水源热泵可行性研究报告.docx

1、水源热泵可行性研究报告水源热泵可研性报告一、 前言 进入二十一世纪，能源紧缺已经成为各国经济发展的世界性难题。随着经济的持续发展，人们生活水平的不断提高，对空调的舒适性、室内空气品质的要求也越来越高。为了更好地满足人们这种更加舒适和更加有利于身心健康的要求，现介绍近年来在空调领域兴起的水源热泵空调系统。水源热泵是一种高效节能、经济环保、安全稳定、冷暖两用、运行灵活的新型中央空调系统。它利用地表水（江、河、湖水）、地下水、工业废水及生活废水，又可用取之不尽的海水等，借助热泵系统，既能制冷、又能制热，是一种高效建筑节能技术。 当今社会环境污染和能源危机严重地威胁着人类地生存与发展，如何理解这一问题

2、已成为全人类的头等课题。在这种背景下，以环保和节能为特征的绿色建筑和与之相应地空调系统应运而生。而热泵系统正是满足这些要求的中央空调系统之一。水源热泵具有节能、经济、运行可靠等特点。目前，水源热泵空调系统的应用范围正在逐步扩展。水源热泵可采用多种形式的冷热源，如利用地球表面（土壤）或浅层水源（如地下浅层水、河水、湖泊和海水等），或者人工再生水源（工业废水、废气等），既可供热又可制冷的高效节能空调系统。 二、 发展近况 国外水源热泵的历史可以追溯到1912年瑞士的一个专利，而真正意义的商业应用也只有近几十年的历史。如美国，到目前为止已安装了40万台，每年以10%的速度稳步增长，年节约能源费用达4

3、.2亿美元。 美国的水源热泵主要采用盘管深埋技术，与美国不同，中、北欧如瑞典、奥地利、德国等国家主要利用浅层地热资源，采用地下土壤埋盘管，用于室内地板辐射供热装置中。 我国的水源热泵刚刚起步，发展前景看好。在辽宁地区目前已经有数十个示范工程。越来越多的用户开始熟悉水源热泵，并深感兴趣。主要是因为常规能源的节约和可再生能源的充分利用；另一方面是因为有较好的热泵科研与应用基础。三、 系统组成及工作原理 水源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。水源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季

4、作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。通常水源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。 根据热泵的热源介质来分，热泵可分为空气源热泵和水源热泵，而水源热泵又分为水环热泵和地源热泵。水环热泵是充分利用室内余热的一种热泵，冬季当室内余热不足时，可利用锅炉进行加热；夏季当室内余热过多时，可利用冷却塔进行排热。地源热泵在国内的应用刚刚起步，有关地源热泵的术语很多，也很不规范，为了避免混淆，现统一采用ASHRAE1997年规定的标准术语，即地源热泵(Ground-Source Heat

5、 Pump, GSHP)。地源热泵是一个广义的术语，它包括以地下水、地表水和土壤作为热源和热汇的热泵系统。以土壤为热源和热汇的热泵系统称之为土壤源热泵(Ground-Coupled Heat Pump, GCHP)；以地下水为热源和热汇的热泵系统称之为地下水源热泵(Ground-Water Heat Pump, GWHP)；以地表水为热源和热汇的热泵系统称之为地表水源热泵(Surface Water Heat Pump, SWHP)。工作原理 作为自然现象，热量总是从高温端流向低温端。但如同水泵把水从低处提升到高处那样，人们可以用热泵技术把热量从低温端抽吸到高温端。所以热泵实质上是一种热量提升

6、装置，它本身消耗一部分能量，把环境介质中储存的能量加以挖掘，提高温位进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为供热量的三分之一或更低，这就是热泵节能的关键所在。水源热泵机组工作原理就是利用地球表面浅层地热能如土壤、地下水或地表水（江、河、海、湖或浅水池）中吸收的太阳能和地热能而形成的低位热能资源，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，在夏季利用制冷剂蒸发将空调空间中的热量取出，放热给封闭环流中的水，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量；而冬季，利用制冷剂蒸发吸收封闭环流中水的热量，通过空气或水作为载冷剂提升温度后在冷凝器中放热给空调空间。水源中央空调系统是由末端（室内空气处理末端等）系统，水源中

