水源热泵空调系统在煤矿应用
水源热泵空调系统在煤矿应用
水源热泵技术是通过利用地表浅层水源吸收的太阳能和地热能而形成的低位热能资源，辅以少量电能，冬季，从相对高温的水源中提取热能，由热泵机组通过空气或水作载体，为建筑物供暖；夏季利用水体的相对低温带走建筑物中的热量。风冷热泵则利用用空气和电能来完成这一切。根据多方面的考察和当地的水文地理情况和未来的经济、环保、节能的措施的综合考虑，尝试采用水源热泵系统进行这方面的设计，获得了较好的效果，现总结如下，供大家参考，有不足之处，肯请各位指正。

　　1 工程概况

 

　　金源煤矿行政办公区以及干警、犯人生活区占地面积3万m2,矿区内建筑分办公楼、宿舍楼、医院楼和教学楼四种。

 

　　2 经济分析

 

　　由建筑工程学院设计院初步设计了四种方案，由于各种考虑，否决了其中的两种，要求在余下的水源热泵中央空调和风冷热泵中央空调两种方案中进行分析选择。

 

　　对两方案初投资和运行费进行了初步经济分析。初投资费用比较见表3，运行费用比较见表4。

 

　　3 设计方案的确定

 

　　空调设计标准

 

　　3.1 设计参数（见表1 表2）

 

　　空调室内设计参数

 

　  干球温度/℃ 相对湿度/﹪ 新风量/m3 人 h 噪音/dB（A声级)

夏季 24~28 50~70 20 ≯60

冬季 18~20 / 20 ≯60

 

　　空调室外设计参数

 

 干球温度/℃ 湿球温度/℃ 相对湿度/﹪ 大气压力kPa

夏季 33.5 27.7 83 100.45

冬季 5 / 70 101.95

 

　　3.2 负荷计算

 

　　冷负荷：矿区空调场所负荷包括围护结构传热、设备散热、人体散热、照明散热。围护结构传热根据《实用供热空调设计手册》中的计算方法计算，通过大量计算与其它散热源相结合，得出此空调冷负荷指标：2676W/m2,热负荷为2072W/m2。

 

　　从表3、4可知，风冷热泵中央空调整体费用要高于水源热泵中央空调，而且风冷热泵的制冷热系数随着外界的温度不断的发生变化，从而导致制冷系统运行的不稳定、资源浪费严重。而且水源热泵机组与风冷热泵机组比，有以下优势：

 

　　a)水源为深井水，水体温度较恒定，机组运行更可靠、稳定，保证了系统高效性和经济性，且无须专人维护或操作，运行维护费用极少。

 

　　b)室外机组无须专用除霜设备，设备简单。

 

　　c)由于水源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10～25℃，其制冷、制热系数可达3.5～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50～60％。

 

　　d)属可再生能源利用技术

 

　　水源热泵是利用了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、地表的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的相对的均衡。这使得利用储存于其中的近乎无限的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的一种技术。

 

　　e)高效节能

 

　　水源热泵机组可利用的水体温度冬季为12-22℃，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18-35℃，水体温度比环境空气温度低，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，设计安装良好的水源热泵，平均来说可以节约用户30～40％的供热制冷空调的运行费用。

 

　　 f)运行稳定可靠

 

　　水体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，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。

 

g)环境效益显著

 

　　水源热泵的使用电能，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二氧化碳温室气体的排放。所以节能的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。

 

　　水源热泵技术采用的制冷剂，可以是R22或R134A、R407C和R410A等替代共质。

 

　　水源热泵机组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。

 

　　    h)一机多用，应用范围广

 

　　水源热泵系统可供暖、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。特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，水源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量能源，而且用一套设备可以同时满足供热和供冷的要求，减少了设备的初投资。水源热泵可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，小型的水源热泵更适合于别墅住宅的采暖、空调。

 

　　 i)自动运行

 

　　水源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单的系统，部件较少，机组运行简单可靠，维护费用低；自动控制程度高，使用寿命长可达到15年以上。

 

　　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。

 

　　 ⑴ 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。

 

　　 ⑵ 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。

 

　　 ⑶ 投资的经济性

 

　　由于受到不同地区、不同用户及国家能源政策、燃料价格的影响，水源的基本条件的不同；一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同。虽然总体来说，水源热泵的运行效率较高、费用较低。但与传统的空调制冷取暖方式相比，在不同地区不同需求的条件下，水源热泵的投资经济性会有所不同。

 

　　从表1、表2可知，风冷热泵中央空调整体费用高于水源热泵中央空调。经分析比较，并与建设方充分协商，最后决定采用水源热泵中央空调，解决金源煤矿的夏季空调和冬季采暖问题。

 

　　表3 初投资费用比较（数据与本工程无关）

 

