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摘要：受水资源使用政策的影响，将水源热泵供热制冷作为一个整体的系统推广还受到一定限制；但可考虑直接应用空调冷水回水从厂房环境中带回的热量来供热。另外还可将水源热泵作为冷水机组的备用。
以上方案在某TFT洁净工厂的热负荷动力系统中的应用已经取得了良好效果，不过该工厂的方案是将水源热泵和燃油锅炉共同使用，其主要的运行状态是将燃油锅炉作为水源热泵的备用。相对而言，燃油锅炉的一次投资比较低，但是其运行费用要高得多，且能耗较高。本文认为，如能将燃油锅炉取消，同时增设水源热泵作为备用，应该是更好的选择。
关键词：热负荷；水源热泵；能耗；一次投资；运行费用
1 引言：
笔者参与了广东省某TFT洁净工厂的建设，发现其水源热泵和燃油锅炉联合使用的热动力方案运行稳定，运行费用亦比较低。但据了解，在全国范围内，无论是本公司参与过的各种项目，还是其他工程领域，水源热泵的使用并不常见。由此，本文讨论了水源热泵在TFT洁净工厂以及同类冷热负荷需求较大工厂中推广使用的可能。
2 正文
2.1 某TFT洁净工厂的动力方案概述：
某TFT洁净工厂的热动力系统需要解决OAC（新风机）的预热和再热以及纯水站原水的加热问题。要求提供45℃（往）和35℃（返）的热水，其总的热负荷设计为2100KW。
由于实际热负荷受季节更换的影响比较大，根据业主要求，此热动力系统的设计方案是：
采用两台单机制热量为1050Kw的水源热泵和三台单机蒸发量为2T/h（约为1400Kw）的燃油锅炉。在环境温度较高时，热负荷需求较小，此时水源热泵工作；在环境温度较低时，热负荷需求较高，根据热负荷需求依次开启一台或两台燃油锅炉，一台备用；另外在水源热泵故障状况下，亦开启锅炉。通过蒸汽-水板式热交换器，锅炉的蒸汽热负荷转换成热水热负荷。
2.2水源热泵原理
“热泵”这一术语是借鉴“水泵”一词得来。在自然环境中，像水往低处流动一样，热也向低温位传递。水泵的作用是之一是根据需求，将低位能的水输送的高处，使其变成高位能的水；而热泵与之相似，它将低温介质中的热能输送到高温介质中。在我国的国家标准中，对“热泵”的解释是“能实现蒸发器和冷凝器功能转换的制冷机” 【1】；在《新国际制冷词典（New International Dictionary of Refrigeration）》中，对“热泵”的解释是“以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统”。可见，热泵在本质上是与制冷机相同的，只是运行工况不同。其工作原理是，由电能驱动压缩机，使工质（如R22，即一氯二氟甲烷，分子式为CHClF2，俗称雪种或氟利昂）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，使热量不断得到交换传递，并通过阀门切换使机组实现制热（或制冷）功能。在此过程中，热泵的压缩机需要一定量的高位电能驱动，其蒸发器吸收的是低位热能，但热泵输出的热量是可利用的高位热能，在数量上是其所消耗的高位热能和所吸收低位热能的总和。热泵输出功率与输入功率之比称为热泵性能系数，即COP值（Coefficient of Performance）。热泵有多种，以水作为热源和供热介质的热泵称为水源热泵。水源热泵性能系数（即COP值）高于空气源热泵，系统运行性能稳定。
2.3水源热泵的特点
水源热泵机组借助热泵系统，通过消耗部分电能，将其载体水中的能量重新分配：将水体中的能量转移到热端。
在通过阀门切换保证冷端的情况下，水源热泵可以作为冷水机组的备用。
水源热泵机组设计标准化，安装、操作、运行和维护简便，且安全可靠。具体有以下优点：
（1）节能效果良好
