淺談河水源熱泵在山西太原市應用的展望

韓 君

淺談河水源熱泵在山西太原市應用的展望

韓 君

闡述了沿汾河兩岸水源熱泵系統在太原使用靈活、夏季制冷和冬季制熱可大量節約能源等優點,探討了水源熱泵操作、運行管理的優越性和新進展,在此基礎上提出了有條件的地方應大力推廣該技術的建議。

水源熱泵,可行性,運行費用

當今社會能源和環境是人類面臨的兩大問題。能源危機和溫室效應造成的全球氣候變暖已經廣泛引起了人們的關注。在我國,建筑能耗已占能源消耗總量的 25%以上,而空調系統的能耗又占到建筑總能耗的 50%左右[1]。每年夏天都由于空調用電量的大量增加造成供電緊張,電網不堪重負。環境污染與能源危機已成為全人類必須面對并要加以解決的重大課題。在這種背景下,以環保和節能為主要特征的綠色建筑及相應的空調系統應運而生,而水源熱泵技術正是滿足這些要求的比較有代表性的低耗能新型空調技術。

1 水源熱泵技術在太原市汾河兩岸應用的可行性分析

水源熱泵系統(WLHPS：Water Loop source Heat Pump System)是地源熱泵系統中的一種,是以地表水作為冷熱源的供暖供冷系統。由于其環保性和節能性,近期在國內外都得到了大力推廣和應用。太原汾河公園是在汾河太原城區段內經過水利治理和綠化美化后而形成的濱水公園,綠化總面積為 130萬m2,水面 180萬m2。景區北起勝利橋上游155m,南至南內環橋下游 125m,全長 6 km,寬 500m,占地 300 hm2。設計為人工復式河槽,由中隔墻分成東西兩渠,東側為清水渠,寬 220m,由四道橡膠壩分為三級蓄水湖面;西側渾水渠,寬 80m,排泄上游洪水和水庫灌溉輸水。沿汾河東西兩岸建筑在迅速崛起,高樓鱗次櫛比,且隨著生活水平的不斷提高,越來越多的建筑開始安裝中央空調,而河水源熱泵技術正是滿足這些要求的比較有代表性的低耗能新型空調技術,且沿汾河兩岸正具備這樣的條件。

地表水易受污染,泥沙、水藻等雜質含量較高,水表面直接與空氣接觸,水體含氧量較高,腐蝕性強,如果將地表水直接供應到每臺熱泵機組進行換熱,容易導致換熱器結垢而性能下降,嚴重時還會導致管路阻塞。而如果將地表水和建筑內循環水之間用換熱器分開,熱交換器采取小溫差換熱的方式運行,這樣保護了昂貴的水源熱泵機組,如果建筑物之間存在熱回收的可能,這種系統形式也可以自動在各建筑間進行熱回收,但由于存在換熱溫差,造成不能充分利用地表水的能量的問題。

根據太原市的氣象、水文條件,夏季太原市地表水平均溫度一般為 24℃～26℃,以換熱器 5℃溫差考慮,則熱泵機組夏季的進水平均溫度不會高于 32℃,如果夏季熱泵的冷卻水側進出口溫差為 5℃,則熱泵機組出水溫度不到 37℃,根據熱泵機組的技術要求,這時的冷卻水供回水溫差是能夠保證夏季熱泵機組制冷正常運行的。

在冬季,太原市地表水平均溫度一般為 4℃左右,以換熱器2℃溫差考慮,則熱泵機組冬季的進水溫度不會高于 2℃,以冬季熱泵的冷凍水側進出口溫差為 5℃考慮則熱泵機組出水溫度不到-3℃,須在循環水中添加防凍液。而此時熱泵機組制熱工況下的COP值約在2～3之間(不同廠家生產的機組之間COP值略有差別),而COP值越高,熱泵機組的制熱能力越高,當地表水溫度過低(低于 4℃),或地表水量不足時,需考慮采用其他輔助熱源如集中供熱加熱熱泵機組的冷凍水循環水,以保證熱泵機組在較高的制熱能力下運行。采用輔助熱源如集中供熱加熱熱泵機組的冷凍水循環水與用集中供熱等常規供暖形式相比在節能上是沒有優勢可言的,但是采用輔助熱源只是在地表水溫度過低,或地表水量不足等極端條件下才采用,一般來講這種情況發生的天數很少,甚至不發生,從整個采暖季來考慮采用水源熱泵機組供熱與上述常規供暖方式相比還是節能的,這將在下文中給予進一步的分析。