　  水源热泵中央空调 风冷热泵中央空调

序号 项目 初投资（元）项目 初投资（元）

1 水源热泵机组（1台） 42000 风冷热泵机组（1台 89800

2 风机盘管（14台） 13300 风机盘管（14台 13300

3 立式管道泵（1台 1980 立式管道泵（1台） 1980

4 电子水处理仪（1个） 4500 电子水处理仪（1个） 4500

5 方形膨胀水箱（1个） 1500 方形膨胀水箱（1个） 1500

6 管道、阀门等制安费 37600 管道、阀门等制安费 27340

7 风管、风口等制安费 24500 风管、风口等制安费 24500

8 保温材料费及安装费 19700 保温材料费及安装费 21300

9 旋泥除沙器（1个 4620 配电系统（1套 7450

10 配电系统（1套） 8700 　

合计 　 158400 　 191670

 

　　注：水源热泵中央空调系统初投资中未计土建打井费用。

 

　　表4 年运行费用比较（数据与本工程无关）

 

　  水源热泵中央空调 风冷热泵中央空调

序号 项目 运行费用/元项目 运行费用/元

1 水源热泵机(12kW) 11880 风冷热泵机(16.8kW) 16632

合计 　 11880 　  16632

 

　　注：1） 按表1设备中两系统用电量不同项进行比较。

 

　　2） 所有设备按年运行180天，每天运行18小时，电费0.55元/（kWh）计算。

 

　　4 空调系统设计

 

　　4.1因为设计时尚未决定装修方案，无法获知各房间的装修方式，只能先考虑采用风机盘管侧吹风的安装方式。（后按装修格局采用不同室内机形式，尽量作到美观大方。）

 

　　4.2冷热源设备：

 

　　冷水机组：水源热泵机组三台，制冷量/制热量=63.6/69.8kW

 

　　冷水系统配套

　　冷却水用潜

　　4.3系统形式

 

　　冷冻水采用双管制风机盘管闭式系统，室内机挂于室内楼板下方，水源热泵机组和冷水循环用卧式离心泵和其他设备设于空调机房内。冷却水采用地下水作为水源循环使用。

 

　　

 

　　

 

　　 1— 循环—电子水处理仪

 

　　 3—方形膨胀水箱　4—旋流除沙器

 

　　 图1 系统流程图

 

　　4.4 井水回灌

 

　　本设计采用有压回灌的方式，抽水井和回灌井间隔分布的方式，使井水全部回灌，从而也保证了水井不会被破坏。并且在成井过程中，采用在上部封闭止水，井室采用混凝土浇灌并且井壁处比井室相差1米深度，在此基础上井水回灌再次加大有压回灌的力度，保证了井水的100%回灌。同时不影响建筑物基础，保证了地面建筑物的安全。系统流程图见图1。

 

　　4.5井水量的保证措施

 

　　本设计的水源采用的是深井水，水温恒定。水井结构采用含水层是桥式滤管，岩石层是螺旋钢管，螺旋钢管以保证井壁的结构不受影响。最重要的一点是含水层与滤管之间的滤料，本设计的滤料多边形的石子（质地坚硬的豆沙也可），这样才能保证地下水的顺利流通和回灌。

 

　　4.6系统控制流程图

 

　　本系统选用清华同方的主机（SGH－1000）三台，主机的压缩机负荷控制根据温差大小采用无级调节（25％、50％、75％），减少了一般压缩机从开机到停机都是100％工作所造成的不必要的资源浪费。冷却水采用变频自动控制，根据压力调节水泵、冷却水水泵工作，以最大限度的节约资源，最终将真正做到中央空调机房无人值班的目的。

 

　　4.7 减震、节能措施

 

　　为防止设备震动噪声，水管出入水口、

　　为了节能降耗，本系统冬季充分利用冬季室外环境温度低的特点，把经自然冷却后的水灌入深井，实现了“冬灌夏用”；供、回水管均采用离心玻璃棉以及福乐斯保温，减低冷热量的消耗。

 

　　5 运行效果

 

　　系统自2004年冬季投入使用以来，冬夏总体运行情况良好，没有出现井水不能完全回灌现象及大面积的热力失调现象，建造商和业主都较为满意。

 

　　6 结语

 

　　当今人类对环保的要求越来越严，同时各种能源随着使用的增加日渐枯竭，迫使人们不断采用更先进节能的环保空调设备和更先进、节能的运行方案。水源热泵系统是利用地下水或地下土壤常年温度保持恒定的特点，进行能量转换的冷暖空调系统，是环保、节能、“零”污染、“零”排放的一种空调设备。它无须冷却塔等装置，初投资和运行费都比传统冷暖方式低，而且地下水水温稳定，受外界影响小，机组的制冷和制热功能发挥的更好。随着空调的日益普及，水源热泵系统必将受到各界更大的关注与支持，应用会更加广泛