浅谈河水源热泵在山西太原市应用的展望

韩 君

浅谈河水源热泵在山西太原市应用的展望

韩 君

阐述了沿汾河两岸水源热泵系统在太原使用灵活、夏季制冷和冬季制热可大量节约能源等优点,探讨了水源热泵操作、运行管理的优越性和新进展,在此基础上提出了有条件的地方应大力推广该技术的建议。

水源热泵,可行性,运行费用

当今社会能源和环境是人类面临的两大问题。能源危机和温室效应造成的全球气候变暖已经广泛引起了人们的关注。在我国,建筑能耗已占能源消耗总量的 25%以上,而空调系统的能耗又占到建筑总能耗的 50%左右[1]。每年夏天都由于空调用电量的大量增加造成供电紧张,电网不堪重负。环境污染与能源危机已成为全人类必须面对并要加以解决的重大课题。在这种背景下,以环保和节能为主要特征的绿色建筑及相应的空调系统应运而生,而水源热泵技术正是满足这些要求的比较有代表性的低耗能新型空调技术。

1 水源热泵技术在太原市汾河两岸应用的可行性分析

水源热泵系统(WLHPS：Water Loop source Heat Pump System)是地源热泵系统中的一种,是以地表水作为冷热源的供暖供冷系统。由于其环保性和节能性,近期在国内外都得到了大力推广和应用。太原汾河公园是在汾河太原城区段内经过水利治理和绿化美化后而形成的滨水公园,绿化总面积为 130万m2,水面 180万m2。景区北起胜利桥上游155m,南至南内环桥下游 125m,全长 6 km,宽 500m,占地 300 hm2。设计为人工复式河槽,由中隔墙分成东西两渠,东侧为清水渠,宽 220m,由四道橡胶坝分为三级蓄水湖面;西侧浑水渠,宽 80m,排泄上游洪水和水库灌溉输水。沿汾河东西两岸建筑在迅速崛起,高楼鳞次栉比,且随着生活水平的不断提高,越来越多的建筑开始安装中央空调,而河水源热泵技术正是满足这些要求的比较有代表性的低耗能新型空调技术,且沿汾河两岸正具备这样的条件。

地表水易受污染,泥沙、水藻等杂质含量较高,水表面直接与空气接触,水体含氧量较高,腐蚀性强,如果将地表水直接供应到每台热泵机组进行换热,容易导致换热器结垢而性能下降,严重时还会导致管路阻塞。而如果将地表水和建筑内循环水之间用换热器分开,热交换器采取小温差换热的方式运行,这样保护了昂贵的水源热泵机组,如果建筑物之间存在热回收的可能,这种系统形式也可以自动在各建筑间进行热回收,但由于存在换热温差,造成不能充分利用地表水的能量的问题。

根据太原市的气象、水文条件,夏季太原市地表水平均温度一般为 24℃～26℃,以换热器 5℃温差考虑,则热泵机组夏季的进水平均温度不会高于 32℃,如果夏季热泵的冷却水侧进出口温差为 5℃,则热泵机组出水温度不到 37℃,根据热泵机组的技术要求,这时的冷却水供回水温差是能够保证夏季热泵机组制冷正常运行的。

在冬季,太原市地表水平均温度一般为 4℃左右,以换热器2℃温差考虑,则热泵机组冬季的进水温度不会高于 2℃,以冬季热泵的冷冻水侧进出口温差为 5℃考虑则热泵机组出水温度不到-3℃,须在循环水中添加防冻液。而此时热泵机组制热工况下的COP值约在2～3之间(不同厂家生产的机组之间COP值略有差别),而COP值越高,热泵机组的制热能力越高,当地表水温度过低(低于 4℃),或地表水量不足时,需考虑采用其他辅助热源如集中供热加热热泵机组的冷冻水循环水,以保证热泵机组在较高的制热能力下运行。采用辅助热源如集中供热加热热泵机组的冷冻水循环水与用集中供热等常规供暖形式相比在节能上是没有优势可言的,但是采用辅助热源只是在地表水温度过低,或地表水量不足等极端条件下才采用,一般来讲这种情况发生的天数很少,甚至不发生,从整个采暖季来考虑采用水源热泵机组供热与上述常规供暖方式相比还是节能的,这将在下文中给予进一步的分析。

