表2可以看出，利用热泵直接供暖的运行费用较低，这是因为热泵是通过消耗高品位的电能，把热量从低温热源转移的高温环境中，即热泵消耗少量的高品位电能，将产生大量的低品位热能（本文中热泵的cop＝4.5），其能量转化效率很高。而燃油、燃气锅炉供暖时，其消耗的是一次燃料，燃烧效率和锅炉效率都不可能是100%，热损较大。所以从能量转化的角度来看，热泵是一种高效的设备。
但是从目前热泵、燃油炉、燃气炉的固定投资来看，热泵的初投资较大。从表1也可看出热泵在一个供暖期的运行费用为9.5万元，而为设备预留的维修费用和设备的折旧费用为9.35万元，其所占的比例很大。从而造成热泵供暖的成本较高。但是由于热泵供暖的运行费用低，几个供暖期下来所节省的运行费用也可以折抵热泵在初投资上多投入的费用。另外热泵机组还可以在夏季用于制冷，投资一套装置可以冬夏两用，这在投资上也有一定的优势。
从环保效益来看利用水源热泵供暖，即不影响大气环境，也不消耗和污染水资源，地热供暖和制冷装置无压力、无燃烧、无爆炸的危险，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，取消了锅炉房、储煤场、堆灰场、消烟防尘设施等，且不用远距离输送热量。可以大大改善了工人的工作环境和工作强度。
天津地矿珠宝公司供暖总面积为6105m2。每年供暖期实际消耗热负荷为2325 GJ，相当于标煤113.55 t。因此，每年减少二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳和煤尘等污染物的排放量分别为4769.4kg、1430.82kg、122.41m3和1112.86kg。同时，每年节约废气废物治理费及其它费用为47725.80元。其环境效益很显著。
当然热泵消耗的主要是电能，而电能的获得需要耗费一次能源（我国目前主要是耗煤），因此在电能的生产过程中也存在污染问题，但是从工程本身来说，其没有消耗一次能源，没有给环境造成直接污染，其环境效益还是很显著的。
4 结论
（1）利用热泵供暖的运行费用较低，但由于其初投资高，所以其成本还是比较高，
（2）虽然目前利用热泵直接供暖的成本比较高，但是节约了一次能源和环保的费用，取得了明显的环境效益，且可以一机两用，冬天供暖，夏季制冷。所以从环保的角度来看热泵供暖还是很经济的。尤其在环境要求较高的大、中城市，热泵供暖有一定的优势。
总之，在环境问题日益突出的今天，高效清洁地使用能源已成为一个备受关注的课题。利用热泵供暖应用了环保、安全、绿色、节能采暖新理念，开创了一条新的环保采暖方式。随着环境问题的日益严重和人们环保意识的增强，热泵供暖必将得到广泛的推广和应用。
参考文献
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