【關鍵詞】水源熱泵

【摘要】水源熱泵供暖系統供水溫度的確定

　　因為水源熱泵供暖系統能夠將通常情況下不能被直接利用的低位熱能從水源（如地下水，湖水，海水，城市污水或工業廢水等等）中取出，提升后并加以利用，具有良好的節能環保特性，故近年來在國內的研究及應用愈來愈多。本文擬針對利用水源熱泵系統進行供暖時，其供水溫度的選擇問題進行分析討論，以便使該系統的優越性得到最大限度的發揮。

　　在冬季供暖工況下，如果水源熱泵低溫熱源側的進出口水溫不變，則水源熱泵的供水溫度越高，其制熱性能系數（COP值）就越低，提供相同的熱量所需的運行費用就會越高。以某一廠家HP—4000型機組為例，通過對廠家測試數據的回歸分析，我們可以得到如下的COP值關系式：

COP=38.136Δt-0.633（1）

其中，Δt=熱泵機組采暖用熱水側水的平均溫度－熱泵機組低溫水源側水的平均溫度，即：

Δt=(th,i+th,o)/2－(tc,i+tc,o)/2

th,i——熱泵機組供暖用熱水的回水溫度，℃；

th,o——熱泵機組供暖用熱水的供水露齲?媯?lt;/P>

tc,i——熱泵機組低溫熱源側的進水溫度，℃，這里取10℃；

tc,o——熱泵機組低溫熱源側的出水溫度，℃，這里取5℃；

由回歸關系式（1）可以得到在低溫熱源側水的進、出口溫度不變的情況下，不同的采暖供、回水溫度時，水源熱泵機組的COP值，見表1。

　　從表1中看到，當低溫熱源側水的進、出口溫度不變時，熱泵機組的供水溫度和供、回水溫度的差值對機組的COP值都有影響，但供水溫度的影響更大一些，這也說明熱泵供水溫度的選擇更加重要。

表1. 不同采暖供、回水溫度下水源熱泵機組的制熱性能系數（COP值）

供、回水溫度（℃）

COP值

COP的變化百分比

供、回水溫度（℃）

COP值

COP的變化百分比

60/55

3.21

72.5%

60/50

3.31

78.4%

55/50

3.43

77.4%

55/45

3.55

84.3%

50/45

3.69

83.3%

50/40

3.85

91.4%

45/40

4.02

90.7%

45/35

4.21

100%

40/35

4.43

100%

　　通過上面的計算與分析可知，利用水源熱泵機組進行冬季供暖時，供水溫度越低，機組的COP值越大，經濟性越好，但供水溫度也不能過低，否則將導致末端散熱設備過大或無法滿足散熱設備對供水溫度的內在要求。顯然，合理的供水溫度應該是既能滿足用戶的用熱需求，同時又有最佳的經濟性。下面將結合兩種典型的、經常與水源熱泵系統相結合的采暖方式，分別加以討論。

2.1 采用全空氣處理機進行采暖與空調的建筑

　　這里以大連市某一工程為例來討論。大連地區的建筑物，其夏季的冷負荷指標通常都大于冬季的熱負荷指標，本工程也不例外，冷、熱負荷指標分別為150w/m2和100w/m2。由于單位面積的冷負荷大于熱負荷，故在選擇空氣處理機的時候，應根據夏季的冷負荷來進行。現以一臺額定處理風量為10000m3/h的空氣處理機為例進行計算：

　　該機組在標準制冷工況下的額定制冷量為70kw，我們按150w/m2的冷負荷指標選定一個該空氣處理機剛好能夠承擔的基本空調單元，其面積為M，則M=70×103/150=467（m2）；而該空調單元上的熱負荷為Qh=100×467=46.7(kw)，當該空氣處理機的處理風量為10000m3/h，空氣進口溫度為20℃時，其在不同的供、回水溫度下的制熱量見下表2：