2 水源热泵系统末端技术分析

就系统末端装置的形式而言,水源热泵系统又分为集中的大型水—水水源热泵机组 +风机盘管和分散的水—空气水源热泵机组形式。水—水水源热泵机组最终产出的是冷热水,该类型机组相对较大,一般整个工程设一个水源热泵机房,所产出的冷热水通过泵输送到各单体建筑,根据需要也可以在各单体建筑内设置水—水水源热泵机房,将与地热水换热后的循环水输送到各单体建筑,各单体建筑的水—水水源热泵机组产出冷热随后再通过水泵输送到楼内各个空调区域,通过风机盘管和空气处理机组将冷热水中的能量输送到各个房间。水—空气水源热泵机组是一种直接蒸发式的机组,该类型机组相对较小,一般根据各个区域的使用功能和使用要求划分成很多的小型系统,循环水在中央水泵房中换热后通过水泵输送到各单体建筑的机组中,空调区域的回风通过机组加热/冷却后被送出,能量不需要二次输送。两种系统各有自己的特点。水—水水源热泵系统是一种更为集中的空调方式,国内已有生产,由于机组较为集中因此水源热泵机组初投资较小,但热泵机组需要在建筑中设置专用的机房;水—空气水源热泵系统相对分散,机组初投资略高,但其室内的循环水管不需要保温,由于机组分散到末端,所需机房面积也较小。就系统的综合造价而言,水—空气水源热泵机组较贵,但水—水水源热泵系统所需的风机盘管和空调箱、保温费用、多占机房带来的费用增加,综合投资虽然水—空气水源热泵机组形式较贵,但二者相差不大。从运行上来看,由于水—水水源热泵机组的能量调节只能分有限的级数进行,而且要同时供冷供热就必须采用四管制,因此比较适合于作息时间比较统一,负荷比较一致的场合;水—空气水源热泵机组自带温控器,可以根据使用要求进行独立的调节和运行,还可以在两管制的情况下实现四管制才有的同时供暖供冷的功能,因此比较适合作息时间多样化且使用要求也比较多样的商用和公用建筑。

3 水源热泵系统对环境的影响

根据水源热泵系统的原理可知,地表水水源热泵空调系统对地表水的利用仅限于热量的提取和转换,并在使用过程中严格限制对地表水进行任何的化学处理,有限的处理也仅限于对其进行过滤、沉淀以及加热冷却等物理处理,地表水的成分在整个使用过程中没有发生任何变化。在严格遵循以上原则的前提下,水源热泵系统的运行也不会带来所在区域地表水污染的问题。

在系统设计和施工合理,且地表水水源热泵系统正常使用的前提下,一般不会对环境造成负面影响。

4 技术经济分析

4.1 夏季工况

地表水水源热泵空调系统夏季运行方式和原理与最常用的水冷冷水机组空调系统是极为相似的,从设备使用上看,水源热泵空调方式的冷却水系统不再使用冷却塔进行冷却,而是依靠水塘进行冷却,因此从初投资来看,水源热泵空调系统省去了冷却塔的设备投资。从运行费用方面来看,由于水源热泵空调方式的冷却水系统依靠河水进行冷却,冷却效果较冷却塔冷却要好的多,因此水源热泵空调方式的COP值可能会比常用的冷却塔进行冷却的水冷冷水机组空调系统要高,明显节省运行费用。

4.2 冬季工况

结合地表水水源热泵空调系统的实际情况,主要针对系统的供暖运行费用进行技术经济比较。根据当地能源条件,主要就集中供热 +散热器系统和地下水水源热泵+风机盘管系统的供暖功能假设整个 10万m2的建筑进行技术经济比较,运行费用比较。根据有关资料,太原地区冬季空调负荷分布假定如下：平均空调负荷在 90%的运行时间占全部运行时间的15%;平均空调负荷在 60%的运行时间占全部运行时间的 30%;平均空调负荷在30%的运行时间占全部运行时间的 55%。太原市的供暖时间根据规范为 138 d。太原地区电价按照 0.60元/度计算,太原地区集中供热价按照 35元/m2计算。本次计算中假定地表水和系统冷热水都是定流量运行,每栋建筑风机盘管的运行调节规律与空调负荷的分布情况一致,水源热泵机组的使用按照 60%满负荷进行计算。计算结果见表 1。由表 1中得出,地表水水源热泵系统+风机盘管系统每供暖季的运行费用约为 24.4元/m2。

表1 计算结果

5 结论与建议

1)在现有条件下,太原地区可以采用地表水水源热泵系统,并做好过滤和防腐工作。2)在系统设计和施工合理,且地表水水源热泵系统正常使用的前提下,一般不会对环境造成负面影响。3)考虑到冬季有可能出现持续低温,水量减少,导致水体温度过低,水量过小的极端情况,为保证这种情况下的正常供热,辅助热源可以考虑采用市政集中供热的形式。4)根据初步估算,采用地表水水源热泵系统供暖其运行费用为 24.4元/m2,低于集中供热供热价 35元/m2。整个建筑年节省费用约 106万元。

[1] 刘 伟.江水源热泵在空调工程中的应用分析[J].暖通空调,2010,40(12)：51-54.

[2] 徐 伟.地源热泵工程技术指南[M].北京：中国建筑工业出版社,2001.

[3] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社,1994.

[4] 李先瑞,郎四维.热泵的现状与展望[J].建筑热能通风空调,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

韩 君(1983-),男,硕士,助理工程师,北京华咨工程设计公司山西分公司,山西太原 030002