水源熱泵供暖研究管理論文

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摘要：本文針對西藏地區使用地下水源，水源熱泵為制熱裝置時，末端裝置的合理選擇問題進行了分析研究，給出了不同方式的優缺點及其初投資和運行費用的技術經濟分析。

關鍵詞：水源熱泵散熱器風機盤管初投資運行費用經濟分析

0.前言

水源熱泵進行供暖的工作原理為：冬季從水源中提取能量,也就是利用地球表面淺層水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太陽能和地熱能而形成的低溫低位熱能資源,采用熱泵原理,通過空氣和水作為載冷劑提升溫度后送到建筑物中。由于西藏地區缺煤少油，常規能源非常缺乏，一直困擾著西藏的經濟發展，嚴重的電力不足制約著拉薩及周圍地區的工農業發展。但西藏卻有豐富的水力、地熱、太陽能和風能等資源，其地下水比較豐富,它與河湖等地表徑流的關系十分密切,全區地表徑流約有30%系由地下水補給,因此,文中選用水源熱泵的水源為地下水,并進行回灌。普通供熱末端裝置一般為風機盤管和散熱器兩種形式，本文將對這兩種裝置的優缺點進行分析并對這兩種系統進行經濟性分析，從而得出哪一種方式更適合西藏地區的供暖需要。

1.末端裝置的類型及其特點

1.1風機盤管

1.1.1風機盤管的優點

①風機盤管空調系統由于布置靈活,節省建筑空間,對于不同建筑平面的布置形式都可以適應。

②在溫度控制方面,分散分布的風機盤管有利于不同朝向的房間就地控制,從而使不同負荷房間的溫度基本平衡，各空調房間可獨立地通過風量、水量(或水溫)的調節,改變室內溫濕度,當房間無人時可關閉風機盤管機組而不會影響其它房間,節省運行費用。

③風機盤管出風有一定風速，所以室內氣流分布均勻，流動較快，熱交換充分，可以使房間在短時間內完成預熱。

1.1.2風機盤管的缺點：

①風機盤管送回風口必須裝空氣過濾器，否則用了一二年以后表冷器就積滿灰塵，影響表冷器的傳熱效果，而且過濾器要定期清理，否則室內空氣品質要下降。

②西藏地區由于其特有的地理環境及技術經濟的相對落后，將給與風機盤管產品相配套的售后產品維護和維修帶來較大的困難。

1.2散熱器

1.2.1散熱器的優點

①散熱器作為供熱末端裝置，其運行費用很低，因為風機盤管運行時風機要消耗電能來使風機轉動，而散熱器不需要，節省了很多運行費用。

②散熱器相對價格比較低廉，且安裝簡單，維修方便。

1.2.2散熱器的缺點：

①散熱器供暖靠輻射對流，室內氣流分布不太均勻，熱交換不是很充分，所以相對風機盤管來說，其預熱時間較長，如果房間為間斷供暖，由于其預熱時間長，所以一般散熱器為全天供暖，造成能量的浪費。

②由于水源熱泵提供熱水，所以供水溫度不太高，散熱器的供回水溫差不能取太大，這樣使散熱器傳熱效果下降。

2.末端裝置的選型

2.1風機盤管的選型

2.1.1選型方法

風機盤管有兩個主要的性能指標,即風量和熱交換量。風量由風機選型確定；熱交換量則與盤管的傳熱面積、冷(熱)媒的溫度和流量以及經過盤管的空氣溫度和流速等因素有關。一般廠家樣本上都會給出風機在高中低三檔下的在標況下的名義風量和名義制冷、制熱量。我國行業標準JB/T4283-91《風機盤管機組》中規定:名義風量須在盤管不通水,空氣進口靜壓差為零的條件下進行測定。但是風機盤管的使用條件顯然不同于測試條件:實際情況往往是風機盤管需加裝進、出口短管,回風格柵需加裝過濾器,使實際應用系統風的阻力增大,導致名義風量下降,從而造成供冷供熱不足。所以,風機盤管實際風量和冷量熱量是低于名義值的。對于僅供熱使用的風機盤管,一般進水溫度為50℃～60℃,盡管整個系統為軟水,仍有一定的積垢、積塵影響,還需要進行污垢修正。為了保證實際風量,在選用風機盤管機組時,必須具備一定的機外靜壓,用來克服空調系統的阻力，一般取機外靜壓大于20Pa。

這樣根據風量修正、污垢修正,一般取總的修正系數為1.3，求得盤管實際工況下的冷（熱）量。當其大于等于計算冷（熱）負荷時,則滿足要求;當其小于計算冷（熱）負荷時需增大盤管繼續復核。