表2. 空氣處理機在不同供、回水溫度下的制熱量

供、回水溫度（℃）

制熱量（kw）

制熱量的變化百分比

供、回水溫度（℃）

制熱量（kw）

制熱量的變化百分比

60/55

113.53

192%

60/50

104.79

161%

55/50

99.97

169%

55/45

91.39

141%

50/45

86.52

146%

50/40

70.13

108%

45/40

72.88

123%

45/35

65.0

100%

40/35

59.21

100%

　　根據表2，即使供水溫度為40℃，空氣處理機的制熱量也滿足了室內熱負荷（46.7kw）的需要，但是，對于全空氣系統來講，冬季室外新風的熱負荷也應該由空氣處理機來承擔，對于一般的舒適性空調系統，新風量經常占總送風量的10~20%，這里應按不利的情況來考慮，即新風百分比為20%，此時由新風所帶來的熱負荷（大連地區冬季空調室外空氣計算溫度為－14℃，相對濕度58%，室內空氣溫度取為20℃，相對濕度60%）為：

Qo=cp·ρ·V·Δt=1.01×1.2×10000×20%×(20+14)/3600=22.9(kw)

　　故空氣處理機實際應承擔的熱負荷為Qh+Qo =46.7+22.9=69.6(kw)。從表2中可知，空氣處理機的供水溫度至少應為45℃，另外，通過對水源熱泵經濟性的模擬分析[1]，我們也得出了供水溫度越低，經濟性越好的結論，但45℃是否就是經濟合理的選擇呢？我們認為還應校核空氣處理機的出風（或送風）溫度，即為避免可能出現的冷吹風感，送風溫度最好還要高于人體的平均皮膚溫度。根據Rohlesh Nevins的關于人體平均皮膚溫度tsk的實驗回歸公式[2]：

tsk=35.7-0.0275（M－W）（2）

式中：M—成年男子的代謝率，W/m2；

W—人體所做的機械功，W/m2。

　　根據該工程的實際情況，M值按辦公室工作選擇為70 W/m2（[3]），此時人體所做的機械功近似為0，即W=0，故得到 tsk=33.8℃。下面再來計算當熱泵的供、回水溫度為45/40℃時，室內、外的混合空氣經空氣處理機加熱后的送風溫度：

　　首先根據空氣處理機的制熱量Q，算出混合空氣被加熱后的溫升：Δt= Q/（cp·ρ·V）=72.88/（1.01×1.2×10000/3600）=21.6（℃）；然后，根據前面提到的室內、外的空氣狀態參數（分別為20℃，60%和－14℃，58%）及新風百分比20%，在濕空氣的焓－濕圖上查出混合風的狀態點為：tm=13.2℃，φm =76%；最后，我們得到經空氣處理機加熱后的送風溫度為ts= tm +Δt= 13.2+21.6=34.8℃> tsk=33.8℃。應該指出，我們前面已經提到空氣處理機的制熱量是在空氣進口溫度為20℃情況下得到的，而這里實際的空氣進口溫度為13.2℃，故空氣處理機的實際制熱量會略有升高，正好可作為一定的富裕量。

　　因此，根據夏季的冷負荷而選用的空氣處理機，在冬季當供、回水溫度為45/40℃時，仍能夠滿足熱負荷及送風溫度的要求，也就是說，對于末端設備采用全空氣處理機的采暖空調建筑而言，45/40℃的熱泵供、回水溫度的確是經濟而合理的選擇。

2.2 采用低溫地板輻射采暖的建筑

　　對于采用低溫地板輻射采暖的建筑來說，供、回水溫度的選擇既要滿足室內熱負荷的要求，又不能使地表面的溫度過高[4]，也就是說在滿足熱負荷的前提下，供、回水的溫度盡可能的低。因此，我們的主要目的就是選擇一個能夠滿足熱負荷要求的最低供水溫度。由于輻射采暖的特性，室內空氣溫度可以比采用散熱器等對流采暖的房間溫度低1~3℃[3]，而仍然能達到相同的舒適度。對于采用低溫地板輻射采暖的住宅，室內溫度按18℃計算，同樣可達到《住宅設計規范》（GB50096—1999）規定的20~22℃的采暖效果。根據文獻[5]的計算與分析，將不同的供、回水溫度在各種管間距下的散熱量整理成表3。

