裘 薇，溫彩霞

(1.上海電力學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院，上海 200090);2.上海冉盛聯(lián)行冷凍科技有限公司，上海 200135)

日益增長的能源消耗和環(huán)境污染是困擾人類社會的兩大難題，引起了世界各國的高度重視.我國燃煤型鍋爐供熱污染及以大氣為冷源的空調(diào)系統(tǒng)造成的環(huán)境溫度升高，使熱泵作為一種有利于環(huán)境保護的高效節(jié)能裝置而受到廣泛重視.熱泵機組主要分為空氣源熱泵和水源(地源)熱泵.從世界范圍看，空氣源熱泵已處于成熟期，但空氣源熱泵受環(huán)境、氣候影響較大，且當氣溫過高或過低時會出現(xiàn)不能正常運行的情況.由于地下水溫冬夏變化不大，于是就出現(xiàn)了以水作為冷熱源的水源熱泵.水源熱泵是一種利用地球表面或淺層水源(如地下水、河流和湖泊)，或者是利用人工再生水源(工業(yè)廢水、地?zé)嵛菜?的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)［1］.它耗能少，不消耗水資源，也不污染環(huán)境，還可利用再生資源實現(xiàn)冬季供暖、夏季制冷和提供日常生活熱水3大功能，符合可持續(xù)發(fā)展的要求，具備諸多優(yōu)勢，受到社會各界的廣泛歡迎.

1 國內(nèi)外水源熱泵機組的現(xiàn)狀

水源熱泵機組是美國在發(fā)展空氣—空氣熱泵的同時發(fā)展起來的.經(jīng)過30年不斷改進和發(fā)展，技術(shù)日趨成熟，其產(chǎn)品已逐漸商業(yè)化.到目前為止已在北美建筑中應(yīng)用了40多年，共安裝了40多萬臺，且用戶以每年10%的速度穩(wěn)步增長.美國計劃到2010年實現(xiàn)每年安裝40萬臺地源熱泵的目標，其中，水源熱泵占l5%，屆時將降低溫室氣體排放量達1.0×106t，相當于減少5萬輛汽車的污染物排放或種植100萬英畝的樹，年節(jié)約能源費用達4.2億美元.此后，每年節(jié)約的能源費用再增加1.7億美元.同時，中、北歐海水源熱泵的研究和應(yīng)用也較多.日本在進入20世紀70年代后水源熱泵的應(yīng)用和推廣走在了世界的前列，東芝、三菱電機和PMAC公司均有水源熱泵產(chǎn)品出售，東京、名古屋、橫濱等城市在70年代初就新建了很多采用閉式環(huán)路水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工程，如新日建大廈、名古屋大廈和東京大廈等［2］.

目前，國內(nèi)的清華大學(xué)、天津大學(xué)、重慶建筑大學(xué)、天津商學(xué)院，以及中國科學(xué)院廣州能源研究所等都在對水源熱泵進行研究，其中清華大學(xué)的多工況水源熱泵經(jīng)過多年的研究已形成產(chǎn)業(yè)化趨勢，并建成數(shù)個示范工程.近年來，隨著我國自主研發(fā)能力的提高，已經(jīng)出現(xiàn)了眾多的水源熱泵生產(chǎn)廠商，如清華同方、山東富爾達等.隨著水源熱泵系統(tǒng)在國內(nèi)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用也越來越多，如在深圳、上海、北京、沈陽，以及一些中小城市均有大量水源熱泵工程實例［3］.

2 水源熱泵的能耗分析

2.1 制冷性能系數(shù)

本論文用ε來表示水源熱泵機組的制冷性能系數(shù)，其值可用制冷效率ηl和理論制冷系數(shù)εth表示.

式中:to發(fā)溫度;

tk凝溫度;

ηl冷效率，受制冷劑、壓縮機構(gòu)造等多種因素影響，一般在0.45～0.75范圍內(nèi)變化.

