水源熱泵技術(shù)在可再生能源建筑中的應(yīng)用研究

孫宏偉

（江蘇河海新能源有限公司，常州 213100）

水源熱泵技術(shù)在可再生能源建筑中的應(yīng)用研究

孫宏偉

（江蘇河海新能源有限公司，常州 213100）

水源熱泵技術(shù)是一種清潔能源節(jié)能技術(shù)，在建筑領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。水源熱泵技術(shù)具有良好的節(jié)能、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益，在可再生能源建筑領(lǐng)域具有規(guī)模化應(yīng)用前景。

清潔能源；水源熱泵；可再生能源建筑

水源熱泵技術(shù)是一種清潔能源，在國(guó)內(nèi)外節(jié)能建筑中已有多項(xiàng)應(yīng)用工程實(shí)例（如重慶江北城CBD項(xiàng)目、上海十六鋪工程、大阪南港廣場(chǎng)項(xiàng)目等）。在區(qū)域型水源熱泵解決方案中，水源熱泵技術(shù)具有良好的節(jié)能、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益的特點(diǎn)，在我國(guó)沈陽(yáng)、上海等地具備實(shí)施的現(xiàn)實(shí)條件。

《綠色建筑行動(dòng)方案》通知提出“十二五”期間完成新建綠色建筑10億m2，到2015年末20%的城鎮(zhèn)新建建筑達(dá)到綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)要求。開(kāi)發(fā)利用各類低品位可再生性清潔能源作為熱泵冷熱源為建筑物供暖供冷，對(duì)建筑節(jié)能與環(huán)保具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

1. 清潔能源水源熱泵技術(shù)

1.1 清潔能源的概念

清潔能源，主要分為狹義和廣義兩種概念。狹義的清潔能源是指可再生能源，如水能、生物能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽埽祟惸茉聪闹罂梢曰謴?fù)補(bǔ)充，很少產(chǎn)生污染。廣義的清潔能源則包括在能源的生產(chǎn)、及其消費(fèi)過(guò)程中，選用對(duì)生態(tài)環(huán)境低污染或無(wú)污染的能源，如天然氣、清潔煤和核能等。

太陽(yáng)能清潔能源是將太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)換成為其他形式的熱能、電能、化學(xué)能，能源轉(zhuǎn)換過(guò)程中不產(chǎn)生其他有害的氣體或固體廢料，是一種環(huán)保、安全、無(wú)污染的新能源，而水源熱泵是利用了地球表面或淺層水源作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地球表面水源和土壤是一個(gè)巨大的太陽(yáng)能集熱器，收集了約47%的太陽(yáng)能量，因此水源熱泵技術(shù)屬于間接利用太陽(yáng)能的范疇。

1.2 水資源清潔利用——水源熱泵技術(shù)

水源熱泵技術(shù)是指以持續(xù)不斷的水的供應(yīng)作為熱泵冷或熱的能量來(lái)源，實(shí)現(xiàn)整套裝置制冷、制熱持續(xù)運(yùn)行的熱泵系統(tǒng)的技術(shù)。水源熱泵技術(shù)利用地下水以及地表水源的過(guò)程當(dāng)中，不會(huì)引起區(qū)域性的地下以及地表水污染。實(shí)際上，水源水經(jīng)過(guò)熱泵機(jī)組后，只是交換了熱量，水質(zhì)幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，經(jīng)回灌至地層或重新排入地表水體后，不會(huì)造成對(duì)于原有水源的污染。可以說(shuō)水源熱泵是一種清潔能源方式。

水源熱泵技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模增速明顯，此類建筑使用功能多以住宅、公建和商業(yè)建筑為主，不僅為城市建筑的外觀優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新的思路，更有利于城市化發(fā)展程度高度發(fā)展地區(qū)發(fā)展節(jié)能建筑[2-4]。

2. 水源熱泵技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況

2.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展情況

20世紀(jì)50年代，中國(guó)有學(xué)者嘗試夏取冬灌的方式抽取地下水制冷，天津大學(xué)熱能研究所開(kāi)展了我國(guó)熱泵的最早研究，1965年研制成功國(guó)內(nèi)第一臺(tái)水冷式熱泵空調(diào)機(jī)。目前，國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)、重慶大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所等多家大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都在對(duì)水源熱泵的性能開(kāi)展基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。

圖1 北京奧運(yùn)村和廣州亞運(yùn)村水源熱泵技術(shù)在可再生能源建筑中的應(yīng)用范例

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外水源熱泵技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大，尤其是在國(guó)家節(jié)能示范城市的推動(dòng)下，水源熱泵技術(shù)得到了空前的發(fā)展，先后在多項(xiàng)工程中獲得實(shí)際應(yīng)用，如2008北京奧運(yùn)村水源熱泵應(yīng)用項(xiàng)目、2010廣州亞運(yùn)會(huì)太陽(yáng)能和水源熱泵區(qū)域集中供能項(xiàng)目等[5]。