7、央空调主机（又称为水源热泵）系统和水源水系统三部分组成。 三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，水源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。为用户供热时，水源中央空调系统从水源中提取低品位热能，通过电能驱动的水源中央空调主机（热泵）泵送到高温热源，以满足用户供热需求。为用户供冷时，水源中央空调将用户室内的余热通过水源中央空调主机（制冷）转移到水源中，以满足用户制冷需求。图1是水源热泵制冷工况的原理图。制热工况的原理与制冷工况类似，只不过是热泵机组的循环方向相反、相应换热器的功能互换。 水源热泵根据对水源的利用方式的不同，可以分为闭式系统和开式系统两种：闭

8、式系统需要构造地下埋管换热器或者地表水埋管换热器，形成封闭的地源水循环系统，向地下土壤或者地表水散热或者取热。开式系统的特点是抽取地下水或者地表水，在板式换热器中与机组的循环工质进行热交换，实现散热或者取热后，再回灌到地下或者河流。 水源热泵机组工作的原理示图如下：大功率水源热泵工作原理根据卡诺循环原理，利用湖水、河水、地下水、及工业用冷却水资源，借助压缩机系统，通过消耗少量电能，不断将水中大量的低品位热能取出来变成少量的高品位热能，供给室内的采暖和空调系统。夏季机组水系统反向运行，把室内的余热取出来，在释放到地下土壤或水中，以达到空调降温的目的。大功率污水源热泵工作原理城市污水集中供热（冷）

9、系统是依据国家专利技术，由大功率无燃料污水源热泵机组及热力管网组成。其特点是高效节能、环保、经济。 城市污水集中供热机组的工作原理：利用污水处理厂二沉池的水资源，借助专用污水源热泵机组系统，通过消耗少量的（25%）电能，在冬季，不断将污水中大量的低品位热能取出来，变成高品位的热能，通过热力管网供给建筑物的采暖和空调系统。夏季，把室内的热量取出来，再释放到水中，以达到空调制冷的目的。该系统广泛应用于建筑物的集中供热、中央空调、热水供应、游泳池水加热、室内种植、养殖恒温等。是一种可以在污水处理行业推广的创新技术。地源热泵工作原理地源热泵空调系统是真正意义上的绿色环保中央空调系统，它通过充分利用蕴藏

10、于地球土壤中或江河湖海中的巨大能量来实现对建筑物的供热和制冷。地源热泵空调系统是目前可以利用的对环境最友好和最有效的供冷、供热空调系统，它比空气热泵空调系统节能40%以上，比电采暖节能70%以上，比燃气锅炉效率提高48%以上，而所需的制冷剂比普通热泵空调减少50%，地源热泵空调系统中70%的能量从大地中获得的可再生能源。大功率高温型水源热泵机组工作原理新型高温机组以3040的地热尾水、工业和油田热废水为热源，经过转换，为工业和居民生活提供6580的热水。经测定，这种机组运行稳定，性能系数高，机组的诞生意义重大：一是利用较低温度地热等热能供暖供热，可以取消或代替燃煤锅炉，是集中供暖供热的新的更有

11、效的途径；二是供暖供热过程无粉尘及有害气体产生，有效地保护了城市大气环境；三是扩大地热利用的温度范围并提高地热能源的利用率，既节约了能源又减少了对环境的热污染。大功率海水型水源热泵机组工作原理它是利用热泵提取海水中的热能，来满足人们的制冷供热的一种中央空调机组。具有节能、环保优势。热泵中的压缩机组运转所使用的电能仅相当于不足四分之一的空调电能，整个供热过程还不会对空气、水源造成任何污染，完全是一种真正的绿色能源。因此，通过海水源热泵供热后，锅炉房、大烟囱这些笨重难看又严重污染空气的大家伙将全部“下岗”。同时，与煤炭、油料相比，海水源热泵技术使用的能源是海水中的热能，而这种由太阳热能形成的能源不

