水源热泵技术在某可再生能源项目中的应用研究

洪顺军 杜 卫 李志鹏 刘永红 何敬行 金 羿



水源热泵技术在某可再生能源项目中的应用研究

洪顺军1杜 卫1李志鹏2刘永红1何敬行1金 羿1

（1.中节能先导城市节能有限公司 长沙 410208;2.长沙理工大学能源与动力工程学院 长沙 410114）

以水源热泵技术在某项目中的应用为例，详细介绍了水源热泵系统设计过程中的负荷分析、技术方案、取退水及供能管网方案，对某项目采用水源热泵技术的节能效果及投资进行了分析，并对取退水口处水流影响情况作了模拟分析。分析结果表明：退水水流不会对取水及河流水温产生影响；供能管网水力损失较小；水源热泵系统减排、节能效果十分明显。通过介绍水源热泵技术的应用，对节能环保领域的发展具有一定推动作用。

水源热泵；负荷分析；技术方案；数值模拟；节能

0 引言

目前，随着《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》的出台，我国可再生能源项目迎来了良好契机。进入二十一世纪以来，风能发电、光伏发电、核能、生物质能、区域能源等可再生能源项目在我国广泛布局，在国家有关政策的大力扶持下，未来我国可再生能源项目发展前景十分广阔[1,2]。在区域供能领域，水源热泵技术得到了较为广泛的应用，其能效比高于空气源热泵，尤其是使用水源热泵技术能够降低空调系统能耗，能源利用率得以提高[3,4]。水源热泵能效比高于空气源热泵，尤其是使用水源热泵技术能够降低空调系统能耗，能源利用率得以提高[5-7]。

某项目临近河流，占地面积约99万m2，总建筑规模接近400万m2，其中，建筑业态有公寓、商业、写字楼等。项目总供能面积为41.3万m2。项目建设内容主要包括了取退水、能源站及室外供能管网工程。

1 负荷分析

1.1 供能面积

某项目供能范围一共包含2个区域，总占地面积约为13.88万m2，供能面积为41.3万m2。2个区域详细数据见表1所示。

表1 供能区域数据表

1.2 设计日冷热负荷

该项目所在地区空调运行时间：供冷季5月1日至10月1日；供热季11月1日至2月28日。选取该地区典型建筑负荷模拟软件进行全年负荷模拟计算，类型为写字楼、商业建筑及酒店。通过模拟计算，该地区典型建筑峰值负荷指标见表2所示。

表2 典型建筑峰值负荷指标

1.3 总冷热负荷

根据模拟计算得到的典型建筑峰值负荷指标及逐时冷热负荷指标，计算出各供能建筑逐时负荷及供能数据。该项目设计日逐时冷负荷及逐时热负荷见图1（a）及（b），单位为MW。

（a）设计日逐时冷负荷

（b）设计日逐时热负荷

图1 设计日逐时负荷图

Fig.1 Hourly load on design days

从图1可以看出，该项目供能建筑设计日最大冷负荷出现在15:00，总供冷负荷为39MW；设计日最大热负荷出现在8:00，最大热负荷为22MW。

根据《实用供热空调设计手册》（第二版），需考虑各供能建筑的同时使用系数，结合本项目区域建筑类型，采用综合使用系数0.8。该项目修正负荷见表3所示。

表3 该项目总供能负荷

2 水源热泵技术方案

2.1 能源站规模

该项目临近河流，可采用河水源热泵技术进行供能，总供能冷负荷为31.2MW，总热负荷为17.6MW。因为冷热负荷不同，为了兼顾水源热泵系统能效率以及投资经济性，根据总热负荷数据配置水源热泵机组装机容量，并为夏季供冷，不足冷负荷部分配置冷水机组。该项目水源热泵系统配置见表4所示。

表4 系统主机配置情况

2.2 能源站选址

根据规范，能源站位置尽量远离居住用房，可考虑采用地下建筑，对地面的整体规划影响较小。能源站尽量布置在供能区域的中心位置，有利于供能管网的合理设计[8-9]。该项目能源站的供能直径最大为1.5km，可将能源站布置与供能区域一商业建筑的地下室。该项目能源站由水源热泵机房、值班室、会议室、办公用房、控制室及高低压配电室组成。能源站总建筑面积为2105m2。

2.3 主要设备配置

由于选用了4台水源热泵主机及3台冷水机组，根据主机配置主要设备，具体见表5所示。

表5 系统设备配置表

3 取退水及供能管网方案

3.1 取退水方案

由该项目临近河流为水源热泵能源站供水，根据对河流近50年水量的分析结果，其可以满足能源站夏季供水水量1.4m3/s的需要。取退水工艺流程图见图2所示。

图2 取退水工艺流程图

图3 取水头部平面图

如图2所示，该项目从临近河流经取水头部取水，采用负压引流取水方式，负压引流罐设置于防洪大堤靠近河流侧，在此处把河水输送至水源热泵机组，经水源热泵机组处理后就近退水至河流中。

3.2 格栅设置

设计流量：1=1.4m3/s，进水孔设计流速：2=0.5m/s，格栅条采用扁钢材料，厚度：=10mm，栅距：=50mm，格栅阻塞系数取1=0.78，则由格栅导致的面积减少系数为：