用εrh對to求導(dǎo)可得:

由式(1)和式(2)可以看出，εl隨tk的升高而減小，降低tk可以提高機組的εl.如果空氣濕球溫度為28.5℃，tk與冷卻水之間按10℃計算，當冷卻水進水溫度分別為32℃，28.5℃，22℃，20℃，18℃，15℃時，相應(yīng)理論制冷系數(shù) εth為6.56，7.09，8.54，9.11，9.76，10.93.從計算結(jié)果可看出，如果空調(diào)系統(tǒng)冷卻水采用地下水溫度為15℃時，與采用冷卻塔的機組相比，理論效率可提高66.6%，地下水溫度為18℃時，效率可以提高48.8%.

2.2 制熱性能系數(shù)

水源熱泵機組的制熱性能系數(shù)εr可用制熱效率ηr和理論制熱系數(shù)εrh表示.

式中:ηr制熱效率，一般可取0.5－0.6;

用理論制冷系數(shù)εth對tk求導(dǎo)可得:

由式(3)和式(4)可以看出，εr隨to的升高而增大，在冷凝壓力允許的條件下，提高to可以提高水源熱泵機組的εr.當?shù)蜏厮M出口溫差為5℃，熱水出口溫度為45℃時，tk按55℃計算;當to與進回水平均溫度按7℃作為計算溫差時，若地下水水溫分別為18℃，15℃，12℃，10℃，8℃，5℃，則相應(yīng)理論制冷系數(shù)εrh為7.06，6.63，6.25，6.02，5.81，5.52.

3 水源熱泵集中冷熱水系統(tǒng)社會經(jīng)濟效益分析

集中供冷供熱系統(tǒng)作為現(xiàn)代化城市能源系統(tǒng)的一部分，在提高能源利用效率、減少空氣污染、有效利用建筑空間、美化城市形象和提高城市品位方面具有十分突出的優(yōu)點，因此歐美、日本等國家均有普遍應(yīng)用.在住房相對集中的地域，如數(shù)百萬平方米的住宅、辦公和商業(yè)用地，采用傳統(tǒng)的空氣源熱泵，能耗與環(huán)境污染非常大.電力增容也是開發(fā)商或政府面臨的主要問題.如果該地域有豐富且可利用的水資源，則可利用水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)實行集中供冷供熱.該系統(tǒng)可降低能耗，具有清潔環(huán)保、運行性能穩(wěn)定等優(yōu)點，具有極高的社會效益和經(jīng)濟效益.

3.1 集中冷熱水系統(tǒng)社會效益分析

3.1.1 夏季空調(diào)工況的社會效益分析

嵊州市自來水水源的70%取自南山水庫，其庫容較大，庫體較深，夏季水溫較低，冬季水溫較高，較常規(guī)的江、河、湖泊水溫相差10℃以上，給當?shù)鼐用裆顜聿槐?根據(jù)嵊州市水源熱泵項目實際情況，住宅及商業(yè)用地面積為4.0×105m2，集中泵站每天可利用的水量為6×104m3，夏季空調(diào)運行工況按120天計算，可利用的冷源水按溫升10℃計算，如果每天向自來水中放入的熱量全部用電加熱升溫，則相當于每天節(jié)電6.98×105kWh.

據(jù)相關(guān)資料，燃燒1 t標準煤大概產(chǎn)生電量2 700 kWh，1 t標準煤排放 CO2按 2.7 t計算［4］，則上述計算的空調(diào)季節(jié)每天的節(jié)電量相當于節(jié)約129 t標準煤，CO2減排總量為41 880 t.按美國芝加哥交易所CO2交易價格，折合成人民幣約為每噸 36 元［5］.

夏季空調(diào)制冷若采用空氣源熱泵，則空氣源熱泵每天向空氣釋放的熱量為3.79×104kWh(空氣源熱泵機組的制冷系數(shù)按2.8計算，水源熱泵制冷系數(shù)按6計算).此放熱量相當于燃燒140.3 t的標準煤，CO2排放量為378.9 t.要產(chǎn)生相同的冷量，需要比水源熱泵系統(tǒng)耗電量多1.36×107kWh，相當于少燃燒5 037.0 t的標準煤，少排放CO2總量13 600 t.具體比較見表1.