12、仅是免费和无污染的，也是可不断再生的。水源热泵螺杆机组制冷量范围从150kW到3242kW，规格多，型号全，加之各种选件可满足不同用户之需求。水水螺杆式水源热泵机组现已成为非常成熟的中央空调主机，制冷效率高,故障率低，维护操作简单方便。机组外形结构紧凑，占地面积小，运行稳定，运行噪声低，耗能省，运行成本低，具有世界领先的水平。其制冷工质可使用符合环保协议的混合工质，也可采用全无氟的绿色环保工质，绝不造成污染。 世界名牌压缩机优质半封闭双螺杆式压缩机，轴封泄漏的可能性为零。采用双轴旋转排气设计，并使用最新开发的第四代型线，优化的圆周速度，优良的齿型设计使机组具有更高的压缩效率。电机腔与压缩腔一体

13、铸造，精度更高。双层压力补偿转子壳体，极其坚固，即使在高压状态也无膨胀，同时有效降低了机组的噪音。进口高效耐氟电机效率高省能源，可靠性高。双轴向轴承,坚固耐用，通过舌形密封环隔离轴承腔压力，轴向轴承腔压力较低。电机热保护绕阻PTC控制保障电机的安全运转。优化的油路设计，压缩机内置专利三级油分离器，长寿命m级精细过滤器。封闭低压轴承室，极大提高轴承的润滑环境，减压后的轴承腔，确保溶在油里的制冷剂最少，因而油的粘度较高，相对普通设计，轴承室内油粘性提高将近一倍。采用压差供油方式，省去油冷却器、油泵等复杂的油路系统，易于维修保养。电机直接驱动，运转部件和易损件少，机械效率高。可选无级滑阀控制带Vi补

14、偿功能。 高效节能现如今更多的螺杆式压缩机的生产偏重于低的初投资而不是低的运行费用，由此而导致了机组换热器性能的下降和实际能效比的降低。 幸运的是对于那些被浪费的能量，水源热泵机组有自己的解决办法。因为水源热泵机组的研发从一开始就更关注节能的要求，在每个细节上确保机组达到最佳的性能。完全符合标准的规定。本工程水源热泵机组冷凝器和蒸发器均为壳管式换热器，采用新型高效型换热器结构，考虑到水源工况为节约地下水的开采，采用大温差小流量的设计原则。热交换器采用最先进的高效换热铜管束，独特的换热管几何特性，增强了管外核态沸腾所需的汽化核心，强化了管内流体扰动，同时延缓了水侧结垢，内、外壁经强化传热以得到最

15、优的性能，较以往设计，现行的独特设计使传热效率提高30%。蒸发器的蒸发管采用内螺槽外凹牙强化传热技术，冷凝器的冷凝管采用内螺槽外绞牙技术，提高了蒸发器和冷凝器的传热效率和蒸发温度，最终提高机组的能效比。冷媒通过蒸发器的流速保持在6 m/s以上，可保证冷冻油随冷媒自然流回压缩机，不需增加强制回油装置，避免回油不畅导致的压缩机故障。每台容器的设计、制造、检验均符合GB150钢制压力容器、GB151壳管式热交换器、JB/T4750-2003制冷装置用压力容器及压力容器安全监察规格等相关的标准、法规，运行安全可靠。 部分负荷性能压缩机的大多数操作时间都运行于部份负荷工况下,机组不仅要求在满负荷的情况下

16、高效运行，在部分负荷运行时也要求保持较高的效率。在相同的运行条件下，由于部分负荷工况的存在，而使得运行费用有10%20%的偏差是很正常的。部份负荷的运转能耗对于机组的运行成本很重要，所以这种情况在ARI 550标准中以“综合部分负荷值”(IPLV)和“应用部分负荷值”(APLV)来衡量。IPLV/APLV 提供了一个比较部份负荷的运行能力的标准方法后, 部分负荷运行就无需被定义为“特殊的情况”, 而应该是视之为普遍现象。水源热泵螺杆机组在设计时充分考虑了部分负荷情况下机组运行的经济性。电子膨胀阀的广泛采用提高了机组的效率。电子膨胀阀具有比例积分式调节的卓越技术，允许更好地控制空调机组降低运行成

