韓 君

淺談河水源熱泵在山西太原市應(yīng)用的展望

韓 君

闡述了沿汾河兩岸水源熱泵系統(tǒng)在太原使用靈活、夏季制冷和冬季制熱可大量節(jié)約能源等優(yōu)點,探討了水源熱泵操作、運行管理的優(yōu)越性和新進(jìn)展,在此基礎(chǔ)上提出了有條件的地方應(yīng)大力推廣該技術(shù)的建議。

水源熱泵,可行性,運行費用

當(dāng)今社會能源和環(huán)境是人類面臨的兩大問題。能源危機(jī)和溫室效應(yīng)造成的全球氣候變暖已經(jīng)廣泛引起了人們的關(guān)注。在我國,建筑能耗已占能源消耗總量的 25%以上,而空調(diào)系統(tǒng)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(diào)用電量的大量增加造成供電緊張,電網(wǎng)不堪重負(fù)。環(huán)境污染與能源危機(jī)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(huán)保和節(jié)能為主要特征的綠色建筑及相應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)運而生,而水源熱泵技術(shù)正是滿足這些要求的比較有代表性的低耗能新型空調(diào)技術(shù)。

1 水源熱泵技術(shù)在太原市汾河兩岸應(yīng)用的可行性分析

水源熱泵系統(tǒng)(WLHPS：Water Loop source Heat Pump System)是地源熱泵系統(tǒng)中的一種,是以地表水作為冷熱源的供暖供冷系統(tǒng)。由于其環(huán)保性和節(jié)能性,近期在國內(nèi)外都得到了大力推廣和應(yīng)用。太原汾河公園是在汾河太原城區(qū)段內(nèi)經(jīng)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(qū)北起勝利橋上游155m,南至南內(nèi)環(huán)橋下游 125m,全長 6 km,寬 500m,占地 300 hm2。設(shè)計為人工復(fù)式河槽,由中隔墻分成東西兩渠,東側(cè)為清水渠,寬 220m,由四道橡膠壩分為三級蓄水湖面;西側(cè)渾水渠,寬 80m,排泄上游洪水和水庫灌溉輸水。沿汾河?xùn)|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(diào),而河水源熱泵技術(shù)正是滿足這些要求的比較有代表性的低耗能新型空調(diào)技術(shù),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(zhì)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(qiáng),如果將地表水直接供應(yīng)到每臺熱泵機(jī)組進(jìn)行換熱,容易導(dǎo)致?lián)Q熱器結(jié)垢而性能下降,嚴(yán)重時還會導(dǎo)致管路阻塞。而如果將地表水和建筑內(nèi)循環(huán)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(hù)了昂貴的水源熱泵機(jī)組,如果建筑物之間存在熱回收的可能,這種系統(tǒng)形式也可以自動在各建筑間進(jìn)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(jù)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(jī)組夏季的進(jìn)水平均溫度不會高于 32℃,如果夏季熱泵的冷卻水側(cè)進(jìn)出口溫差為 5℃,則熱泵機(jī)組出水溫度不到 37℃,根據(jù)熱泵機(jī)組的技術(shù)要求,這時的冷卻水供回水溫差是能夠保證夏季熱泵機(jī)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(jī)組冬季的進(jìn)水溫度不會高于 2℃,以冬季熱泵的冷凍水側(cè)進(jìn)出口溫差為 5℃考慮則熱泵機(jī)組出水溫度不到-3℃,須在循環(huán)水中添加防凍液。而此時熱泵機(jī)組制熱工況下的COP值約在2～3之間(不同廠家生產(chǎn)的機(jī)組之間COP值略有差別),而COP值越高,熱泵機(jī)組的制熱能力越高,當(dāng)?shù)乇硭疁囟冗^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(jī)組的冷凍水循環(huán)水,以保證熱泵機(jī)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(jī)組的冷凍水循環(huán)水與用集中供熱等常規(guī)供暖形式相比在節(jié)能上是沒有優(yōu)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(fā)生的天數(shù)很少,甚至不發(fā)生,從整個采暖季來考慮采用水源熱泵機(jī)組供熱與上述常規(guī)供暖方式相比還是節(jié)能的,這將在下文中給予進(jìn)一步的分析。

