水源熱泵與未利用能

水源熱泵與未利用能

在全國的總能耗中，民生用采暖、空調耗能比例逐年增長。目前，采暖、空調存在能效低、惡化城市大氣環(huán)境質量等問題，以低溫、空調方式，具有耗能少，不污染利用方式，如水源熱是一種較理想的采暖、空調方式，具有耗能少，不污染環(huán)境等優(yōu)點，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。中國工程院能源與礦業(yè)學部，東北電力集團總工黃其勵院士提出了《關于城市小區(qū)熱、電、冷三聯(lián)供技術》咨詢項目。通過實驗論證了以熱電廠冷卻循環(huán)水、礦井水為熱源的水源熱泵采暖空調系統(tǒng)的可行性，經濟性和節(jié)能性；提出了發(fā)展熱、電、冷三聯(lián)供的咨詢報告。
　　一、未利用能及利用方式
　　《未利用能》指的是還沒有利用的能，它不等同于余熱、廢熱。表1為未利用能的分類。未利用大至分為自然類和城市基礎設施（人工類），若按溫度高未利用能的分類表1
　　
　　能源
　　
　　溫度分類
　　
　　
　　
　　自然類
　　
　　地熱
　　
　　中溫-高溫
　　
　　溫泉
　　
　　中溫
　　
　　河水、海水、湖水、地下水
　　
　　低溫
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　城市基礎設施（人工類）
　　
　　清掃工廠、工業(yè)廢棄物、下水污泥
　　
　　高溫
　　
　　工場、發(fā)電廠
　　
　　低溫-高溫
　　
　　下水、變電站
　　
　　地下送電電纜、地下鐵
　　
　　地下室、冷凍倉庫、游泳池
　　
　　冰場、公共浴室
　　
　　低溫
　　
　　低區(qū)分，可分為低溫、中溫和高溫。低溫指的是數(shù)℃～40℃接近環(huán)境溫度的熱源，可利用的能量是溫差顯熱。中溫是從數(shù)拾℃的燃燒氣體等的熱源，可利用發(fā)生蒸汽的潛熱。圖1表示低溫熱源的利用方式。民用設施上利用低溫熱能的方式大致分為，（a）熱泵，（b)直接利用，采暖、生活熱水需要40℃以上溫度的熱能，因此，必須采用熱泵，除使用制冷機（或熱泵）制冷之外，直接將冷水流過空氣冷盤管也可實現(xiàn)制冷，此時，由于冷卻盤管出日空氣的溫度為16~19℃，因此，可利用的最高溫度為15一18℃，它比空調用冷水（5一7℃）高，其除濕能力較小，為了擴大低溫熱的利范圍，在使用熱泵的條件下，有時還必須投入補助能源。因此，評價其節(jié)能效果時，不僅要了解貯存熱量的多少，還應符合熱力學第二定律。圖2表示直接或間接利用中溫熱進行采暖、生活熱水的方式，制冷使用吸收式制冷機。利用中溫熱能時，貯熱量直接和一次能的減少率相關，因此，僅用熱量就進行評價。圖3表示垃圾焚燒：熱等的高溫熱能利用方式。即，首先利用高溫高壓蒸汽發(fā)電，然后，直接或間接地利用抽氣或排氣蒸汽進行采暖、行活熱水和空調。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　地球環(huán)境問題，城市大氣環(huán)境污染問題，能源供應不足問題等可持續(xù)發(fā)展促進了國家和各級政府關心、重視未利用能源的問題。隨著經濟發(fā)展和人民生活水平的提高，民用能源的需求量不斷提高，大部分民用能源并不要求高溫熱源。這就為未利用能源的利用提供了機會。
　　現(xiàn)在，未利用能源的利用是大家經常討論的課題、國家的有關法律，如節(jié)能法都予以支持、鼓勵。