2.2 國(guó)外發(fā)展情況

1930年第一臺(tái)現(xiàn)代蒸汽壓縮式熱泵在蘇格蘭誕生，標(biāo)志著壓縮式熱泵應(yīng)用進(jìn)入新的時(shí)代。20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)促使吸收式熱泵的研究和應(yīng)用得到了很大的發(fā)展，美國(guó)以及加拿大等北美國(guó)家對(duì)水源熱泵開(kāi)展了一系列基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)研究，而在大型建筑方面推行WLHP（Water loop heat pump）系統(tǒng)，即水環(huán)熱泵系統(tǒng)。90年代中期，水源熱泵系統(tǒng)在北美國(guó)家得到了更為廣泛的應(yīng)用。

與美國(guó)的水源熱泵發(fā)展歷程有所不同，中、北歐國(guó)家（如瑞典、瑞士、奧地利）等國(guó)家由于自然條件等方面的因素，在可再生能源建筑領(lǐng)域更多的利用淺層地?zé)豳Y源和地下反季節(jié)蓄能技術(shù)。

3. 水源熱泵技術(shù)在可再生能源建筑中的發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，在可再生能源建筑中水源熱泵技術(shù)與太陽(yáng)能技術(shù)、蓄能技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用在工程中得以推廣，如廣州亞運(yùn)會(huì)區(qū)域集中供能系統(tǒng)是以太陽(yáng)能為主要熱源，以水源熱泵為輔助熱源的實(shí)際工程應(yīng)用。

水源熱泵技術(shù)與太陽(yáng)能耦合系統(tǒng)是利用水源熱能與太陽(yáng)輻射能的復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)，水源熱泵與太陽(yáng)能具有很好的匹配互補(bǔ)性，可根據(jù)日照條件、熱水負(fù)荷和空調(diào)負(fù)荷變化情況，通過(guò)切換閥門采用不同運(yùn)行模式。

水源熱泵技術(shù)與蓄能技術(shù)的耦合系統(tǒng)是指通過(guò)設(shè)置水蓄冷、冰蓄冷和電蓄熱系統(tǒng)，既減小變壓器裝機(jī)容量，又利用晝夜電力差價(jià)降低運(yùn)行費(fèi)用[6]。

蓄冷空調(diào)是指利用夜間低谷電價(jià)，開(kāi)啟熱泵主機(jī)蓄存部分冷，等到白天電價(jià)高峰時(shí)段釋放蓄存冷量，以減少系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，或在負(fù)荷高峰時(shí)段釋放蓄存冷量，以降低機(jī)組的裝機(jī)容量。蓄冷水池初投資較少，但水蓄冷系統(tǒng)的冷量密度較少，需要體積龐大的蓄冷水池。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)蓄冷時(shí)效率較低，初投資較大，但冰蓄冷系統(tǒng)能量密度較高，所需空間較少。

圖3 水蓄冷系統(tǒng)原理圖

4. 水源熱泵技術(shù)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能和環(huán)保效益

經(jīng)濟(jì)效益顯著。水源熱泵集中式區(qū)域供熱供冷系統(tǒng)是利用水源為熱泵冷熱源為建筑物供暖供冷，通過(guò)區(qū)域管網(wǎng)由能源站集中供給用戶的系統(tǒng)。區(qū)域化集中供熱供冷有利于提高能源利用效率，降低初投資，減少后期大量的供電等費(fèi)用，提高經(jīng)濟(jì)效益。

節(jié)能環(huán)保效益顯著。我國(guó)污染物排放定額如表1所示。水源熱泵機(jī)組運(yùn)行減少了電力消耗，減輕了電網(wǎng)常年運(yùn)行負(fù)荷。同時(shí)降低了一次能源消耗過(guò)程中產(chǎn)生的SO2、CO2等污染物排放，減少ODS（消耗臭氧物質(zhì)）排放緩解溫室效應(yīng)。水源熱泵集中式區(qū)域供熱供冷系統(tǒng)得到了單位水量的一次能源節(jié)能量，為環(huán)保評(píng)價(jià)（尤其是大氣污染物）提供了計(jì)算依據(jù)。假設(shè)節(jié)約用電1000kwh，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤400kg，相當(dāng)于CO2減排997kg，粉塵272kg，SO2減排30kg，NOx減排15kg，環(huán)保效益十分顯著。

表1 我國(guó)污染物排放定額 g . GJ-1

設(shè)定供熱終端能耗為Q1，供冷終端能耗為Q2。

式中E1——供熱一次能源利用率；E2——供冷一次能源利用率。

以江蘇某地為例，輔助設(shè)備輸送效率設(shè)為92%，全年的一次能源效率E約為1.2，具有較高的能源利用效率，能達(dá)到建筑節(jié)能的效果。

5. 結(jié)論

清潔能源水源熱泵應(yīng)用技術(shù)在可再生能源建筑中快速發(fā)展，結(jié)合太陽(yáng)能技術(shù)和蓄能技術(shù)的耦合系統(tǒng)在工程應(yīng)用的范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。同時(shí)，水源熱泵技術(shù)能大幅度減低后期供電等費(fèi)用投入，并且大規(guī)模使用降低了SO2、NOx、CO2等污染物的排放量，取得良好的經(jīng)濟(jì)、節(jié)能和環(huán)保效益的統(tǒng)一。

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