3.1.2 冬季熱泵工況的社會效益分析

冬季以平均水溫18℃(取深井水)計算，理論制熱系數(shù)為7.06，考慮水源熱泵的實際制熱效率(0.5～0.6)，則冬季水源熱泵的實際性能系數(shù)為3.53～4.24，取冬季熱泵的性能系數(shù)3.8進行社會效益分析計算.按每人每天需要60℃衛(wèi)生熱水60 L，建筑面積共4.0×105m2，每戶為100 m2的三口之家來計算，每天所需要處理的水體積流量為720 m3.全年水源熱泵供暖期按90天計算，則供熱季節(jié)每天相當于少燃燒標準煤46.67 t，減少排放126 t的CO2.

表1 與應(yīng)用空氣源熱泵相比的節(jié)電量及CO2減排量計算

與采用空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)相比，產(chǎn)生相同的熱量，每天的節(jié)電量及CO2減排量具體見表2.

表2 與空氣源熱泵比較的社會效益分析

3.2 集中冷熱水系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

3.2.1 夏季空調(diào)工況的經(jīng)濟性分析

當冷源水溫15℃時，εl=10.93，實際制冷系數(shù)一般在4.9～8.2之間變化.在進行節(jié)能經(jīng)濟性分析計算時，εl一般取5，6，7.按每天實際處理的水量為6×104m3，如果夜間產(chǎn)生的冷量經(jīng)冰蓄冷機組全部回收，使全天產(chǎn)生的總冷量都能加以利用，則水源熱泵空調(diào)機組每天耗電量W=Q1/(1+ε)，每天產(chǎn)生制冷量為Qo=ε·W，全年空調(diào)季節(jié)按120天計算，則機組的耗電量及冷水價值見表3.

表3 全年空調(diào)季節(jié)經(jīng)濟運行分析

上述建筑面積若不采用集中冷水節(jié)能供水系統(tǒng)、而是采用空氣源熱泵機組進行制冷的話，則全年夏季空調(diào)運行水源熱泵與空氣源熱泵耗電量分別為1.2×107kWh和2.56×107kWh，全年空調(diào)季節(jié) CO2排放量分別為1.2×104t和2.56×104t.

3.2.2 冬季熱泵工況的經(jīng)濟性分析

冬季按4.0×105m2的建筑面積進行節(jié)能經(jīng)濟性分析，水源熱泵系數(shù)按εr=3.8計算.每天產(chǎn)生的總熱量為1.26×105kWh，水源熱泵供暖機組每天的耗電量為3.30×104kWh.一個供暖期為90天，利用水源熱泵供暖機組所消耗的總電能為2.97×106kWh，可提供的總熱量為1.13×107kWh.分別與標準煤、天然氣、集中鍋爐房、空氣源熱泵、水源熱泵進行比較，結(jié)果見表4.

表4 全年采暖季節(jié)各種采暖方式費用比較

3.3 社會經(jīng)濟效益總結(jié)

夏季空調(diào)以每天處理水量6.0×104t所產(chǎn)生的冷量全部經(jīng)冰蓄冷機組回收為標準;冬季采暖以能滿足建筑面積為4.0×105m2的住宅和商業(yè)用戶的采暖熱水(45℃)和衛(wèi)生用水(60℃)為標準，與應(yīng)用空氣源熱泵進行比較，其節(jié)能減排結(jié)果如表5所示.

表5 全年節(jié)能減排量比較

4 結(jié)論

(1)水源熱泵技術(shù)成熟，國內(nèi)外應(yīng)用廣泛，目前已成為替代傳統(tǒng)供冷供熱模式，滿足節(jié)能減排要求的重要選擇之一.

(2)水源熱泵是一種節(jié)能、環(huán)保、高效、無污染的新型空調(diào)系統(tǒng).

(3)與傳統(tǒng)制冷及供暖方式相比，水源熱泵集中冷熱水系統(tǒng)社會經(jīng)濟效益顯著.

［1］朗四維.建筑節(jié)能與采暖空調(diào)方式探討［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001:56-70.

［2］鄭萍，康侍民.關(guān)于水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用探討［J］.制冷與空調(diào)，2006，(3):90-93.

［3］狄彥強.水源熱泵的應(yīng)用與發(fā)展［J］.制冷與空調(diào)，2006，6(5):1-4.

［4］吳榮華.江河湖海地表水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能與環(huán)境評價［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，40(2):226-229.

［5］劉字俊.某節(jié)能住宅小區(qū)地下水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的經(jīng)濟性及節(jié)能性分析［J］.節(jié)能，2008，(4):45-48.