　　二、以電廠冷卻循環(huán)水為熱源的水源熱泵采暖空調系統(tǒng)。
　　1、水源熱泵系統(tǒng)
　　水源熱泵是一個雙管封閉的水系統(tǒng)，并聯(lián)連接住宅建筑中每戶的熱泵機組，從而構成一個中央采暖和空調系統(tǒng)。這個水源熱泵系統(tǒng)的理想正常運行溫度（指熱泵進水溫度）為15℃到35℃之間。冬天，如果水源的水溫低于15℃時，則必須由輔助和熱器向系統(tǒng)加入熱量，以維持水溫達到最低溫度15℃。反之在夏季，當水系統(tǒng)水溫升達35℃以上時，多余的熱量需要通過排熱設施或冷卻塔排放到室外。綜上所述，水源熱泵空調系統(tǒng)一般由開式冷卻塔、換熱器、雙管封閉水系統(tǒng)、熱泵、循環(huán)和補助熱裝置等組成。
　　2。電力大廈采用水源熱泵空調系統(tǒng)的有利條件及優(yōu)越性
　　大連發(fā)電總公司擬建電力住宅大廈，是由發(fā)電總廠、大連電業(yè)局、東電二公司和大連電力工業(yè)學校四家聯(lián)合投資共建。占地面積約為2880平方米，距發(fā)電總廠約6oo米，地下兩層，地上三十層（三層以下是公建，四層以上為住宅）。住宅總建筑面積44000平方米，公建8000平方米，地下部分2000平方米。
　　①有利條件
　　大連地區(qū)氣象條件：冬季采暖室外計算溫度一11℃，采暖期131天，采暖期室外平均溫度一14℃。夏季室外空調計算溫度28.5℃，空調期約為90天。電力住宅大廈室內氣象條件：冬季，室內溫度18℃，相對濕度40一50%；夏季，室內溫度26℃，相對濕度60一70%。
　　大連第一發(fā)電廠循環(huán)水溫度統(tǒng)計值見表2。從表中可知，冬季以循環(huán)水出口水為熱泵供水，夏季則以循環(huán)水人口為熱泵供水一
　　
　　
　　表2大連第一發(fā)電廠循環(huán)水溫度統(tǒng)計值
　　
　　項目
　　
　　1月
　　
　　2月
　　
　　7月
　　
　　8月
　　
　　9月
　　
　　入口水溫℃
　　
　　25.7
　　
　　25
　　
　　27.6
　　
　　31.7
　　
　　29.1
　　
　　出口水溫℃
　　
　　34.4
　　
　　32.4
　　
　　37.2
　　
　　38.9
　　
　　36.8
　　
　　
　　由于大連發(fā)電總廠冷卻循環(huán)水冬季（11月、12月、1月、2月）水溫約25℃，熱泵冬季運行時，可以用循環(huán)水作熱源，水設輔助加熱裝置；夏季水溫約為30℃，低于熱泵機組要求的35℃，故夏季運行時，也可以不設冷卻塔。
　　②優(yōu)越性
　　A、可降低供熱空調系統(tǒng)初投資。由于系統(tǒng)采用電廠冷凝循環(huán)水作為水源熱泵的熱源，水溫在熱泵系統(tǒng)需要的正常范圍之內，與一般的水源熱泵空調系統(tǒng)相比，可不設冷卻塔和補助加熱裝置，初投資約降低10％。
　　B、節(jié)約了采暖耗能
　　節(jié)能的原因在兩方面，一是冬季循環(huán)水溫約保持在25℃，這樣熱泵機組的COP值穩(wěn)定在4．2（當EWT＝25℃時，cop=2.7/0.64=4．2；當EWT=15℃時，cOP=2.2/0.6=3．6）c0P值較高且穩(wěn)定，說明節(jié)能好，二是不需輔助熱源，節(jié)能量的計算見表3：
　　
　　表3水源熱泵與熱電聯(lián)產運行經濟性比較
　　
　　方案
