南坪沟水源地建筑物供暖系统热源的研究
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【摘要】本文针对南坪沟水源地地下水水源地的具体条件，给出其适用的水源热泵系统形式，对其采用地下水水源热泵进行供暖的经济性进行了分析，将地下水水源热泵供暖的各项费用与进行电采暖供热系统进行了对比，得出了利用水源热泵供暖系统更加经济的结论。
【关键词】水源地；水源热泵；经济性
一、问题提出：供暖系统选择与比较
1.1锅炉供暖系统：锅炉房的建设、锅炉设备选型与安装、定压方式、供煤系统、风烟系统、除尘除渣排灰系统、水处理系统、运行操作管理；
热泵产品与锅炉相比的优点是热效率高：产品热效率全年平均在300%以上，而锅炉的热效率不会超过100%。
运行费用低：与燃油,燃气锅炉比,全年平均可节70%的能源，加上电价的走低和燃料价格的上涨，运行费用低的优点日益突出。
环保：热泵产品无任何燃烧排放物，制冷剂选用了环保制冷剂R417A，对臭氧层零污染，是较好的环保型产品。 运行安全，无需值守：与燃料锅炉相比，运行绝对安全，而且全自动控制，无需人员值守，可节省人员成本。
模块式安装，便于增添设备：产品采用多台机组并联的安装模式，当用户用水量增大时，可随时增添设备。
总费用：建设投资＋运行费用＋维修费用。
1.2电暖器供暖系统：电暖器选型与安装、电缆安装、控制（设计院）
电加热和锅炉供热只能将90%-98%的电能或70%-90%的燃料内能转化热能，而水源热泵将室外水源热能连同机组所耗电能一并转移到室内，能效比与性能系数达4.5-6.0以上，能源利用效率是电采暖方式的三至四倍。
总费用：建设投资＋运行费用＋维修费用。
1.3空调供暖系统：电暖器选型与安装、电缆安装、控制
总费用：建设投资＋运行费用＋维修费用。严寒地区的公共建筑，不宜采用空气调节系统进行冬季采暖，冬季宜设热水集中采暖系统。（《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2005）
1.4水源热泵供暖系统：
根据节能设计标准具有天然水资源或地热源可供利用时，宜采用水（地）源热泵供冷、供热技术。（《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2005）
热泵设备选型与安装、水循环系统、运行操作管理；
总费用：建设投资＋运行费用＋维修费用。
根据上述四种供暖热源系统分析：锅炉供暖系统运行管理复杂，供暖系统较小，不经济；电暖器供暖系统运行管理简单，但耗电量较大（下面有计算），不推荐采用；空调供暖系统，不宜采用空气调节系统进行冬季采暖；水源热泵供暖系统在有天然水资源或地热源可供利用时，宜采用水（地）源热泵供热技术。
二、水源热泵供暖系统概况
南坪沟水源地是哈尔乌素露天煤矿的配套设施，为矿区提供日常的生产、生活用水，日供水量20000吨。由于水源地加压泵站位置相对偏僻，且不属于集中供热区域，考虑到对现有水源的利用，拟采用地下水源热泵系统进行供暖。地下水源热泵系统是地源热泵系统的一种，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，在国内外都得到了大力推广和应用。本文重点对该工程采用水源热泵系统的技术、经济、可行性进行分析。
三、水源热泵工作原理
水源热泵用制冷剂作为媒介，制冷剂汽化温度低，在-40℃即可汽化，故此，它与外界温度存在着温差，冷媒吸收了外界的温度后汽化，通过压缩机压缩制热，变成高温高压气体，再经热交换器与水交换热量后，经膨胀阀释放压力，回到低温低压的液化状态，通过制冷剂的不断循环并与水交换热量，将供暖系统的水加热。
水源热泵供暖时一定要用电，压缩机用电能来压缩制热，不是直接用电加热，但用电量较少。
地下水系统一般采用开环系统，冷却水经热交换器向地下深井水散热（冬季吸热），地下水从取水井中抽取进入热交换器吸热（冬季散热）后由回水井回灌到地表土层。如果水质良好，亦可省去热交换器，直接将深井水抽至热泵机组换热器进行散热（或吸热）。地下水系统适用于已有水井或地下水源丰富的地区。地下水的温度常年非常稳定，不受外界气温影响，所以热泵机组可以高效运行。
水源热泵技术是利用地球表面浅层水源和地热能而形成的低温低位热能资源，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。
用水源热泵机组供热不需锅炉，没有煤、油、气等燃烧污染。制冷时，省去了冷却塔，避免了冷却塔噪声及霉菌污染。因此，对城市减轻大气污染和环境污染有特殊意义，是一种典型的环保型技术。
对于从地下水中采集热量的水源热泵系统，地下水经过热泵机组交换热量后再回灌到地下，因此不会造成地面沉降，也不会消耗宝贵的地下水资源。由于地下水经过机组的热交换器时，只是置换了热量，地下水水质不会发生任何变化，因此，回灌也不会导致地下水污染。水源热泵机组利用逆制冷原理，当从深井中提取11℃～14℃的地下水，这些水连续不断地按规定流量送至水源热泵机组，再由机组内的压缩机工作迫使工质压缩、蒸发，吸收这些地下水的热量，使其温度降低5℃，再回灌到到地下，在渗流过程中吸收地下土壤中的热量，温度又升至11℃～14℃，然后再被抽上使用，如此不断循环。（本工程中地下水放热后直接提供生产用，无需回灌。）机组吸收的热量再通过工质的冷凝而被释放出来，用以加热采暖系统水，最高温度可达60℃。正常供回水温度为45℃/40℃，相当于热电厂的低真空热水循环采暖系统的供热参数，而用作冬季空调供暖则是最佳温度。夏季制冷时机组作逆循环，把建筑物中的热量转移到地下，使室内降温，达到制冷目的（本工程暂不考虑夏季制冷）。工