17、本。电子膨胀阀电机与阀合为一体，陶瓷材料的阀板和阀口部件耐磨损，可靠性高，寿命极长。流量变化呈线性，连续的冷量调节，在制冷回路中无液击现象。在部分负荷的工况下，电子膨胀阀更能做出精确的调节，提高部分负荷时的效率，与使用热力膨胀阀的冷水机组冷水机组比较运转效率提高了15%，且能够更精确的控制冷水温度。四、特点 水源热泵空调系统主要具有以下技术优势：（1） 属于可再生能源利用技术 水源热泵是具备了利用地球水体所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。其中可以利用的水体，包括地下水或河流、地表部分的河流和湖泊以及海洋。地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了47的太阳辐射能

18、量，比人类每年利用能量的500倍还多（地下的水体是通过土壤间接的接受太阳辐射能量），而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散地相对地均衡。这使得利用储存于其中地近乎无限地太阳能或地能成为可能。所以说，水源热泵利用的是清洁的可再生能源地一种技术。（2）高效节能 水源热泵机组可利用的环境水体温度冬季为1222，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季水体为1835，水体温度比环境温度低，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，机组效率提高。据美国环保署EPA估计，设计安装良好地水源热泵，利用江河湖水等，平均来说可

19、以节约用户3040的供热制冷空调的运行费用。 （3）运行安全可靠 水源热泵机组的空调系统是可以基本保证全年按用户的需要开启空调系统，特别是春秋空调过渡季节均能运行，也就相当于四管制空调系统。一般，水源热泵供、回水的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动，是很好的热泵热源和空调冷源。夏季水体作为空调的冷源，冬季作为空调的热源，水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。（4）环境效益显著 水源热泵使用的是电能，电能本身为一种清洁的能源，但在发电时，消耗一次能源，并导致污染物和CO2温室气体的排放。所以节能的

20、设备本身的污染就小。设计良好的水源热泵机组的电力消耗，与空气源热泵相比，相当于减少30以上，与电供暖相比，相当于减少70以上。（5）便于计量和收费 空调用电负荷在用户位置，因此便于空调的计量与收费。这对于用户合理使用空调系统，节约空调系统的能耗，公平、公正、公开地摊派空调运行管理是很有利的。 （6） 节约投资 水源热泵系统不需设冷冻机房，不设大的通风管道，不设大的锅炉房和没有冷冻水系统，安装和投资费用大大减少。 当然，象任何事物一样，水源热泵也不是十全十美的，其应用也会受到制约。（1）受可利用的水源条件限制。水源热泵理论上可以利用一切的水资源，其实在实际工程中，不同的水资源利用的成本差异是相当

21、大的。所以在不同的地区是否有合适的水源成为水源热泵应用的一个关键。目前的水源热泵利用方式中，闭式系统一般成本较高。而开式系统，能否寻找到合适的水源就成为使用水源热泵的限制条件。对开式系统，水源要求必须满足一定的温度、水量和清洁度。 （2）受水层的地理结构的限制。对于从地下抽水回灌的使用，必须考虑到使用地的地质的结构，确保可以在经济条件下打井找到合适的水源，同时还应当考虑当地的地质和土壤的条件，保证用后尾水的回灌可以实现。（3）受投资经济性的限制。一次性投资会随着用户的不同而有所不同。总体来说，水源热泵的运行效率较高、费用较低。五、 水源热泵中央空调与其它常用中央空调冷热源的技术特点对比 水源热

22、泵在夏季制冷时可使机组的冷凝温度降低、在冬季可使机组的蒸发温度提高，都能提高产能效率；此外，它们所利用的低温热源通常可以来自环境（大气、地表水和大地）或各种废热。热泵从这些热源吸收的热量属于可再生的能源。 空调系统一般应满足冬季的供热和夏季制冷两种相反的要求，传统的空调系统通常需分别设置冷源（制冷机）和热源（锅炉）（见表1）。如果让传统的空调系统在冬季以热泵的模式运行，则可以省去锅炉和锅炉房，不但节省了初投资（见表2），而且全年仅采用电力这种清洁能源，还能大大减轻供暖造成的大气污染问题。 水源热泵机组系统运行稳定，能效比可达56，远大于其它同类型机组（见表1）。系统运行过程中，无燃烧，无任何固