　　
　　采暖期需熱量
　　
　　（Kwh/m2a）
　　
　　采暖期需熱量(Kg標煤/m2a)
　　
　　節(jié)煤量
　　
　　(Kg標煤/m2a)
　　
　　水源熱泵
　　
　　99.63
　　
　　9.7
　　
　　5.7
　　
　　熱電聯(lián)產
　　
　　99.63
　　
　　15.4
　　
　　
　　
　　
　　
　　電力大廈4．2萬m2每年節(jié)煤量為239t標煤／a。
　　C、降低運行費用
　　水源熱泵運行費用是由熱泵機組用電費，循環(huán)水系統(tǒng)電費，維修費和管理費組成。其運行費為14元／m2.a，而熱電聯(lián)產每年每m2收18元／m2。因此水源熱泵年節(jié)約運行費為4元／m2.a，電力大廈年節(jié)約運行費16．8元／a。
　　D、占地少，主要表現(xiàn)：不設空調機房，不設豎井，不占居室平面面積。
　　E、安裝、維修方便，調節(jié)控制簡便易行。
　　3、水源熱泵模擬運行的測試與分析
　　為考證熱泵特性及制熱、制冷能否滿足需要，大連總廠于98年12月刀日至2月3日和99年7月20日至8月4日在廠內新建綜合樓專設熱泵試驗房間，分別進行了熱泵特性模擬試驗。對熱泵采暖、制冷8項性能指標進行測定。試驗房間位于三樓西側，在容積為6．95x6．35x3.15m2的室內安裝了一臺HW一123R型水源熱泵，循環(huán)水熱源利用供暖水經表面式加熱器換熱，使供水度加熱至20-23.5℃，以模擬設備冬季運行的實際條件；夏季，有工業(yè)水（水溫在18℃）作為循環(huán)水。熱泵由一臺流量0．6m3／h循環(huán)水泵，保持該水加熱系統(tǒng)的運行。冬季采暖期共運行了331小時（最大不間斷連續(xù)運行72小時），夏季制冷過行72小時。對整套系統(tǒng)進行了全測試，并對測試數(shù)據(jù)進行分析。
　　測試結果說明：
　　（1）供熱能力：計算的試驗房間設計熱負荷為3057W，試驗期間，冬季室溫為18℃，夏季
　　室溫為26℃，冬季水源熱泵COP為4．0。
　　（2)經濟性（見表4)
　　（3）節(jié)能性（見表4）
　　
　　表4水源熱泵的經濟性、節(jié)能性
　　
　　
　　
　　1Kwh供熱量運行費
　　
　　1Kwh供熱量耗能
　　
　　水源熱泵（供熱）
　　
　　0.122元/1Kwh
　　
　　0.105Kg標煤/1Kwh
　　
　　低溫循環(huán)（供熱）
　　
　　0.181元/1Kwh
　　
　　0.154Kg標煤/1Kwh
　　
　　
　　從表4可知，電力大廈采用水熱源泵供熱后，每1m2每采暖期約節(jié)約運行費5元，節(jié)標煤5gk。噪音為41～55分貝，室內中間距熱泵1．5m處為37-42分貝，均低于住宅建筑設計規(guī)范的規(guī)定值50分貝。
　　三、以礦井水為熱源的水源熱泵采暖空調系統(tǒng)
　　充州隆莊礦是我國先進礦區(qū)之一，設計年產煤量3m萬噸。實際年產煤已提高到500萬噸。礦區(qū)有豐富的地下水，現(xiàn)建有水井18座，取水量26717,m3／d，水溫：冬季15℃，夏天19℃，水質可飲用。礦區(qū)的礦井水也十分豐富，水溫19℃。現(xiàn)己投資lm萬元對礦井水進行水質處理。興隆礦擬對十八層單身職工公寓和新建三角地住宅小區(qū)實施聯(lián)供方案，由單純供暖改造成熱冷聯(lián)供。為提高工程的技術經濟先進性和運行可靠性，咨詢組共提出四個方案進行比較，見表
