高温水源热泵蓄热空调系统

摘要： 本方案将中科能公司利用中国科学院广州能源所最新研究成果生产的国内领先的高温水源热泵产品和电蓄热技术相结合，配以先进的控制系统，实现建筑物的冷、暖、生活热水三联供，以最少的投资和最少的运行费用达到最佳的使用效果，从而产生良好的经济效益和社会环境效益。

关键词： 水源热泵 电蓄热 控制系统

技术背景

1、电蓄能技术以其在电网削峰填谷方面的显著作用和低廉的运行费用，如今已在工程中大量应用。

2、目前国内市场上的水源热泵产品在制热运行时最高出水温度都在50℃左右，因而制约了这一新型技术的推广应用范围。最近制热出水温度可达75℃的高温水源热泵机组已经由中国科学院广州能源所研制成功，由中科能公司投入生产并在实际工程中成功应用，效果显著。

本方案将中科能公司利用中国科学院广州能源所最新研究成果生产的国内领先的高温水源热泵产品和电蓄热技术相结合，配以先进的控制系统，实现建筑物的冷、暖、生活热水三联供，以最少的投资和最少的运行费用达到最佳的使用效果，从而产生良好的经济效益和社会环境效益。

一、工程概况

本工程建筑面积10000m2，按节能建筑标准设计，为教学综合楼，中央空调系统，并有每天两小时的卫生热水供应。空调时间为每天早7：30至晚18：30。

二、供热空调系统初步方案

根据建筑物的使用性质，为合理利用能源，降低能耗，减少环境污染， 本建筑空调供热系统初步决定采用绿色新能源设备—水源热泵空调机组作为中央空调及热水系统的冷热源。

2.1 水源热泵系统具有如下几个方面的优点：

2.1.1 属可再生能源利用技术

水源热泵系统是利用地球表面浅层的无限可再生地热资源（通常小于400米深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。

2.1.2 属经济有效的节能技术

地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，这种温度特性使得水源热泵系统比传统空调系统运行效率平均要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右。另外，地能温度较恒定的特性，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。

据美国环保署EPA估计，设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户30～40％的供热制冷空调的运行费用。

2.1.3 环境效益显著

水源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40％以上，与电供暖相比，相当于减少70％以上，如果结合其它节能措施节能减排会更明显。该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。

2.1.4 一机多用，应用范围广

地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统；可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖、空调。

此外，机组使用寿命长，均在15年以上；机组紧凑、节省空间；维护费用低；自动控制程度高，可无人值守。

2.2 本工程水源热泵系统形式

本工程建筑物为综合性办公建筑，空调系统使用时间集中在白天，根据这一特点，为使运行费用最大限度的降低，我公司为本工程设计了高温水源热泵蓄热供热空调这一系统形式。在夏季高温水源热泵机组可直接作为制冷机用于空调系统供冷。在冬季运行时，机组制热最高出水温度可达75℃，根据电力部门峰谷电价计费政策，可以在谷电时用来蓄热，在峰电由蓄热水箱向空调系统供热。这种系统将中科能公司利用中国科学院广州能源所最新研究成果生产的国内领先的高温水源热泵产品和电蓄热技术相结合，配以先进的控制系统，以最少的投资和最少的运行费用达到最佳的使用效果，从而产生良好的经济效益和社会环境效益。

高温水源热泵蓄热主要有两种运行方式。一种是全部使用低谷电，（23：00～7：00为低谷电价）即低谷时段水源热泵开启运行并蓄热，平电及高峰用电时段（7：00～8：00、11：00～18：00执行平电电价，（8：00～11：00、18：00～23：00）执行峰电电价关闭水源热泵，由蓄热水箱中的热水向系统供热。另一种运行方式是在使用低谷电的同时使用一部分平价电，即低谷时段水源热泵开启运行并蓄热；白天由蓄热水箱中的热水向系统供热、同时使用一部分平价电蓄热或供热。

运行方式的不同，将对水源热泵的容量,蓄热水箱的容积，变压器大小，采暖运行费用的高低等产生较大影响。全谷电运行方式，运行费用最低，但初投资较大。谷电+平电运行方式，初投资适中，但运行费用比全谷电要高。综合分析显示，对于全天需要需要供热的系统，谷电+平电运行方式比较合理，而对于综合办公或商业建筑，因为夜间负荷很小，采用全谷电的运行方式在投资和运行方面都比较经济；根据核算， 3-5年内即可将增加的初投资收回。

本工程拟采用全谷电蓄热的运行方式。

2.3 高温水源热泵蓄热系统的优势

高温水源热泵蓄热式空调供热系统与传统的空调供热系统和常温水源热泵系统相比有如下几个方面的突破。

1. 制冷运行效率比普通冷水机组制冷效率可提高20%以上，并且可以生产卫生热水，功能得到了延伸。

2. 主要利用地下水中蕴藏的低位地能，与电锅炉蓄热系统相比，同样的制热量其耗电量减少65%以上，节能效果显著。

3. 解决了常温水源热泵系统制热出水温度低的问题，并且通过利用低谷电蓄热，使运行费用与常温热泵机组直接运行相比大幅度降低。

配备先进的自动控制系统，可以实相现无人职守运行，运行管理成本低；系统供水温度可以根据室内外温度变化自动调节，使系统运行更加合理节能。可满足各种环境及条件的要求。

三、系统设计

3.1 负荷估算

工程地点位于北京，根据当地气象参数和相关空调供热设计标准，夏季空调设计冷负荷概算指标取70W/m2，冬季建筑供暖设计热负荷概算指标取45W/m2，建筑平均空调供热负荷按设计负荷的70%计，由此可得：