作流程及原理如图一所示：
四、负荷计算及设备选型
1、热负荷计算
由计算得热负荷分配情况如下：
加压泵站为38.5kW，
加氯间及氯库为21kW。
2、设备选型
根据热负荷计算：
热泵供热量Q=1.2×59.5=71.4kW。
本工程选用北方某泵业公司生产的KHD-25型水源热泵一台。主要技术参数见表1。
热泵循环水量的计算，循环水量Gt/h
G=Q1・0.86/t
=79.4×0.869/5=13.66t/h
式中：Q1― 热泵供热量（kW）
t ― 冷凝器进回水温差t
日循环水量： 13.66×24=327.84 t
对供水水质影响：
供热的供水温降：t1=327.76×5/20000=0.08 ℃（基本没有变化）；
供热水系统与水源相隔离，不会污染水源。
3、散热器计算
设计依据：本工程选用四柱760型散热器,散热器明装，散热器的外表面刷非金属性涂料
由散热器组数为31组，则每组散热器散热量为Q1=59.5/31=1.920 kW
供暖系统供、回水温度：tg= 45℃；th= 40℃；
散热器内热媒平均温度：tpj=（tg－th）/2= 42.5℃；
散热器内热媒温度与供暖室内计算温度温差：= tpj－tn= 24.5℃；
K― 散热器传热系数，W/m2，传热系数K=6.495 =6.495×24.5 0.321 = 18.13（W/m2・℃）
四柱760型散热器每片散热面积为0.235 m2，计算片数n为：
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n = F/f = 4.32/0.235 = 18.3
ns =・n = 1.2 n = 22.067片 取整数，每组散热器应采用四柱760型22片。
五、经济分析及系统评价
1、经济分析：本工程地下水水源热泵采暖系统与电采暖系统各项费用比较如表2所示。
由表中可以看出，虽然水源热泵采暖系统初投资略高于电采暖系统，但是水源热泵系统的运行费用和耗电费用远低于电采暖系统。所以从长远来看，水源热泵系统比较经济。
2、系统评价：
主要计算公式：
性能系数COP=Q1/N1
= 79.4/18 = 4.4
式中：Q1 ― 热泵供热量，kW
N1 ― 热泵输入功率，kW
系统总效率 η = (Q1+Q2)/(N1+N2+N3)
=
式中：Q2 ― 直接利用地下水的散热量，kW
N2 ― 潜水泵输入功率，kW
N3 ― 水源侧循环泵输入功率，kW
六、结论与建议
1、相比电采暖系统，本工程中选用水源热泵系统更为经济。
2、使用水源热泵机组供热时，每投入1kW的电能时，就会得到4倍以上的热量，且不消耗有限的一次能源，也不会污染生存环境，符合国家的可持续发展战略要求，有很高的推广价值。
3、单纯采用地下水水源热泵系统进行供暖会造成投资浪费，最好结合夏季供冷同时运行以减少资源浪费。
4、水源热泵适应比较小的供暖系统，对于分散的建筑物特别适宜，我公司的陈家沟门水源地加压泵站、唐公塔水源地加压泵站、有人值班的高位水池都可以采用水源热泵供暖。大准铁路沿线的站区、工区建筑物的供暖都可以采用地源热泵技术。
七、国内外热泵技术发展与应用
水源热泵是一种新型的高效、节能、环保的空调系统，是我国调整能源利用结构，发展利用可再生能源策略的重点推广项目之一。
地源热泵的运用与前景
在国外，地源热泵的商业应用虽然只用几十年历史，但发展相当迅速。据1999年的统计，在家用供热装置中，地源热泵所占的比例，瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%。1998年美国商业建筑中，地源热泵系统已占空调总保有量的19%，其中新建筑中占30%，而且地源热泵的使用数量每年以10%的速度稳步增长。
我国地源热泵起步较晚，研究应用仅仅是近几年的事，但已引起各界的重视。我国与美国能源部签署的“关于地热能源生产与应用的合作协议书”的附件A“中方与美国地热泵协会关于地热技术交流和在中国建设地热泵示范工程的合作协议”中，经中美双方协商，1999年起，在北京、上海与广州三个代表性气候区各选一商业建筑，建设一座采用地源热泵空调供暖、制冷的示范项目，以推广地源热泵这种“绿色技术”。
【参考文献】
［１］陆耀庆.实用供热空调设计手册.北京:中国建筑工业出版社,1993.
［２］《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2005
［３］贺平等. 供热工程. 北京:中国建筑工业出版社,1993
［４］清华同方人工环境有限公司：水源热泵技术简介
［５］杨绍胤：水源热泵与节能《上海节能》2004 №5
［６］杨清：关于水源热泵水源问题的探讨《工程建设与设计》2004年第6期
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