　　5，比較結果見表6。
　　表5采暖空調方案比較
　　
　　
　　序號
　　
　　方案
　　
　　采暖空調方式
　　
　　備注
　　
　　方案1以地下水為熱源的水源熱泵（水-空氣),冬天：熱泵產生熱風送至戶內夏天：熱泵產生冷風送至戶內每戶設熱泵一臺將風送至各房間
　　方案2
　　
　　以地下水為熱源的水源熱泵（水-水）
　　
　　冬天：熱泵產生熱水送至風機盤管夏天：熱泵產生冷水送至風機盤管
　　
　　熱冷源集中、每戶設風機盤管
　　
　　方案3
　　
　　電制冷+電廠采暖
　　
　　冬天：熱電廠蒸汽+汽氣換熱器夏天：中央空調機送冷水至風機盤管
　　
　　熱冷源集中、每戶設風機盤管
　　
　　對比方案
　　
　　分體空調+鍋爐房采暖
　　
　　冬天：鍋爐房（熱電廠）供熱、戶內散熱器夏天：每戶安裝分體空調機
　　
　　熱源集中、冷源分散、空調品質較差
　　
　　
　　表6備方案綜合比較
　　
　　方案項目
　　
　　單位供熱（冷）量的能耗（kg標煤/m2年）
　　
　　單位供熱（冷）量的系統(tǒng)投資（萬元/kw)
　　
　　單位供熱（冷）量設備全年運行費（萬/kwh)
　　
　　方案1
　　
　　0.057
　　
　　0.414（進口）
　　
　　0.07
　　
　　方案2
　　
　　0.057
　　
　　0.053（進口）
　　
　　0.415（國產
　　
　　0.07
　　
　　方案3
　　
　　0.133
　　
　　0.421
　　
　　0.12
　　
　　對比方案
　　
　　0.148
　　
　　0.455
　　
　　0.11
　　
　　
　　興隆礦實施水源熱泵采暖空調方式，以方案為最佳。雖然方案：水源熱泵（水一空氣）和方案2水源熱泵（水一水），都是在技術與經濟可采用的方案，但方案2中大型熱泵是一種集中冷（熱）源的方式，目前，國內尚元大型水源熱泵廠家，進口設備較貴，而國產水源熱泵系列不全，單臺容量較小。只能將多臺設備集中放置機房時，才能形成中冷（熱）源形式，這給安裝運行維護均帶來不便。采用方案1無論是從單位供熱（冷）量所需能耗，還是從投資和運行費上看都具有明顯優(yōu)越性。其中進口熱泵機組的價格與方案2中的國產投資相近，但比方案2進口設備造價得多，且不要另建機房”因此推薦十八層單身宿舍角地住宅小區(qū)采用方案：作為實施方案。至于兩個分工程用什么水源作為熱泵的冷（熱）源，需根據(jù)三種水源的施工方便及水量保證情況，靈活選擇。目前，業(yè)主已按方案1進行設計。
　　四、小結
　　從以上敘述可知，利有用未利用能進行民生用采暖、空調的熱源是可行的，與其它采暖、空調方式比較，這種方式具有明顯的經濟效益、節(jié)能效益和環(huán)境效益，在有條件的地方，應積極宣傳和推廣。在表1的未利用能項目中，有許多適合作采暖、空調熱源的種類。為此，希望繼續(xù)開發(fā)，在更大的范圍內使用未利用能，為空調、采暖、供熱的可持續(xù)發(fā)展作出更大的貢獻。
　　本文敘述內容、計算數(shù)據(jù)可能有誤，請批評指正。
　　參考文獻
　　1、成田樹昭關于寒冷城市未利用能和區(qū)域供熱的研究
　　2、黃其勵等關于城市小區(qū)熱。電冷三聯(lián)供技術的研究1”9．12
　　3、大連發(fā)電廠綜合樓循環(huán)水水源泵試驗報告1999，9
　　
　　
　　
　　
　　

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