當提供三檔速度控制開關或可調速電機時,一些設計師根據中檔轉速的額定冷量來選擇風機盤管。這種方法既保證機組在室內運行起來較安靜,而且在速度提高時能增大機組容量。但同時應該看到，由于大機小用,不僅加大了系統容量,提高了工程造價,而且使冷水機組長期處于大流量小溫差的不良狀態下運行,這會導致系統效率低下,能耗加大,所以按中速檔參數選用風機盤管,并非合理作法,僅能作為目前的權宜之計。

2.1.2選型參數

根據上述的選型方法，本文進行風機盤管選型時，取機外靜壓大于20Pa，總制熱量的修正系數為1.3。

2.2散熱器的選型

2.2.1選型方法

現在使用的散熱器主要有鑄鐵散熱器，鋼制散熱器，鋁制散熱器?；诣T鐵散熱器雖然價格低廉，耐腐蝕，使用壽命長，但是生鐵消耗太大，能源消耗太大，在供暖熱量相同時，灰鑄鐵散熱器的重量要比鋼制散熱器的重量約高出兩倍?，F今，已經向新型鑄鐵散熱器發展，采用新技術向輕型化，美觀化發展。鋼制散熱器是發展方向。因為鋼制散熱器具有很多特點：重量輕、承壓高，熱工性能好，節材節能；裝飾性強；安裝和維護方便，生產條件好，易機械化、自動化，產品質量穩定，不污染環境。鋼制散熱器已列為國家重點推廣計劃，到2010年時，將達到“以鋼為主”。鋁制及復合陶瓷板式散熱器，此類散熱器適應潮流，價雖高，但K值也高，金屬耗量低，耐腐蝕性強，美觀壽命長，一般只使用裝修標準高的房間。

2.2.2選型結果

由《西藏地區供暖用水源熱泵和散熱器的初投資經濟性分析》可知，對不同類型的散熱器，在滿足水阻力損失的要求下，應優先選用閉式鋼串片和高頻焊翅片管，而且工業企業及民用適應性極強，尤其適應高濕、腐蝕及惡劣條件下的化工企業，其K值雖不高，但金屬熱強度高，經結合比較，其價格性能比最佳，且工程造價也較低。經計算選用閉式鋼串片GCB120-1型。

3.系統形式

3.1熱泵

水源熱泵機組的制熱系數隨著出水溫度的升高而降低，出水溫度每升高1℃，制熱系數降低1.5%。因此，水源熱泵機組出水溫度越高，要獲取相同的熱量，機組的功率就會增加，容量增大，熱泵的初投資就會提高；而且，隨著出水溫度的增加，獲取相同的熱量，熱泵的耗電量將會相應增加，因此，運行費用也要增多。

3.2風機盤管

供暖末端為風機盤管時，結合熱泵和風機盤管的初投資，一般取熱泵的出水溫度為45℃。這樣熱泵的初投資較省，運行費用降低。而風機盤管的價格會高一些，不過相比水源熱泵，風機盤管容易生產，價格較低。所以，綜合考慮熱泵與風機盤管的價格因數，取熱泵的出水溫度為45℃。

3.3散熱器

根據《西藏地區供暖用水源熱泵和散熱器的初投資經濟性分析》，可知供暖末端為散熱器時，選用低溫熱泵和中高溫熱泵，其初投資均在出水溫度為55℃時為最低。所以，末端為散熱器時，取熱泵的出水溫度為55℃。

3.4系統形式分析

熱泵的制熱系數εh可表示為：εh=Qh/P。水源熱泵出水溫度為45℃時的制熱系數εh為3.9，而出水溫度為55℃時的制熱系數εh為3.3369，可見使用風機盤管時水源熱泵的制熱系數比使用散熱器時的高15％。且由《西藏地區供暖用水源熱泵和散熱器的初投資經濟性分析》可知：水源熱泵隨著出水溫度每升高/降低1℃,熱泵單位熱量價格升高/降低1.5%，可見使用風機盤管時水源熱泵單位熱量價格上比使用散熱器時的低15%，即水源熱泵的初投資上使用風機盤管時比使用散熱器節省15%。熱泵制熱系數與其初投資成反比關系。

對于低溫熱泵，當Tc=45℃時,熱泵的單位價格為0.56元/大卡;對于中高溫熱泵，當Tc=75℃時,熱泵的單位價格為1.242元/大卡?？芍?/p>

使用低溫熱泵時r=0.482[1+(Tc-45)×1.5%]元／W

使用高溫熱泵時r=1.068[1-(75-Tc)×1.5%]元／W

使用低溫熱泵時，45℃出水時熱泵的單位熱量價格為0.482元/W，55℃出水時為0.554元/W。使用高溫熱泵時,45℃出水時熱泵的單位熱量價格為0.587元/W,55℃出水時為0.748元/W。

散熱器選型為閉式鋼串片GCB120-1型，其一片價格為160元，有效散熱面積為5.72m2，K=1.29⊿T0.15W/m2.℃。取散熱器的修正系數為1.2，則其單位熱量價格為：

