再生水水源热泵节能效果明显--再生水水源热泵案例分析

作者:李广路 马小轩 赵燃 文章来源:北京城市排水集团有限责任公司 发布时间:2014-05-08

水源热泵在近几年的发展中,技术已经较为成熟,系统稳定,使用领域也逐渐扩大,特别是在取水较为便捷的再生水厂,由于再生水水质较为清洁,水温相对恒定,再生水水源热泵具有得天独厚的优势。本文将具体介绍水源热泵工作原理及其实际应用案例。

水源热泵作为高效、清洁的空调系统,利用热传递原理,将低位热能转化为高位热能,即可供暖又可制冷,其能效比为3.5~5.5。案例分析表明,再生水水源热泵相比较空气源热泵实际运行能耗可以节约12%以上,供暖成本仅为21.5元/m2,在建设成本方面也略低于空气源热泵系统;在节能减排方面,再生水水源热泵能大大减少污染物及其他有害气体的排放量。

工作原理

水源热泵主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、PLC控制系统等构成。

其工作原理是由电能驱动压缩机,使工质(如R22)循环运动反复发生物理相变过程,分别在蒸发器中气化吸热,在冷凝器中液化放热,使热量不断交换传递,并通过阀门切换使机组实现制热(或制冷)功能——这就是热力学上的“卡诺”循环原理。

由于水源热泵可以将水体和地层蓄能分别在冬、夏季作为供暖的热源和空调的冷源,即可供热又可制冷,因此水源热泵可以称为高效节能的空调系统。

水源热泵技术是利用地球表面浅层水源(如地下水、江河湖海水)、城市污水中吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源,并采用热泵原理通过少量的高位电能输入,实现低位热能向高位热能转移的一种技术。

水源热泵在近几年的发展中,技术已经较为成熟,系统稳定,使用领域也逐渐扩大,特别是在取水较为便捷的再生水厂,由于再生水水质较为清洁,水温相对恒定,再生水水源热泵具有得天独厚的优势。相比普通空调系统,再生水水源热泵建设成本略有降低,最为关键的是节能效果显著,通过降低用电能耗,对污染物减排、环境改善有着特别的贡献。

能效比分析

水源热泵与空气源热泵(普通家庭用的冷暖空调机就是空气源热泵的一种)从名词上看,区别主要就是能量采集的来源,实质上这两种热泵都是以电能作为驱动能源,只是能耗不同罢了。

能效比Coefficient of Performance,简写为COP,此数值是指机组产生的热(冷)量与消耗的电能之比。能效比空调系统性能的一个重要参数,目前被广泛应用于空调行业。

从原理上看,由于地球表面或浅层水源的温度一年四季相对稳定,一般为10~25℃,冬季比环境空气温度高,夏季比环境空气温度低,是很好的热泵热源和空调冷源。这种温度特性使得水源热泵的制冷、制热能效比达到3.5~5.5。一般水源热泵的性能曲线如图1所示。

而传统的空气源热泵的能效比通常为2.2~3.0。目前推广的变频空调,能效比最高也只能达到3.5左右。主要原因是空气源热泵是将空气中的低品位热能转为高品位热能,但在寒冷冬季,当气温低于零下7℃时,机组效率极低,无法经济运行。而水源热泵机组却不受气温限制,既使在零下30℃的严冬照样能高效运行。因此,水源热泵方式的能量利用效率要比空气源热泵高出40%以上,这就决定了其高效节能的特点。

目前,某再生水厂使用3台麦克维尔热泵机组。其中,WPS-110.1型2台,用于冬季采暖,1用1备。出于厂内制冷面积远小于采暖面积,所以另一台选用单冷的WGZ030.3型,用于夏季制冷。现就两种热泵机组的理论功耗与普通空调进行对比。

考虑水源热泵的应用除机组本身外,还需要水源泵、循环泵及末端风机盘管等构成循环系统,因此其功耗必须算到整个能耗中。如表1所示。根据以上数据可以计算出某再生水厂夏季制冷、冬季采暖所用的热泵能效比分别为:

夏季制冷COP=104/(19.8+3+3+1.5)≈3.8

冬季采暖COP=441/(105.1+11+11+7)≈3.3

对比目前市场中较为节能的1匹变频家用型空调,其参数如下:

制冷(热)量:2600W

输入功率:900W

COP=2600/900≈2.9

因此,根据理论参数计算出的能效比,可以得出再生水水源热泵比空气源热泵节能效果明显,冬季采暖节能12%,夏季制冷节能24%。

运行能耗计算

某再生水厂各构筑物的供热(冷)面积如表2所示。

根据上表统计得出,全厂供冷面积为1278.62m2,供热面积为5965.4m2,是供冷面积的5倍。

采集某再生水水源热泵系统2008年7月到2009年6月的耗电量情况,见表3。

根据这12个月的电耗数据,可以得出全年供冷总耗电量为42360kW.h,供热总耗电量为197760kW.h。按照北京工业用电的平均单价0.65元计算:

供冷总费用:42360×0.65=27534元

供热总费用:197760×0.65=128544元

热泵运行一个冷暖季,每平米的价格:

供冷27534/1278.62≈21.53元

供热128544/5965.4≈21.55元

由于厂内运行情况及北京季节性气候等因素,热泵系统全年运行近10个月,5~9月机组制冷,11~3月机组供暖。如图2显示,供暖耗电量比制冷明显高出5倍,这与负荷的面积比较吻合。

由以上结果可知,某再生水水源热泵系统供热(制冷)成本约为21.5元/m2。

建设成本分析

按照某再生水厂的项目建设情况,该再生水水源热泵系统的一次性投资成本约人民币152万元。

如考虑更换空气源热泵,即普通空调,按照该再生水厂供热面积为6000m2计算,一般5匹中央空调可以负载约40m2,那么需要安装150台,以每台11000元安装成本,则需要投资人民币165万元,略高于再生水水源热泵系统的建设成本。

节能减排比较

在建设成本上再生水水源热泵比普通空调无明显优势,但由于能效比较高,可节约用电能耗12%以上,按照上述再生水厂全年供热能耗197760度计算,即可节约至少27000度电。每节约1度电,就相应节约了0.4kg的标准煤,同时减少污染物排放0.272kg碳粉尘、0.997kg CO2、0.03kg SO2以及0.015kg氮氧化物(NOX)。因此,该再生水水源热泵系统可节约10.8t标准煤,减少7.3t碳粉尘、26.9t?CO2、810kg SO2以及405kg NOX排放,节能减排效果非常突出。

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