222_地表水源热泵节能潜力研究.doc

地表水源热泵空调系统节能特性研究东南大学 吴东升 张建忠 陈振乾摘 要 以一工程案例来分析分别采用空气源热泵与开式地表水源热泵时，冷热源部分的能耗情况，详细探讨了冬季水源热泵 系统随江水温度的变化不同运行方式的能耗情况，比较得在江水温度过低时江水侧采用小温差大流量的运行方式较为节能关键词 负荷率，能耗，节能率1 工程概述南京位于夏热冬冷地区，该地区夏季闷热，冬季寒冷，室内热环境较差随着经济发展和人民生活水平快速提高，空调设备也得到普及使用，但同时空调能耗也随之大幅增加，如何降低建筑空调能耗成为急需研究的课题，地表水源热泵属可再生能源，有着广泛的应用前景本文以一公共建筑为例，分别计算在采用水源热泵及风冷热泵时源侧的耗能情况，该建筑面积40000m2，经负荷计算得建筑夏季冷负荷为 4000 kW，冬季热负荷为 2800 kW，则冷负荷指标为100W/m2，热负荷指标为 70W/m2，机房设备选型见表 1空气源热泵夏季 EER 为 2.8，冬季 COP 为2.0；水源热泵夏季 EER 为 5.1，冬季 COP 为 4.5表 1：水源热泵系统和风冷热泵系统的设备选型表：水源热泵系统 风冷热泵系统热泵选型 PSRHH5403 30AQA240台数 2 7制冷量( kW/台) 2075.8 620制冷输入功率(kW/台) 407 221蒸发器 | 354.5制冷水流量(m 3/h/台)冷凝器 | 427.2 108制热量( kW/台) 2252 680制热输入功率(kW/台) 500.4 340蒸发器 | 305.1制热水流量(m 3/h/台)冷凝器 | 391.5 115.2冷冻水泵选型 NB 125-200/196-188 NB 65-160/173台数 2 7流量 (m3/h/台) 363 110扬程(m) 37.7 37输入功率(kW/台) 50.1 12.9冷却水泵选型 NB 125-200/196-188 ---台数 2 ---流量 (m3/h/台) 442 ---扬程(m) 32.2 ---输入功率(kW/台) 51.6 ---2 能耗分析2.1 计算条件及公式主机运行时段：夏季制冷天数按 120 天计算(从 6 月 15 日至 10 月 15 日) ，每天运行 10 小时；冬季制热天数按 90 天（从 11 月 15 至 2 月 15 日） ，每天运行 10 小时。

机组耗电量计算： E设 计 负 荷 负 荷 率 额 定 负 荷 下 的 功 率 运 行 时 间额 定 负 荷水泵耗电量计算： [1]1.5实 际 流 量额 定 功 率 运 行 时 间额 定 流 量表 2：能耗初步计算表2.2 水源热泵冬季能耗计算根据北河口八年的水温统计数据，可得冬季供暖季 90 天的水温温频：0246810121416185 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19水 温 (℃ )天数(day)冬 季 江 水 温 频 图图 1：冬季江水温频图由于江水冬季温度可能出现低于 6℃，水源热泵可采用以下三种运行模式：1、江水温度过低时，不运行热泵机组，直接电加热的方式进行供暖；2、江水温度过低时，江水经电预热后再进机组；3、江水温度过低时，江水侧采用大流量小温差的方式几点假设：采用大流量小温差运行时水流量增大时机组的制热量不变；电预热时的江水温度区间为[5,6)共 3 天，假定都由 5℃预热到 6℃；电加热时的江水温度区间为 [5，6）共 3 天，此时不用热泵供暖，仅采用电加热维持循环水温考虑到室内热负荷并未全部在设计负荷，应该在部分负荷下的能耗情况：江水温度为 6~8℃时室内热负荷为设计负荷的 100%；江水温度为 10~12℃室内热负荷为设计负荷的 75%；江水温度为14~16℃室内热负荷为设计负荷的 50%；江水温度为 18℃ 室内热负荷为设计负荷的 25%。

水源热泵系统 风冷热泵系统夏季机组耗电(kWh) .4 .91夏季水泵耗电(kWh)冬季机组耗电(kWh)冬季水泵耗电(kWh)考虑的水源热泵运行特殊性具体计算如下 20030.87表 3：机组对应的非名义工况下的运行参数：水温频数(天)蒸发器进水温度( ℃ ) 制热量 (kW) 输入功率( kW) 热水 5℃ 温差流量( m3/h) 蒸发器 5℃温差流量( m3/h)7 6 2021.4 498.29 347.68 261.9730 8 2130.89 503.6 366.51 279.8922 10 2252 509.3 391.5 305.112 12 2362.67 515.4 406.38 317.737 14 2477.08 521.84 426.06 336.39 16 2592.24 527.63 445.87 355.113 18 2706.91 533.62 465.59 373.812.2.1 电加热供热运行方式一、温度区间在[5， 6）时，认为全部时间的温度都为 5℃，若此时空调循环水由电加热供热则有加热量 2800 kW，则三天的耗电量为 2800*3*10=84000 kWh，循环水泵耗电量：1616.02 kWh，在电加热供热的运行方式下，水源热泵冬季总耗电量为：.4 kWh 。