建筑总冷负荷为700KW，平均冷负荷为490KW；

建筑总热负荷为450KW，平均热负荷为315KW。

卫生热水供水温度50℃，每天供水2小时，负荷估算为232KW。

3.2 设备选型

水源热泵蓄热空调系统是主要由机组蓄热系统、水源水系统和用户系统三部分组成。

机组蓄热系统主要由高温热泵机组、蓄热水箱、换热器、一次循环水泵、变频控制设备等组成。

水源水系统由抽回灌井、井用潜水泵、井口设备等组成。

用户系统由水处理设备、空调循环泵、补水定压装置等组成。

系统内的水源热泵、水泵、变频控制系统均由系统控制柜控制，加上电动碟阀可做到无人值守全自动运行，在需要时全部设备也可手动操作运行。

热泵机组：根据冷热负荷情况，考虑到设备运行的备用和调节等因素，本方案选用两台中科能公司生产的GWHP400型高温水源热泵机组作为系统的冷热源设备。单机额定制热量401KW，热水进出水温72℃/62℃额定制冷量356KW，冷水进出水温52℃/42℃。

蓄热水箱：蓄热水箱的最高水温可以达到72℃空调采暖系统供回水温度如果设定为50℃/40℃，考虑到换热器的换热温差，蓄热水箱的最低水温应不低于52℃。采暖期系统每天工作11小时平均总热负荷为3465KW，可以全部利用蓄热，考虑一定的热量损失，蓄热水箱总容积初步确定为160m3。谷电期间，两台机组同时工作，4.5小时即可蓄足白天所需热量，同时向系统小负荷供热保温。在天气特别严寒，蓄热不能满足系统需要时，可短时间开启热泵机组向系统补充热量。

水源井及潜水泵：根据冷热负荷和机组型号，经计算可知水源热泵系统井水最大流量为98m3/h。根据工程所在地水文地质情况，设一抽一回两口井即可满足使用要求，井深暂定80m，单井出水量按150m3/h设计，两口井交替使用，每口井设一潜水泵，型号为250QJ100-81/3，额定扬程81M，额定流量100m3/h。

其它相关附属设备如下表。

表1 系统设备一览表

序号	名称	型号	单位	数量	输入功率KW	备注
1	高温热泵机组	GWHP400	台	2	83/103
2	蓄热水箱	150m3	套	1
3	抽回灌井	80m	口	2
4	井用潜水泵	250QJ100-81/3	台	2	34	一用一备
5	一次循环泵	IRG100-125	台	2	11	一用一备
6	空调循环泵	ISG80-160	台	2	7.5	一用一备
7	供热换热器	CB76L	台	1
8	热水供水泵	IRG40-160	台	2	2.2	一用一备
9	热水换热器	CB27	台	1
10	热水一次泵	IRG50-100	台	2	1.1
11	热水箱	8 m3	个	1
12	软化水设备	4t/h	台	1
13	软化水箱	10m3	个	1
14	补水定压设备	4t/h	套	1	2.2
15	变频控制器		套	1
16	中心控制器		套	1

3.3 系统运行原理

系统运行原理详见附图。

四、初期投资估算

序号	名称	型号	单位	数量	单价 (万元)	合价 (万元)	备注
1	高温热泵机组	GWHP400	台	2
2	蓄热水箱	150m3	套	1
3	抽回灌井	80m	口	2
4	井用潜水泵	250QJ100-81/3	台	2			一用一备
5	一次循环泵	IRG100-125	台	2			一用一备
6	系统循环泵	ISG80-160	台	2			一用一备
7	供热换热器	CB76L	台	1
8	热水供水泵	IRG40-160	台	2			一用一备
9	热水换热器	CB27	台	1
10	热水一次泵	IRG50-100	台	2
11	热水箱	8 m3	个	1
12	软化水设备	4t/h	台	1
13	软化水箱	10m3	个	1
14	补水定压设备	4t/h	套	1
15	变频控制器		套	2
16	中心控制器		套	1
17	电动阀门		项	1
18	阀门管件		项	1
19	钢管刚材		项	1
19	其它材料		项	1
20	施工费用		项	1
22	综合费用		项	1
23	合计					197.52

注:本估价仅供参考,工程实际造价根据最终设计图纸安相关规定进行预算。

五、运行费用简析

根据负荷情况，两台GWHP400型热泵机组和附属设备在冬季蓄热运行时，每日谷电用量约1130KWh， 附属设备每日平+峰电用电量约214 KWh；过度季节，热泵和供热水附属设备基本使用平电+峰电运行，日耗电量约120KWh；夏季空调时，系统主要利用平电+峰电运行，每日耗电量约910 KWh。

北京谷电价格暂按0.20元每度计算，平电和峰电平均电价暂按0.60元每度计算。

项目	谷电	平电+峰电	费用合计
用电量	费用(元)	用电量	费用(元)
冬季采暖热水120天	135600KWh	27120	25700 KWh	15420	42540
过度期热水135天			14200 KWh	8520	8520
夏季空调热水110天			100100 KWh	60060	60060
合 计					111120

由上表简单计算可知，整个系统每年的运行费用约111120元，折合每平米11.11元。此费用仅为燃气供热加普通冷水机组制冷运行费用的二分之一或电锅炉蓄热供热加普通冷水机组制冷运行费用的三分之一，而它的节能与环保效益更是其它供热空调方式所无法替代的。

六、结论

通过以上论证可见，采用高温水源热泵机组夏季空调，冬季蓄热供暖并提供全年生活热水，无论从系统投资还是运行费用方面，都较其它供热空调方式有显著的优越性。该种系统形式可以有效的节约能耗，降低环境污染，具有良好的社会效益和可持续发展性，不失为最优化的供热空调系统形式。