R=160×1.2/[5.72×1.29(Tc-20.5)1.15]元/W

可算得散熱器供水溫度為55℃，供回水溫差為5℃時，閉式鋼串片GCB120-1型散熱器的單位制熱量價格為0.4434元/W。

風機盤管的選型，假設每個房間的熱負荷均為1500W，根據上述風機盤管的選型步驟，選擇型號為MCW200C的臥式暗裝風機盤管。機外靜壓為30Pa，水流量為0.24m³/h,45℃進水溫度下的制熱量為1970W（大于計算熱負荷1500W×1.3=1950W），風機功率為42W，價格為850元，即風機盤管的單位制熱量為0.5667元/W。

根據水源熱泵的兩種形式（低溫與中高溫熱泵），將系統形式分為：低溫水源熱泵加風機盤管、低溫水源熱泵加散熱器、中高溫熱泵加風機盤管和中高溫水源熱泵加散熱器四種系統形式，要分別給予計算。

由以上分析可知，低溫水源熱泵加風機盤管的初投資為1.0388元/W，低溫水源熱泵加散熱器為0.9974元/W，中高溫熱泵加風機盤管為1.1154元/W，中高溫水源熱泵加散熱器為1.1191元/W?？梢娫诔跬顿Y上使用散熱器的系統稍微節省，大致價格相當。

運行費用上主要由熱泵即風機盤管的電費和維修費用組成，假設每個房間的熱負荷均為1500W，熱泵45℃出水時其功率為385W，而55℃出水時其功率為449W，而風機盤管的功率僅為42W，可見風機盤管的功率遠遠小于水源熱泵的功率，所以可知使用風機盤管的系統時功率為427W小于使用散熱器的系統功率為449W,這樣其運行費用應較節?。唧w計算可由下面實例給出。

4.經濟性分析

4.1初投資

西藏拉薩地區的冬季計算用采暖期室外平均溫度為0.5℃，室內計算溫度取18℃。例如，取某工程的總熱負荷為1000KW，假設每個房間的熱負荷均為1500W。

表1.系統初投資價格表低溫水源熱泵+

風機盤管

低溫水源熱泵+

散熱器

中高溫熱泵+

風機盤管

中高溫水源熱泵+散熱器

熱泵價格（元）482000

末端價格（元）566950

總價格（元）1048950

554000

443400

997400

587000

566950

1153950

748000

443400

1191400

4.2運行費用

由于該工程中使用的地下水為自采自用，因此運行費用中的水費不予計算；另外，本文主要對供暖末端不同的系統進行分析，為了簡化起見，運行費用中的人工費用不予計算，維修費按初投資的2.5％計算。

西藏拉薩地區冬季計算用采暖期為142天，進行12小時供暖，取拉薩地區電費為0.5元/千瓦時。

計算結果見下表。

表2.系統運行費用比較低溫水源熱泵+

風機盤管

低溫水源熱泵+

散熱器

中高溫熱泵+

風機盤管

中高溫水源熱泵+散熱器

熱泵電費（元）218461

末端電費（元）23868

維修費（元）26224

運行費（元）268553

257013

/

24935

281948

218461

23868

28849

271178

257013

/

29785

286798

4.3年度總費用

年度費用，考慮現金流量的年度等值為年度費用，以A表示。計算公式為：

A=k*[i0(1+i0)j]/[(1+i0)j–1]+c

其中：k—初投資；

c—運行費用；

i—基準貼現率，i=12%;

j—回收年限，15年；

A—年度費用。

表3.系統的年度總費用比較

低溫水源熱泵+

風機盤管

低溫水源熱泵+

散熱器

中高溫熱泵+

風機盤管

中高溫水源熱泵+散熱器

年度總費用（元）422560

428390

440610

461720

由以上數據可以看出：

1.使用中高溫熱泵時，由于其價格高于低溫熱泵，所以年度費用上均高于低溫熱泵。

2.在運行費用上，熱泵的耗電量占很大一部分，所以在保證系統初投資最低，滿足熱負荷需求的情況下，盡量使熱泵的出水溫度為最低限．

3.選用風機盤管作為供暖末端時，雖然其系統初投資要稍高于使用散熱器的系統，而其運行費用要比使用散熱器高出不少，所以年度總費用上低與使用散熱器的系統，既使用風機盤管的系統節能，但沒有明顯高于使用散熱器的系統．

4．使用高溫熱泵比低溫熱泵系統年度總費用要高，主要由于其初投資要比低溫熱泵高很多．

5．結論

通過上述計算可知，使用低溫熱泵加風機盤管的系統在經濟性上最佳，但是其經濟性沒有明顯高于使用散熱器的系統，而我們的計算是考慮維修費用均為初投資的2.5％，而考慮西藏地區的實際情況，散熱器的維修費用要明顯低于風機盤管的維修費用，而且方便維修，配件方便，所以在西藏地區大型供暖工程建議使用熱泵加散熱器的形式．

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