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1、基于渗滤取水方案的江水水源热泵系统的技术经济分析重庆大学 城市建设与环境工程学院 李文 王勇 吴浩摘要本文通过对重庆地区某大型江水水源热泵系统的介绍，重点分析了其取水方案河床渗滤取水方案的可行性和独特性，分析取水系统对江水源热泵系统的影响，并提出取水系统在江水水源热泵系统中的重要性。简单分析了整个系统的初投资费用和运行费用，并与常规的中央空调系统形式做比较，得出大型的江水水源热泵系统虽然在初投资方面费用比较高，但综合考虑仍然具有较好经济性，可以达到良好的节能减排的目标，值得在合适的条件下推广使用。关键词：江水水源热泵 渗滤取水 节能 经济分析引言重庆市政府为了更好的开展节能减排工作，在建筑行业
2、提出了节能65的目标。为了确保目标的实现，政府不仅出台了一系列的政策、法规，也同时开展了可再生能源建筑示范工程。在重庆地区因为水资源，特别是江水资源丰富，江水水源热泵系统作为可再生的、清洁的中央空调系统形式在这样的前提情况下有了更大的推广意义。本为将对重庆某酒店采用的江水水源热泵系统方案进行介绍、分析和评估，并与常规冷水+热水锅炉空调系统方案比较，从节能的效果分析江水水源热泵系统的可取性。1、技术分析1.1工程简介酒店由酒店标准客房、公共用房（会所）、商务办公、及其配套设备用房组成。建筑总面积为102628m2。地上39层，建筑高度为148.6米，属于超高层综合楼。酒店的总冷负荷约为12000
3、KW；总热负荷约为6000KW。酒店地处江津长江段边，为江水水源热泵系统取水提供了较为便利的条件。在水温、水质方面，由文献可知，重庆市长江江水平均温度夏季一般为2225；冬季一般为1116左右。下图为作者所在课题组测试数据。图一：长江江津段水温测试数据 由图（一）可知，在夏季，江水全天最高温度为24.1，其全天波动温差不大于0.4；冬季江水全天最低温度为10.7，其全天波动温差不大于0.2；可见江水水温可以很好的满足供冷、供暖季节的要求。长江江水矿化程度不高，江水呈弱碱性，但含沙量较高，特别是夏季洪水期，其含沙量远高于国家冷却水水质标准（GB50050-95）对水质含沙量的不大于5 mg/l的
4、要求。除含沙量外，江水的其它水质指标均能满足机组对水质的要求，在实际运用中提倡直接利用江水，减少江水的温度损失。1.2取水方案设计江水水源热泵系统和常规中央空调系统相比，由于使用江水作为冷热源，故不需要冷却设置，也不需单独设置热源设备。所以江水水源热泵系统其运行节能的效果很大程度的取决于取水方案的合理性。虽然在已有运行的地表水源热泵工程中有许多成功的取水方案。比如武当山丹江口水库水源热泵工程使用的浮船取水方式，湘潭市中心水源热泵工程使用人工湖从湘江引水的取水方式，。但对于具体工程可以适用什么样的取水方案，可以达到怎样的效果，还要从具体情况分析。下面结合本工程的实际情况，分析其取水方案的设定。根
5、据建筑夏季冷负荷，按进出水温差为5计算，夏季江水用水量可达到2700m3/h，采用进出水温差为10时，夏季江水用水量可减少至1400 m3/h。本文分析数据均建立在温差为5的基础上，采用大温差运行对节能更加有利，应该在使用中加以推广。用传统的水厂水处理方式进行取水，将消耗大量的土地和空间。综合考虑各方面因素，本工程采用了天然河底滤床反向渗滤取水方案。其示意图如图二所示。图二：取水方案示意图该方案利用长江河床的卵石层作为天然过滤器，通过渗透滤嘴在河底硐室内汇集江水，各个硐室内汇集的江水通过江底集水隧道、导井送至竖井，然后利用水泵直接抽往热泵机组使用。取水方案设计时还应该注意枯水季节水位与取水硐室