2 水源熱泵系統(tǒng)末端技術(shù)分析

就系統(tǒng)末端裝置的形式而言,水源熱泵系統(tǒng)又分為集中的大型水—水水源熱泵機(jī)組 +風(fēng)機(jī)盤管和分散的水—空氣水源熱泵機(jī)組形式。水—水水源熱泵機(jī)組最終產(chǎn)出的是冷熱水,該類型機(jī)組相對較大,一般整個工程設(shè)一個水源熱泵機(jī)房,所產(chǎn)出的冷熱水通過泵輸送到各單體建筑,根據(jù)需要也可以在各單體建筑內(nèi)設(shè)置水—水水源熱泵機(jī)房,將與地?zé)崴畵Q熱后的循環(huán)水輸送到各單體建筑,各單體建筑的水—水水源熱泵機(jī)組產(chǎn)出冷熱隨后再通過水泵輸送到樓內(nèi)各個空調(diào)區(qū)域,通過風(fēng)機(jī)盤管和空氣處理機(jī)組將冷熱水中的能量輸送到各個房間。水—空氣水源熱泵機(jī)組是一種直接蒸發(fā)式的機(jī)組,該類型機(jī)組相對較小,一般根據(jù)各個區(qū)域的使用功能和使用要求劃分成很多的小型系統(tǒng),循環(huán)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(jī)組中,空調(diào)區(qū)域的回風(fēng)通過機(jī)組加熱/冷卻后被送出,能量不需要二次輸送。兩種系統(tǒng)各有自己的特點。水—水水源熱泵系統(tǒng)是一種更為集中的空調(diào)方式,國內(nèi)已有生產(chǎn),由于機(jī)組較為集中因此水源熱泵機(jī)組初投資較小,但熱泵機(jī)組需要在建筑中設(shè)置專用的機(jī)房;水—空氣水源熱泵系統(tǒng)相對分散,機(jī)組初投資略高,但其室內(nèi)的循環(huán)水管不需要保溫,由于機(jī)組分散到末端,所需機(jī)房面積也較小。就系統(tǒng)的綜合造價而言,水—空氣水源熱泵機(jī)組較貴,但水—水水源熱泵系統(tǒng)所需的風(fēng)機(jī)盤管和空調(diào)箱、保溫費用、多占機(jī)房帶來的費用增加,綜合投資雖然水—空氣水源熱泵機(jī)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(jī)組的能量調(diào)節(jié)只能分有限的級數(shù)進(jìn)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(tǒng)一,負(fù)荷比較一致的場合;水—空氣水源熱泵機(jī)組自帶溫控器,可以根據(jù)使用要求進(jìn)行獨立的調(diào)節(jié)和運行,還可以在兩管制的情況下實現(xiàn)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(tǒng)對環(huán)境的影響

根據(jù)水源熱泵系統(tǒng)的原理可知,地表水水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)對地表水的利用僅限于熱量的提取和轉(zhuǎn)換,并在使用過程中嚴(yán)格限制對地表水進(jìn)行任何的化學(xué)處理,有限的處理也僅限于對其進(jìn)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(fā)生任何變化。在嚴(yán)格遵循以上原則的前提下,水源熱泵系統(tǒng)的運行也不會帶來所在區(qū)域地表水污染的問題。

在系統(tǒng)設(shè)計和施工合理,且地表水水源熱泵系統(tǒng)正常使用的前提下,一般不會對環(huán)境造成負(fù)面影響。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

4.1 夏季工況

地表水水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)夏季運行方式和原理與最常用的水冷冷水機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)是極為相似的,從設(shè)備使用上看,水源熱泵空調(diào)方式的冷卻水系統(tǒng)不再使用冷卻塔進(jìn)行冷卻,而是依靠水塘進(jìn)行冷卻,因此從初投資來看,水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)省去了冷卻塔的設(shè)備投資。從運行費用方面來看,由于水源熱泵空調(diào)方式的冷卻水系統(tǒng)依靠河水進(jìn)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(diào)方式的COP值可能會比常用的冷卻塔進(jìn)行冷卻的水冷冷水機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)要高,明顯節(jié)省運行費用。

4.2 冬季工況

結(jié)合地表水水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的實際情況,主要針對系統(tǒng)的供暖運行費用進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。根據(jù)當(dāng)?shù)啬茉礂l件,主要就集中供熱 +散熱器系統(tǒng)和地下水水源熱泵+風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的供暖功能假設(shè)整個 10萬m2的建筑進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,運行費用比較。根據(jù)有關(guān)資料,太原地區(qū)冬季空調(diào)負(fù)荷分布假定如下：平均空調(diào)負(fù)荷在 90%的運行時間占全部運行時間的15%;平均空調(diào)負(fù)荷在 60%的運行時間占全部運行時間的 30%;平均空調(diào)負(fù)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(jù)規(guī)范為 138 d。太原地區(qū)電價按照 0.60元/度計算,太原地區(qū)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(tǒng)冷熱水都是定流量運行,每棟建筑風(fēng)機(jī)盤管的運行調(diào)節(jié)規(guī)律與空調(diào)負(fù)荷的分布情況一致,水源熱泵機(jī)組的使用按照 60%滿負(fù)荷進(jìn)行計算。計算結(jié)果見表 1。由表 1中得出,地表水水源熱泵系統(tǒng)+風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)每供暖季的運行費用約為 24.4元/m2。

表1 計算結(jié)果

5 結(jié)論與建議

1)在現(xiàn)有條件下,太原地區(qū)可以采用地表水水源熱泵系統(tǒng),并做好過濾和防腐工作。2)在系統(tǒng)設(shè)計和施工合理,且地表水水源熱泵系統(tǒng)正常使用的前提下,一般不會對環(huán)境造成負(fù)面影響。3)考慮到冬季有可能出現(xiàn)持續(xù)低溫,水量減少,導(dǎo)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(jù)初步估算,采用地表水水源熱泵系統(tǒng)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(jié)省費用約 106萬元。

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

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

[3] 陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1994.

[4] 李先瑞,郎四維.熱泵的現(xiàn)狀與展望[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),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(shè)計公司山西分公司,山西太原 030002