　　由于現在住宅的圍護結構保溫設計必須滿足《民用建筑節能設計標準（采暖居住建筑部分）》（JGJ26—95），這樣，住宅的平均采暖熱負荷指標還不到50W/m2，如果按30%來考慮室內家具的覆蓋率，則實際地板散熱指標應為50/（1－30%）=71.4 W/m2。從表3中看到，供、回水溫度為45/35℃或45/40℃時，只要選取適當的管間距，都可以滿足要求，并有一定的裕量。

　　當采暖建筑為其它公用建筑時，一般的熱負荷指標也都在100 W/m2以內，而且室內溫度也可降至16℃，因而單位地板面積的散熱量也會增加，具體數值參見文獻[5]，45℃的供水溫度同樣可以滿足要求。

表3. 地板輻射采暖的散熱量

熱水供、回水溫度（℃）

輻射板散熱量（W/m2）

管間距（mm）

輻射板構造

45－35

板上

板下

由上向下各層：

①木地板面層

δ=20，λ=0.23

②水泥砂漿找平層

δ=30，λ=0.93

③埋管層

δ=60，λ=1.51

④保溫層

δ=30，λ=0.034

⑤樓板層

δ=120，λ=1.74

（δ單位：mm；

λ單位：W/(m·℃)）

100.64

28.13

100

91.49

25.57

150

83.97

21.09

200

76.76

18.35

250

45－40

113.00

30.22

100

102.73

27.47

150

94.26

22.81

200

86.21

19.94

250

50－40

125.36

32.30

100

113.96

29.36

150

104.55

24.52

200

95.66

21.53

250

55－45

150.30

43.89

100

136.64

39.90

150

125.23

27.97

200

108.54

26.67

250

3.1 結論

　　通過本文的計算與分析,可得到如下結論:

（1）對于位于象大連這樣寒冷地區的建筑，如果采用水源熱泵系統進行全年的空調和采暖，當末端設備采用全空氣處理機時，冬季時熱泵的供、回水溫度最好選為45/40℃，以取得最佳的經濟效果；

（2）對于采用低溫地板輻射采暖的建筑，熱水供、回水溫度為45/40℃或45/35℃時，一般都可以滿足供暖要求。也就是說，對于采用水源熱泵機組供暖的建筑，采暖熱水的供水溫度為45℃時，既能滿足冬季供暖要求，又能獲得良好的經濟效益。

3.2 建議

（1）由于水源熱泵系統具有節能與環保的特點[1]，故對于附近有低溫水源地區的建筑，若其全年需要空調與采暖，建議優先考慮水源熱泵系統作為該建筑暖通空調系統的冷熱源；

（2）嚴寒地區，如采用水源熱泵系統進行采暖與空調，其冬季的供水溫度可參照本文中的方法進行校核，選取能夠滿足建筑采暖要求的，并盡可能低的供水溫度作為供暖設計供水溫度。

參考文獻

1 Jinyang Zhang, Lin Duanmu, Haiwen Shu, Jinling Zhao. The Analysis about Economics and Energy-saving of Using Sewage-source Heat Pump in Dalian. The 4th International Symposium on HVAC,2003.

2 金招芬，朱穎心. 建筑環境學. 北京：中國建筑工業出版社，2001，12

3 陸亞俊，馬最良，鄒平華. 暖通空調. 北京：中國建筑工業出版社，2002

4 采暖通風與空氣調節設計規范. GBJ19-87 (2001年版). 北京：中國計劃出版社.

5 劉宇，趙先智. 低溫熱水地板輻射供暖輻射板面散熱量計算. 暖通空調新技術4. 北京：中國建筑工業出版社，2002，11