在保证热端工况的情况下，水源热泵机组可利用的水体温度为12-22℃，水体温度比环境空气温度低，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。另外，热泵冷端给冷水机组系统提供冷负荷，也达到了节能的目的。
（2）环保效益显著
水源热泵以水为载体，以水作为冷热源，供热时省去了燃煤、燃气、然油等锅炉房系统，，没有燃烧过程，避免了排烟污染；供冷时也可以省去冷却塔，避免了冷却塔的噪音及霉菌污染。不产生任何废渣、废水、废气和烟尘，对环境没有任何危害。
（3）安装简便，运行稳定可靠
水源热泵成套生产，现场安装简便。
水体温度一年四季相对稳定，是很好的热泵热源和空调冷源。水体温度较恒定的特性，使得系统设计简单，部件较少，从而使热泵机组运行可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。
（4）一机多用
水源热泵机组可以提供热负荷动力，同时也可以当作冷水机组使用，作为冷水机组的备用。当然，水源热泵也有其自身的局限性，主要是投资的经济性的影响因素很多。虽然，从总体上来说，水源热泵的运行效率较高、费用较低，但是受不同用户、国家能源政策以及市场上不同燃料价格的变化影响，其投资的经济性有较大的差别。
2.4燃油锅炉特点
（一）节能效果相对其他类型的锅炉有提高
湿背式燃油锅炉有其自身的工艺特点：
（1）大容积湿底、湿背式炉胆可确保燃料较完成燃烧且被有效吸收。
（2）回程烟气循环能最大限度地从燃料中获起了热量，提高了效率。
（3）湿背烟气回旋室有效吸收辐射热。
这些特点使其提高了燃料的利用效率，在一定程度上取到了节约能源的作用。
（二）安全性能得到了有效改善
由于使用全扳边对焊接，克服了角焊接应力过大的问题；回水直接冲刷高温管板区，防止过冷沸腾，使得其安全性能有较大的提高。
（三）一次投资的经济性较好
相比于水源热泵，燃油锅炉的单台设备投资要低很多。
相对于水源热泵，湿背式燃油锅炉的劣势也很明显：
（1）虽然在工艺上做了改进，但能源的利用利仍然不是很高，节能效果不明显。
（2）燃油燃烧产生烟尘，污染环境。
（3）附属设备（包括埋地油罐、日用油箱、油泵、补水水泵、风机、蒸汽-水板式交换器）比较多，设备和系统的安装比较复杂，且安装费用较大；运行的可靠性较低，且运行费用较高。
2.5水源热泵和冷水机组在TFT洁净工厂的联合使用
这里讨论的水源热泵和冷水机组的联合使用问题，主要是指水源热泵的水源的选择问题。
原则上，只要水量和水温能够满足用户制热负荷或制冷负荷的要求，水质对机组设备本身不产生腐蚀损坏作用，就可作为水源热泵系统利用的水源。既可以是再生水源，也可以是自然水源。
但是对大多数用户来说，可供选择的是自然水源。从水源地向水源热泵机房供水时，需建取水构筑物。这就对水源热泵机房的地理位置提出了要求。地表取水建筑物受水源流量、流速、水位影响较大，施工较复杂；地下取水建筑物受埋深、含水层厚度、出水量大小，施工也较烦琐。可见，无论建设地表取水建筑物还是地下取水建筑物，都存在施工的不确定性因素很多的问题，同时会增加投资。
而在TFT厂房及其他类似的大型净化厂房中，由于对冷负荷的需求很大，往往会用到大制冷量的冷水机组。这种冷水机组的循环水的流量和流速稳定，水温也能满足要求；而闭式系统则能保证水质。汕尾TFT厂房的冷水系统从厂房环境中带回的热量，亦能满足热负荷的要求。
将冷水机组的循环水作为水源热泵的水源，其各项性能参数都很稳定且能满足要求，不需要取水建筑物，水源热泵机房的地理位置亦不再有特别要求。同时，冷端产生的冷水进入冷水机组的冷冻水系统，可作为冷负荷的补充，得到了充分的利用。
在保证冷端的情况下，即将其切换到制冷工况，水源热泵可以作为冷水机组使用。所以在满足冷热负荷时，可以将水源热泵作为冷水机组和水源热泵系统的公用备用机。
2.6某TFT洁净工厂的设备机组选型及技术参数
表一 水源热泵和燃油锅炉
注：此为现行方案一次投资费用。
年运行费用核算