6、集水量的关系，确保取水水量可以满足冬季负荷所需的水量。所以该开式取水方案存在施工难度比较大，初期投资比较高的难题。但结合本工程实际与其它取水方案相比，有以下四种优点。1、 水泵能耗低。一般情况下采用开式系统时，取水水泵的扬程因需要克服进出口水位差造成的扬程损失，但本工程因其地理位置的优势，其竖井处取水位置比机组进水口位置的标高约高一米，采用开式系统不仅避免了闭式系统中需要在江中铺设大体积的换热装置，还可以避免取水水泵扬程过大的问题。、除沙效率高本工程冷、热负荷比较大，所以需要比较大的取水水量。从而需要有效的除沙装置。江水通过河床的卵石层过滤、渗透至酮室后，水中含沙量将大幅度降低，经简单处理后就
7、可以直接进入机组，避免使用沉淀池等占地面积大的除沙设备。、环境影响小虽然取水工程较大，但具体工程大都位于地下，不仅节省了建筑周围空间，也不会影响到长江航道。同时，渗滤取水技术充分利用了天然河床砂砾石层的净化作用和河水对淤积层的自动更新，不需药剂，简化了取水工艺，是一种生态取水技术。四川、重庆的渗滤取水工程实践证明，这种取水技术具有很高的技术经济效益，能大大降低净水成本，提供优质水。、水温稳定好如果江水经换热器换热后，水温一般会损失2左右，而江水经过简单处理后直接进入机组，可以避免经换热器造成的热量或冷量的损失。更为重要的是江水经过河床渗透后，可以保证水温波动比较小。由于近几年频繁出现极端恶劣天
8、气长期持续高温或严寒的天气，这种取水方案可以更有效的保证水温的稳定性。如夏季高温在持续多天的35后，通过渗滤取水仍可保持进水温度在20左右；在08年严寒天气中，通过渗滤取水仍可以得到18左右高品位的热源水。从而保证水源热泵机组的高效运行。2、两种冷热源方案的经济性比较本文针对以下两种方案进行经济比较。方案一:开式江水水源热泵系统；方案二:常规水冷离心机组+燃气热水锅炉空调系统。2.1冷热源主要设备配置及投资比较分析与常规水冷离心机组+燃气热水锅炉空调系统相比，水源热泵系统的增量成本在于水源侧（含机组）部分，室内系统的造价基本一致。故在系统设备投资比较中不考虑室内部分投资。为确保投资分析比较的可
9、比性,在冷水机组和热泵机组主机的选型上，都选用同一家公司生产的、冷量相同的机组。江水水源热泵系统主要设备选型为2台制冷量 4219kw、功率605kw的源热泵机组和2台制冷量 2813kw、功率435kw的水源热泵机组。扬程35m、功率75kw的取水水泵和扬程35m、功率75kw的取水水泵各2台。常规冷水机组+燃气锅炉系统设备选型为制冷量 4219kw、功率636kw的冷水机组和制冷量 2813kw、功率424kw的冷水机组各2台。扬程40m、功率132kw的冷却水泵和扬程38m、功率75kw的冷却水泵各2台。燃气热水锅炉制热量2100kw、功率6.5kw，进出水温为50/60，数量为3台。流
10、量900 m3/h和流量620 m3/h的冷却塔各2台。其功率分别为22kw和16kw。其总投资见下表。表1 两种系统初投资分析表名称江水水源热泵系统常规冷水机组+热水锅炉系统投资费用（万元）23051016备注含取水工程及辅助热源费用含冷却水设备等安装费用由以上分析可以得出，方案一比方案二在设备投资、安装成本上增加了约1289万元。主要原因是本工程的冷热负荷大，为保证系统正常运行，取水工程和辅助热源设备需要比较大的投入。但同时大负荷的水源热泵系统在运行费用上也会有更好的节能性，这点可以从下面年运行费用的分析上得出。2.2系统年运行费用分析在分析年运行费用时，、电价按照0.78元/计算，热水锅
11、炉按照使用天燃气为能源进行计算，计算价格按照2.2元/立方计。、系统运行时间按照冬季运行3个月（计90天），夏季运行4个月（计120天）进行计算。、空调系统按照预测设定的24小时负荷分布率运行。即在运行费用分析中考虑机组在部分负荷下的运行能耗。机组在部分负荷下运行的能耗由部分负荷效率曲线确定。、取水泵能耗按照水泵定频运行计算，不考虑水泵变频可能带来的节能。、由于两种方案条件下的用户侧部分设备一致，因此，以下比较均不包括用户侧能耗。为充分说明水源热泵系统的节能特点，在分析系统的运行费前，先比较水源热泵机组和冷水机组在不同负荷条件下的耗能情况(见下图)。在分析水源热泵机组时进水温度为24。图三：4