2 水源熱泵系統末端技術分析

就系統末端裝置的形式而言,水源熱泵系統又分為集中的大型水—水水源熱泵機組 +風機盤管和分散的水—空氣水源熱泵機組形式。水—水水源熱泵機組最終產出的是冷熱水,該類型機組相對較大,一般整個工程設一個水源熱泵機房,所產出的冷熱水通過泵輸送到各單體建筑,根據需要也可以在各單體建筑內設置水—水水源熱泵機房,將與地熱水換熱后的循環水輸送到各單體建筑,各單體建筑的水—水水源熱泵機組產出冷熱隨后再通過水泵輸送到樓內各個空調區域,通過風機盤管和空氣處理機組將冷熱水中的能量輸送到各個房間。水—空氣水源熱泵機組是一種直接蒸發式的機組,該類型機組相對較小,一般根據各個區域的使用功能和使用要求劃分成很多的小型系統,循環水在中央水泵房中換熱后通過水泵輸送到各單體建筑的機組中,空調區域的回風通過機組加熱/冷卻后被送出,能量不需要二次輸送。兩種系統各有自己的特點。水—水水源熱泵系統是一種更為集中的空調方式,國內已有生產,由于機組較為集中因此水源熱泵機組初投資較小,但熱泵機組需要在建筑中設置專用的機房;水—空氣水源熱泵系統相對分散,機組初投資略高,但其室內的循環水管不需要保溫,由于機組分散到末端,所需機房面積也較小。就系統的綜合造價而言,水—空氣水源熱泵機組較貴,但水—水水源熱泵系統所需的風機盤管和空調箱、保溫費用、多占機房帶來的費用增加,綜合投資雖然水—空氣水源熱泵機組形式較貴,但二者相差不大。從運行上來看,由于水—水水源熱泵機組的能量調節只能分有限的級數進行,而且要同時供冷供熱就必須采用四管制,因此比較適合于作息時間比較統一,負荷比較一致的場合;水—空氣水源熱泵機組自帶溫控器,可以根據使用要求進行獨立的調節和運行,還可以在兩管制的情況下實現四管制才有的同時供暖供冷的功能,因此比較適合作息時間多樣化且使用要求也比較多樣的商用和公用建筑。

3 水源熱泵系統對環境的影響

根據水源熱泵系統的原理可知,地表水水源熱泵空調系統對地表水的利用僅限于熱量的提取和轉換,并在使用過程中嚴格限制對地表水進行任何的化學處理,有限的處理也僅限于對其進行過濾、沉淀以及加熱冷卻等物理處理,地表水的成分在整個使用過程中沒有發生任何變化。在嚴格遵循以上原則的前提下,水源熱泵系統的運行也不會帶來所在區域地表水污染的問題。

在系統設計和施工合理,且地表水水源熱泵系統正常使用的前提下,一般不會對環境造成負面影響。

4 技術經濟分析

4.1 夏季工況

地表水水源熱泵空調系統夏季運行方式和原理與最常用的水冷冷水機組空調系統是極為相似的,從設備使用上看,水源熱泵空調方式的冷卻水系統不再使用冷卻塔進行冷卻,而是依靠水塘進行冷卻,因此從初投資來看,水源熱泵空調系統省去了冷卻塔的設備投資。從運行費用方面來看,由于水源熱泵空調方式的冷卻水系統依靠河水進行冷卻,冷卻效果較冷卻塔冷卻要好的多,因此水源熱泵空調方式的COP值可能會比常用的冷卻塔進行冷卻的水冷冷水機組空調系統要高,明顯節省運行費用。

4.2 冬季工況

結合地表水水源熱泵空調系統的實際情況,主要針對系統的供暖運行費用進行技術經濟比較。根據當地能源條件,主要就集中供熱 +散熱器系統和地下水水源熱泵+風機盤管系統的供暖功能假設整個 10萬m2的建筑進行技術經濟比較,運行費用比較。根據有關資料,太原地區冬季空調負荷分布假定如下：平均空調負荷在 90%的運行時間占全部運行時間的15%;平均空調負荷在 60%的運行時間占全部運行時間的 30%;平均空調負荷在30%的運行時間占全部運行時間的 55%。太原市的供暖時間根據規范為 138 d。太原地區電價按照 0.60元/度計算,太原地區集中供熱價按照 35元/m2計算。本次計算中假定地表水和系統冷熱水都是定流量運行,每棟建筑風機盤管的運行調節規律與空調負荷的分布情況一致,水源熱泵機組的使用按照 60%滿負荷進行計算。計算結果見表 1。由表 1中得出,地表水水源熱泵系統+風機盤管系統每供暖季的運行費用約為 24.4元/m2。

表1 計算結果

5 結論與建議

1)在現有條件下,太原地區可以采用地表水水源熱泵系統,并做好過濾和防腐工作。2)在系統設計和施工合理,且地表水水源熱泵系統正常使用的前提下,一般不會對環境造成負面影響。3)考慮到冬季有可能出現持續低溫,水量減少,導致水體溫度過低,水量過小的極端情況,為保證這種情況下的正常供熱,輔助熱源可以考慮采用市政集中供熱的形式。4)根據初步估算,采用地表水水源熱泵系統供暖其運行費用為 24.4元/m2,低于集中供熱供熱價 35元/m2。整個建筑年節省費用約 106萬元。

[1] 劉 偉.江水源熱泵在空調工程中的應用分析[J].暖通空調,2010,40(12)：51-54.

[2] 徐 偉.地源熱泵工程技術指南[M].北京：中國建筑工業出版社,2001.

[3] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,1994.

[4] 李先瑞,郎四維.熱泵的現狀與展望[J].建筑熱能通風空調,1999(3)：45-46.

On the river water source heat pumpapp lication prospect in Shanxi Taiyuan

HAN Jun

The paper elaborated water source heat pump system along the Fen river in Taiyuan had theuse of flexible,summer cooling and winter heating can be significant energy savings,etc.,discussed the water sourceheat pump operation,operation andmanagementof theadvantages and new progresses,on this basis,where conditions perm it shou ld bemade to p romote the technology.

water source heat pump,feasibility,running costs

TU831.4

A

1009-6825(2011)09-0133-02

2010-11-23

韓 君(1983-),男,碩士,助理工程師,北京華咨工程設計公司山西分公司,山西太原 030002