表 4：电加热供热方式下的能耗计算天数 蒸发器进 水温度 制热量 kW 输入功率 kW 实际功 耗 kW 耗电量（kWh） 冷冻水泵耗 功（kWh）冷却水泵耗功（kWh）3 5 —— —— —— 84000.00 1616.02 ——4 6 4042.81 996.59 690.2 27608.99 2165.47 1085.7030 8 4261.79 1007.20 661.7 .08 16241.04 8308.2422 10 4504.00 1018.60 474.9 .39 7860.67 4145.3712 12 4725.34 1030.80 458.1 54971.82 4219.55 2236.127 14 4954.16 1043.69 294.9 20645.50 1339.82 720.239 16 5184.48 1055.27 285 25646.45 1722．62 938.583 18 5413.8 1067.23 138 4139.75 203.01 111.95小计： .98 35368.19 17546.22.2.2 江水预热运行方式二、若蒸发器进口温度为 5℃时，出口水温过低，机组保护，将江水预热到 6℃再进机组，该运行方式下水源热泵冬季总耗电量为：.72 kWh。

表 5：江水预热供热方式下的能耗计算天数 蒸发器进 水温度 制热量 kW 输入功 率 kW 实际功 耗 kW 耗电量（ kWh）冷冻水泵耗功（ kWh）冷却水泵耗功（ kWh）3 6（由5℃预热） 4042.81 996.59 690.22 39044.99（含电预热量） 1624.10 814.27 4 6.00 4042.81 996.59 690.22 27608.99 2165.47 1085.70 30 8.00 4261.79 1007.20 661.73 .08 16241.04 8308.24 22 10.00 4504.00 1018.60 474.92 .39 7860.67 4145.37 12 12.00 4725.34 1030.80 458.10 54971.82 4219.55 2236.12 7 14.00 4954.16 1043.69 294.94 20645.50 1339.82 720.23 9 16.00 5184.48 1055.27 284.96 25646.45 1722.62 938.58 3 18.00 5413.82 1067.23 137.99 4139.75 203.01 111.95 小计： .97 35376.28 18360.47 2.2.3 小温差大流量运行方式三、采用小温差大流量的方式（未考虑流量变化时，机组性能参数的改变）水源热泵冬季总耗电量为：.5 kWh。

表 6：小温差大流量供热方式下的能耗计算天数（天）蒸发器进水温度制热量kW输入功率 kW实际功耗 kW耗电量（ kWh）冷冻水泵耗功（ kWh）冷却水泵耗功（ kWh）7 6（出口温度 3度） 4042.81 996.59 690.2 48315.73 2047.4 4088.030 8.00 4261.79 1007.20 661.7 .1 8774.8 8308.222 10.00 4504.00 1018.60 474.9 .4 2803.0 4145.412 12.00 4725.34 1030.80 458.1 54971.8 1480.8 2236.17 14.00 4954.16 1043.69 294.9 20645.5 255.9 720.29 16.00 5184.48 1055.27 285.0 25646.5 329.1 938.63 18.00 5413.82 1067.23 138.0 4139.7 13.7 112.0小计： .7 35376.3 20548.53 结果分析3.1 夏季空气源热泵与水源热泵的能耗对比夏季空气源热泵的耗电量为.9 kWh，水源热泵的耗电量为.4 kWh，水源热泵相对于空气源热泵节能 27.7%。

3.2 冬季空气源热泵与水源热泵的能耗对比将上述计算结果对比如图 2：0100200300400500600700800空 气 源 电 加 热 电 预 热 小 温 差 大 流 量冬季能耗(MWh)冬 季 各 空 调 方 式 比 较图 2：冬季供热各空调方式能耗对比由图 2 中的各组数据可以看出：冬季供暖工况下，空气源热泵耗电量最大，采用水源热泵能耗较少，其中采用小温差大流量的方式最小，为此引入相对空气源热泵节能率 计算01%E可知： 21.0%27.129.4%、 、 电 加 热 电 预 热 小 温 差 大 流 量3.3 全年空气源热泵与水源热泵的能耗对比0200400600800100012001400160018002000空 气 源 电 加 热 电 预 热 小 温 差 大 流 量空 调 方 式全年能耗(MWh)全 年 各 空 调 方 式 能 耗 对 比图 3：全年各空调方式能耗对比由图 3 可以看出，水源热泵较空气源热泵节能: 27.5%25.028.4%小 温 差 大 流 量、 、 电 加 热 电 预 热由此可见，从全年来看，采用水源热泵的空调方式可以比空气源热泵的空调方式节能 20%以上，其中冬季江水侧采用小温差大流量的方式节能效果最佳。

参考文献：[1] 姚国梁.空调变频水泵节能问题探讨[J].暖通空调，2004,34(6)。