水源热泵实际应用工况分析
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【摘要】本文着重对水源热泵技术在大连星海湾商务区的实际应用工况作为依据，对水源热泵的原理、实际工况、节能减排及经济效益进行了详尽的介绍和分析。结果表明：系统各项参数运行良好，测试期间水源热泵制热的性能系数即COP值在3.3―4.4之间，制冷的性能系数在4.1―5.8之间。
【关键词】水源热泵；制冷；制热；节能
1、引言
目前，我国正在积极采取措施，推广可持续发展战略。大连具有沿海的地理优势，经大连市政府统一部署，在星海湾金融商务区率先实施水源热泵技术实现区域供热、供冷试点。该项目已于2006年12月被国家建设部、财政部正式确定为海水源热泵在建筑中规模化应用城市级示范项目。
项目占地面积1万平方米，总建筑面积2万平方米。项目的实施单位为大连市星海湾开发建设管理中心，工程核心部分热泵主机是由大连冰山集团与瑞士富瑞公司合作研发的，系统工艺部分由瑞典特茂公司负责设计，现由大连发电有限责任公司负责运行管理。
项目规划供热、供冷总面积为200万平方米，共12台热泵机组，分三期装机投入使用，总投资约6.5亿元人民币。一期总投资为1.03亿元包括三期所有的土建部分。一期低位热源为污水，二期、三期低位热源为海水。其中一期工程2007年3月竣工，投入3台机组，单机供热能力8兆瓦，制冷能力10兆瓦，已为世界博览广场、游泳馆和宝马4S店约30万平方米区域供暖和制冷。二期计划投入3台机组，单机供热能力10.7兆瓦、制冷能力15.2兆瓦，为期货广场约40余万平方米区域供冷和供暖。三期计划投入6台机组，单机供热能力10.7兆瓦，制冷能力15.2兆瓦，计划2009年以后随着建筑项目的竣工，陆续为星海湾金融商务区其余约130万平方米建筑面积供暖和供冷。
2、水源热泵原理
水源热泵的原理就是利用电能将不能直接利用的海水、污水等热能转换为可利用的高位热能，【1】采用的制冷剂为R143a。热泵机组利用R143a沸点低的特点，海水（污水）温度高，就产生了一个传热的环境。热泵机组虽然消耗一定的电能，但所供给用户的能量却是消耗的电能与吸取的海水、污水热能的能量总和：消耗1KW电，可产生5KW左右的热量或冷量。
夏季热泵机组以冷水机组方式运行，为用户提供冷冻水用于建筑物内降温。每台热泵机组配有2个压缩机，根据冷负荷情况，两台压缩机可并联运行，也可每个压缩机独立运行。
1.冷冻水侧
在设计工况下，用户回水温度为10℃进入蒸发器，经过低温低压制冷剂冷却后，为用户提供3℃冷水。
2.污水（或海水）侧
在设计工况下，从马栏河污水处理厂来的经过处理的污水23℃经过过冷器，冷凝器吸收高温高压制冷剂的热量后温度升高至33℃回到马栏河污水处理厂。也可使用海水进行冷却。【2】
3.制冷剂侧
低温低压制冷剂液体吸收用户空调回水的热量后，变成低温低压的气体，被压缩机吸入，压缩为高温高压气体排入冷凝器，制冷剂连续经过冷凝器和过冷器，被污水（或海水）冷却后变为常温高压液体，经过一级膨胀阀节流变为低温低压气液两相液体，进入蒸发器后吸收冷水热量变为低温低压气体，被压缩机吸入。
冬季通过热泵机组内部阀门的切换，两台压缩机串联运行，热泵机组以热泵方式运行，为建筑物提供热量。
1.热水侧
在设计工况下，用户回水温度为55℃热水进入过冷器、冷凝器，经过高温高压制冷剂加热后，为用户提供65℃热水用于供暖。
2.污水（或海水）侧
在设计工况下，从马栏河污水处理厂来的经过处理的污水7.5℃（中水）通过蒸发器把热量传给低温低压的制冷剂后温度降至2.5℃回到马栏河污水处理厂（也可使用海水）。
3.制冷剂侧
从二级膨胀阀节流的低温低压制冷剂液体，在蒸发器中吸收热源（污水或海水）的热量，汽化后的低温低压制冷剂气体被低压级压缩机吸入，经过低压级压缩机压缩后与经济器出来的常温中压气体混合进入高压级压缩机，经过高压级压缩机压缩变为高温高压气体排入冷凝器和过冷器。在冷凝器中，高温高压制冷剂气体将热量放给从用户返回的热水，热水被加热。制冷剂气体被冷却成常温高压的液体，经膨胀阀一次节流变为中温中压气液两相液体，进入经济器，其中气体与低压级压缩机排气混合后进入高压级压缩机吸气腔。液体经过膨胀阀二次节流变为低温低压气液两相液体进入蒸发器，吸收污水（中水）热量后变为低温低压气体，进入低压级压缩机吸气腔。
3、节能效果
水源热泵与传统供热供冷方式比较优势是机组效率高、节约运行成本。
海（污）水源热泵机组可利用的海（污）水温度，冬季比环境温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季海（污）水温度比环境温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式中央空调系统，机组效率明显提高。设计安装良好的海（污）水源热泵，平均来说可以节约用户30%-40%的供热制冷空调的运行费用。
经营成本比较（按照设计规模200万m2计算）
以上单位面积经营成本未考虑财务成本和设备折旧费。
由上表可以看出当热泵机组采用民用电价时会比集中供热成本低很多。
机组运行稳定，可靠性高，机组可实现最高65℃出水，可编程PLC控制器，灵活控制机组运行状态，可通过自控装置实现无人职守运行，机组设有完善的安全保护装置，确保安全可靠，可以实现显示系统的各种状态参数，方便用户操作。
水源热泵项目最大的特点是节能减排。由于我国以煤电为主，所以不论是直接用燃煤供热还是用电带动热泵机组供热，对比不同方式供热系统的一次能源利用效率是比较客观的。计算条件发电煤耗折算系数为0.3169kg标准煤/kw.h电的输配效率为95.而常规系统的供热效率取70，煤的运输和排渣损耗为10。标准煤的热值为8.14MWh/吨。【3】
以星海湾金融商务区200万平方米建筑为例：（与传统方式用电或用煤全部折合成标准煤来比较）每年可节约2.6万吨标煤，可减排二氧化碳约7万吨，减排二氧化硫500余吨，减排氮化物200余吨。
4、结束语
从总体上讲，水源热泵具有可再生能源利用、高效节能、运行稳定可靠、环境效益显著、节约土地利用率、机组使用寿命长、自动化程度高等明显优势。
参考文献
[1]谭乃秦.污水处理厂污水低温热能利用[J].节能技术，2002.
[2]沈阳市再生水源热泵供热规划[R].2007.
[3]徐伟.中国地源热泵发展研究报告（2008）[M].北京：中国建筑工业出版社，2008：223～226.