系统每天24小时运行，由于广东地区夏季漫长而冬季短暂，夏季OAC新风除湿按150天计，共计3600小时；冬季纯水站原水加热按60天计，共计1440小时。全年机组总运行时间为5040小时。按现行电价0.8元/度计算。
每台燃油机组的耗油量为150L/小时，燃油价格按4.5元/L计算。
1）水源热泵的运行费用核算
按两台机组都90%负荷运行计算：
年运行费用为：
234.4Kw×5040小时×0.8元/度×90%×2=170.12万元
2）燃油锅炉的运行费用核算
按两台机组都90%负荷运行计算：
年耗电费用
15Kw×5040小时×0.8元/度×90%×2=10.89万元
年耗油费用
140 L/小时×5040小时×4.5元/L×90%×=571.54万元
燃油锅炉的年运行总费用为：
10.89万元＋571.54万元=582.43万元
2.8放弃使用锅炉全用水源热泵的效果
该洁净工厂的热负荷动力的初步设计方案是单用3台锅炉，后综合考虑运行费用和一次投资的经济性，变更为以上方案。
事实上，从以上核算结果可以看出，燃油锅炉的一次投资确实比较经济，但是其年运行费用高出很多，甚至高于现行方案的一次投资总额。而其能耗也比较大，且在一定程度上不利于环保。
考虑到OAC新风预热和再热以及纯水站原水加热的实际热负荷受季节的影响较大，基本不会同时达到最大负荷。同时全国能源需求一再走高，且政策上一再要求降低单位产值能耗，减少环境污染，而国际能源市场的不稳定因数很多。
由于以上诸多因素，经过对热负荷需求的核算以及对热泵机型的选择，我认为此工程的热负荷动力系统有如下更佳方案：
使用三台单机制热量为1050Kw的水源热泵，两用一备。
经对当前市场的调查和询价比较，此方案的一次投资费用为：
表三 一次投资费用（单位：万元）
项目内容水源热泵
设备名称高中温水源热泵机组
设备台数3台
设备型号QYHP-9000MD
单机价格130
附属设备价格6
安装费用（总）2
一次投资金额398
注：此为设想的更佳方案的一次投资费用。
由于三台水源热泵两用一备运行，其年运行费用和现行方案两台热泵的年运行费用相同：
234.4Kw×5040小时×0.8元/度×90%×2=170.12万元
以上表明，此方案的一次投资费用仅比现行方案高出38万元。
事实上，两台水源热泵能满足热负荷要求，现行方案的锅炉只是作为水源热泵的备用；在水源热泵正常状态下，锅炉只是在冬季运行很短的时间甚至根本就不用运行。所以，一次投资稍微增加，取消全部锅炉，增加一台水源热泵作为备用的方案应当更佳。
3.结论
受水资源使用政策等因素的影响，将水源热泵供热制冷作为一个整体的系统推广还受到一定限制。在水源的选择上，虽然可用的水源很多，但是往往由于水源自身的特点造成取水构筑物施工的复杂和烦琐，同时对水源热泵机房（甚至整个相关的建筑物）的地理位置有特殊的要求。
在国内，将水源热泵和冷水机组联合使用、将冷水机组的闭式循环水作为水源热泵的水源的案例也不多见。
事实上，冷水机组循环水的流量和流速稳定，温度和水质亦都能满足要求，在其提供的总的热负荷能达到要求的情况下，将冷水机组的循环水作为热泵机组的水源是一种很好的选择。
在此方案中，首先解决的是取水的问题：无需取水构筑物。其次，对水源热泵机房及其相关建筑物的地理位置没有了特殊要求，一般地可以将水源热泵机房和冷水机房放在一块或合并。第三，减少了投资经费。
可见，在TFT洁净工厂及其它类似冷热负荷需求的工厂中，可将水源热泵供热制冷作为一个整体的系统进行推广，且可选择冷水机组的循环水作为水源。
参考文献
[1]中国有色金属工业总公司 著译《GB50155-92采暖通风与空气调节术语标准》1992年12月01日第1版中国计划出版社。
论文作者:王石传
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/15
标签：水源论文; 热泵论文; 负荷论文; 费用论文; 机组论文; 万元论文; 冷水机组论文; 《建筑学研究前沿》2018年第4期论文;