23、态、液态或气态污染物排放，是“绿色”供暖（冷）的环境系统工程。水源热泵的污染物排放与电供暖相比，相当于减少70%以上。 表1水源热泵中央空调与其它中央空调冷热源的技术特点对比 方式占地面积设备寿命水耗量驱动方式环保备注水源热泵机房占地面积小，可设在地下室20年只利用地下水源的热量采用回灌技术，不消耗水资源电能利用系数为3.86.0无燃烧污染水资源与制冷剂不接触，无水源污染，噪音低需要一定量的水资源，维护简单溴化锂吸收式直燃机机房占地面积大，冷却塔要占用屋顶面积，储油设备需要占地，要求有一定的安全间距10年冷却水循环量的2%冬季供热的排污补水燃油或燃气能源利用系数为80%有燃烧污染有一定的噪音和

24、水霉菌污染机房需要设置安全报警装置水冷机+电锅炉需设冷冻站和锅炉房，冷却塔要占用屋顶面积，电负荷较大冷水机组20年电锅炉15年冷却水循环量的2%冬季锅炉的排污补水电能夏季：能源利用系数为3.53.8冬季：90%无燃烧污染夏季有一定的噪音和水霉菌污染需要设置两套机组和人员，运行维护复杂 注：水冷冷水机组按水冷螺杆机组考虑，性能参数均摘自厂家 样本 资料；室内进风温度27 DB， 19.5 W B，冷却水进出水温度32/37，冷媒水进出水温度7/12；冷却水塔按两台考虑； 根据表1我们可以总结如下几点： 1、 从冷热源占地面积可以看出，水源热泵相对其它类型的中央空调系统，其占地面积小，不需要冷却水

25、塔、锅炉等耗电设备； 2、 相对其它类型的中央空调机组15年左右的使用寿命来说，水源热泵空调机组使用寿命可长达20年； 3、 水源热泵技术所使用是可再生水资源，不需要进行循环水的补水； 4、 水源热泵的制冷、制热系数可达3.86.0，于其它形式的中央空调系统相比有明显的节能优势； 5、 由表1可以看出，水源热泵系统相对其它系统而言，无燃烧和水污染； 6、 水源热泵系统结构简单，运行维护方便。 六、 水源热泵初投资概算及与其它采暖空调模式比较 以华东地区空调建筑面积10,000m2为例，夏季冷负荷1,064kW；冬季热负荷1,220kW，表2比较了水源热泵与其它不同系统的投资与运行费用。 表2水

26、源热泵系统初投资与其它中央空调系统比较 方 式水源热泵溴化锂吸收直燃机组水冷机组+燃气锅炉水冷机组+电锅炉（平+谷）初投资制冷主机（万元）1001409090锅炉（万元）-3024循环水泵（万元）5755冷却水塔（万元）-866水井6-室内末端（万元）5555其它（万元）40688274总投资（万元）156228218204单位面积投资（元/平方米）156228218204能耗费冬季125天（元/季m2）17373628夏季115天（元/季m2）12281717全年（元/年m2）29585345 1、 初投资比较 水源热泵空调系统总投资为156万元，如果不使用水源热泵系统，而采用其它的空调系统

27、，则需要配置冷却水塔、锅炉及其配套设备。水源热泵机组寿命为20年，在此期间，其它的空调系统需要更新一次，具体数据分析如下： a) 与溴化锂吸收直燃机组的投资差价：228-156=72万元， b) 与水冷机组+燃气锅炉的投资差价：218-156=62万元 c) 与水冷机组+电锅炉（平+谷）的投资差价：204-156=48万元 因此初投资相对其它中央空调系统而言约节省24%40%的成本。 2、 能耗费用比较 水源热泵能耗费用为：28元/年m2，如采用其它类型的空调系统，其能耗费用比较如下： a) 与溴化锂吸收直燃机组的能耗费用比较：58-29=29元， b) 与水冷机组+燃气锅炉的能耗费用比较：5