12、219kw冷水机组部分负荷下效率曲线图四：4219kw热泵机组部分负荷下效率曲线 从两者的效率曲线可以看出，热泵机组在部负荷时更加节能。所以仅对机组而言，水源热泵机组就具有较大的节能性。但考虑在本工程所需取水量大，取水泵能耗较高，那么就整个系统而言，江水水源热泵系统是否节能就需要做更详细的分析。在进一步的分析中，因为水源进水对水源热泵系统的影响比较大，考虑在实际运行时由于天气变化造成的水温的变化。在运行费用比较时，考虑两种工况下的进水温度情况。其分析结果见表2和表3.表2 工况（一）某酒店空调系统运行费用比较系统方式冷水机锅炉冷却塔水源热泵节约费用年供冷费（元）3941983349036345
13、1320年供热费（元）33887162612170776546年运行费(元)733039961025331227866注：水源热泵夏季进水24，冬季进水9表3工况（二）某酒店空调系统运行费用比较系统方式冷水机锅炉冷却塔水源热泵节约费用年供冷费（元）39419833686803254880年供热费（元）33887162647270741446年运行费(元)73303996334073996326注：水源热泵夏季进水30，冬季进水10通过运行费用的分析可以看出，正是因为系统具有较大的负荷，方案(一)的运行比方案(二)的运行在能源利用上可以有较大的节约。即使在夏季进水温度不利的情况下，如进水温度达到
14、30时，也可以大约节省99万元。这也从另一面说明了水源热泵系统的节能性。2.3、江水水源热泵系统其它特点从运行费用分析中可以看出水源热泵系统运行中可以节省大量的电能。用电量小不但可以带来客观的经济效益，还可以进一步缓解夏季因使用空调所带来的电负荷过高、拉闸限电等问题。同时，也间接的减少了因发电产生的CO2、N02等有害气体。同时应用江水水源热泵还有其它方面的特点。使用水源热泵系统与传统空调形式相比，可以有良好的环境效益。供热时省去了燃气锅炉房系统，没有燃烧过程，避免了排烟、排污等污染；供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪音、霉菌污染。水源热泵系统直接使用长江水，不会和冷却塔系统一样消耗自来水
15、，可以达到节水、节能的目标。同时也不会出现地下水水源热系统的回灌等技术难题，从而避免了对地下水环境的破坏。并且一套水源热泵系统可以在供暖、供冷季节分别使用，避免了常规系统两套设备分别使用和保养的场面，不仅节能，还可以节省建筑的空间。更重要的是，针对近几年的天气情况，极端天气不断出现，需要中央空调系统具有更好的适应能力。与空气源热泵系统、冷水机组系统相比，由于江水作为冷源的特点，江水水源热泵具有更好、更强的抵御自然变化的能力。结论、基于渗透取水方案的江水水源热泵系统工程虽然初投资大，但运行中经济效益良好。综合整个系统而言，其社会效益尤其显著，可以达到较好的节能减排的效果。、取水工程对江水水源热泵系统的影响是巨大的。这种影响表现在初投资和运行两个方面。在设计江水水源热泵系统时，要充分考虑取水方案的合理性和可实施性。、对江水水源热泵系统可能对江水造成的热污染问题要加以重视，特别是在推广开展江水水源热泵系统时，更要注意其对水体及水体生物的一系列影响。总之，虽然江水作为空调系统的冷热源具有清洁和可再生等优点，但针对具体的工程必须综合考虑系统耗能和取水耗能的关系，以及对生态环境的影响，只有这样可能做到真正意义上的节能减排。参考文献