进水孔总面积为：

=1.4/(0.78×0.83×0.5)=4.4m2

箱式取水头从侧面进水，设两格，单格设置一个格栅，正面设置一个。则格栅单格面积1=2.2m2。格栅尺寸选用：×=1700mm×1300mm。

3.3 管道设计

（1）取水管道设计

设计流量：1=1.4m3/s，取水管道长度为290m，为了确保取水过程的顺利进行，共设计2根取水管道，每根管道按总流量的68%设计，原水输送管道管径DN800，设计流速2≥0.6m3/s，管道设计流速：

3=41/(3.14×2)2.8m3/s≥0.6m3/s

如果其中1根输水管道出现问题，另外1根在满足水源热泵机组68%流量的前提下流速大于0.6m3/s。

（2）排水管道设计

设计流量：1=1.4m3/s，退水管道长度为350m。管径DN800mm，设计流速为2.8m3/s，退水管道连接该项目临近河流。

3.4 取退水对河流影响分析

在分析该项目能源站取退水对临近河流的影响时，重点考虑两个方面，一是退水水流是否会对取水口取水产生影响，二是退水口水流对整个临近河流水温的影响。

根据《地表水环境质量标准》规定，人为造成的环境水温变化应限制在：周围平均最大温升 ≤1℃。周平均最大温降≤2℃。根据《全国地表水水环境容量核定》，污染带长度小于500～1000m，且污染面积不得超过1/3河宽。

采用Fluent软件对项目能源站系统取退水靠近河流段进行模拟分析，通过建立模型模拟计算水流温度场，分析了夏季取退水口分布及退水口温升对河水的影响。

（1）夏季取退水影响分析

夏季取退水参数见表6所示，夏季退水口河面水温分布云图图4所示。

表6 夏季取退水口参数

从图4可以看出，退水口水流会引起上游河水0.6℃以下温升，但影响长度为95m左右，且影响区域为河流对岸，而取退水口距离是230m，所以退水水流不会对取水温度产生影响。在排水口处，出水温度比河水高6℃，在设计日最大负荷情况下受影响区域平均温升约为0.6℃，温升超过1℃的污染带宽度约为整个河面宽的11.8%，长度约为22m。

图4 夏季退水口河面水温分布云图

夏季取水口速度场分布云图见图5所示。

从图可以看出，取水全部来自河流上游，所以取水不受下游退水的影响；此外，根据退水口速度场云图结果，在退水口处河流对岸会形成局部小范围的环流，但距离取水口有一定距离，环流不会对取水口处温度场产生影响。

图5 夏季取水口速度场分布云图

3.5 供能管网方案

（1）敷设方式

该项目室外管网主要为用户端输送冷热量，夏季管网供冷回水温度为5/12℃，冬季供热温度为46/39℃。

供能管网敷设方式有：地上架空敷设及地下敷设。地上敷设通常是架空敷设，而地下敷设包含了地沟敷设和直埋敷设。根据该项目现场情况，均采用地下敷设方式，采用钢制预制保温管道。

（2）水力损失计算

供回水温差：7℃，局部阻力损失系数ξ=0.28，设计比摩阻：30～70Pa/m，管道绝对粗糙度为0.18mm。该项目室外供能主管道水力损失见表7所示。

根据水力计算，供能区域最大管径为700mm，供能半径约325m，供回水管最不利环路管网水力损失为0.74m。

表7 室外供能主管道水力损失表

4 节能及投资分析

水源热泵技术是近年来在全世界备受关注的新能源技术之一，其节能效果十分明显[10-12]。通过计算，该项目采用水源热泵系统可以减少标煤排放423.41吨/年，减少SO2排放33.45吨/年、CO2排放1198.76吨/年、烟尘排放317.75吨/年、氮氧化物排放17.47吨/年。

该项目投资估算范围包括能源站建筑，设备采购及安装工程，配套管网及取退水工程。通过估算，该项目建设静态投资总额为12136.45万元。

5 结论

目前，水源热泵技术得到了较为广泛的应用，水源热泵系统在具体项目中的应用涉及到多个方面，比如用能面积统计、冷热负荷计算、技术方案、取退水方案、供能管网方案、运行费用及经济性分析等。在具体项目中如何更好的采用水源热泵技术、突出该技术在节能方面的优势成为了一项重要的研究课题。通过分析该技术在某项目中的应用情况为后续的研究及应用提供了一定参考，在一定程度上能够推动节能环保领域的快速发展。

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Research on Application of Water Source Heat Pump in a Renewable Energy Resources Project

Hong Shunjun1Du Wei1Li Zhipeng2Liu Yonghong1He Jinghang1Jin Yi1

( 1.Cecep & Cpih City Energy Conservation Co., Ltd, Changsha, 410208;2.College of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha, 410114 )

By taking the application of water source heat pump in one project as an example, detailedly explains the load analyses, technical proposal, water intaking and draining scheme and pipe network scheme of energy supply, analyses the energy conservation effect and investment of using water source heat pump in the project, and simulates the influence of flows near the water intake and outlet on the river flow and water intake and outlet. The analyzed results shows that the drained flow will not have influence on temperature of water intake and river flow; the hydraulic loss of energy supply pipe network was quite small; the pollution emission reduction and energy conservation effect was very obvious. By introducing the application of water source heat pump, the development of energy conservation and environmental protection field can be prompted.

water source heat pump; load analysis; technical solution; numerical simulation; energy saving

1671-6612（2017）03-286-06

TK79

A

洪顺军（1988-），男，硕士研究生，E-mail：hongshunjun@126.com

2016-04-29