28、3-29=24元 c) 与水冷机组+电锅炉（平+谷）的能耗费用比较：45-29=16元 由此可以得到，水源热泵能耗费用相比较其它类型的空调系统而言，约节省35%50%的成本。 七、水源热泵系统的管路设计 水源热泵空调系统的设计与施工是一项系统性工作，需要从多方面来分析这一工程的特点。1 水源热泵系统管路设计的特点 水源热泵的管路设计相对于空气源热泵来说，具有明显的特点，主要体现在以下几点： 1.1 水管不需要保温 空气源热泵机组夏季输送的是冷冻水，冬季输送的是热水，因此，管路系统必须保温，而水源热泵的空调系统，夏季管内冷却水供回水设计温度3035，冬季供热水温度仅为1621，因此，水管路系统可

29、以不保温，管路系统的初投资与维护费用降低。 1.2 冬夏季两种形式的转换 水源热泵系统通常由夏季和冬季一套管路两种形式，季节转换。 可通过管路系统中合理设置的阀门进行切换。 1.3 重力作用的影响 闭式系统的水力计算中，与各用户所在的标高关系不太大；而开式系统中与用户的标高关系密切，即必须考虑高差产生的重力作用，这个作用压力，对标高低的用户有利，而对标高高的用户不利。为解决重力作用产生的上下用户的水力不平衡的问题，设计时，应将每一层作为一个独立的水系统分支，每层支管上应设一个平衡阀（或流量调节阀）。 1.4 管径的确定 水系统管路各管段管径的确定，在水力计算中，应按夏季工况考虑，（指长江流域等

30、冬冷夏热地区）因为夏季的水流量远大于冬季工况。应计算出合理的管径，这样即可以避免管材的浪费，又可以使初投资降低，节约资金。 1.5 同程式系统 设计时，水环路尽可能地采用同程式系统，这样初投资费用虽然有所增加，但有利于保持环路的阻力平衡，这样空调系统运行效果更加良好。 1.6 必要的接管组合 水源热泵需要一些特殊的接管组合，以保证机组的正常工作 。常见的有手动控制流量球阀接管组合，手动文丘里平衡阀组合和自动流量接管组合 。其中手动文丘里平衡阀组合是在手动球阀组合的基础上增加了一个用来测流量的文丘里接头；自动流量接管组合增加了自动流量控制阀，从而可以自动调节，以保证流量。 2 水源热泵系统中的构

31、件布置 水泵一般布置于辅助设备和水源热泵机组之间，这样布置可使机组的供水管处于水泵的压水段，而补给水管处于水泵的吸水段。水源热泵空调系统构件（如水过滤器、膨胀水箱、空气分离器等）的典型布置。如需要设置蓄水箱应将其置于水源热泵机组水流下方。在总体上了解水环路的连接应注意的事项：其中，不同位置的阀门的作用应特别注意（如季节转换时的开启或关闭）。水源热泵系统中，水管路系统的设计与施工非常重要。一般来说，系统配件管路的造价在整个系统总造价中所占比例很大，因此需尽可能合理地布置管道。 包含：水源热泵机组、单项阀 、除垢仪 、Y型水过滤器、可曲挠接头、开式膨胀水箱 、系统卧式循环水泵、板式换热器、平衡阀 3 水源热泵的耗电问题 目前，在我国的某些地区，存在着用电结构矛盾并有不断加大（一方面存在着严重地高峰电力不足，另一方面存在着峰谷差过大等问题）的趋势，自然资源大量浪费的恶性循环的现象，这就为水源热泵的耗电技术的应用提供了条件。在空调工程中若该地区实行电力低谷高峰期电价差。 4、水源热泵机组设计中应注意的其它问题 4.1 噪声控制问题 由于机组的噪声源除风