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高溫水源熱泵在地?zé)峁┡械膽?yīng)用
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一、地?zé)峄局R(shí)及我國地?zé)岬陌l(fā)展與現(xiàn)狀
地?zé)嵬ǔJ顷懙氐乇?000m深度內(nèi)的熱能。據(jù)推算,地核內(nèi)部的溫度達(dá)2000~5000℃,而地幔的溫度達(dá)1000~2000℃。因此,在地球的最外層——地殼中蘊(yùn)藏著巨大的熱水庫。地?zé)崴⒉皇堑貧?nèi)天然存在的,而是地面上的雨水沿巖石、土壤的縫隙深入地殼深處,這些水被周圍的熱巖所加熱。如果地殼深處有較大的空隙層,就可能形成具有開采價(jià)值地?zé)崴畬覽1].而目前開采和利用最多的地?zé)崮芗词堑責(zé)崴8鶕?jù)地?zé)崴疁囟鹊牟煌?,地?zé)崴煞譃椋旱蜏厮╰<140℃)、中溫水(t=40~60℃)和高溫水(t=60~100℃)、過熱水(t>100℃)[2].我國地?zé)豳Y源總量98%以上是低溫地?zé)豳Y源。目前,我國眾多的低溫地?zé)豳Y源主要是直接利用于洗浴、采暖、種植、養(yǎng)殖、醫(yī)療、娛樂等方面。雖然全國直接利用總量已達(dá)到2410MW,居世界各國前列[3],但利用水平和效率比較低,對(duì)于25℃~50℃溫度段的能量利用率很差。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo),國家制定了“十五能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃”:要求調(diào)整能源結(jié)構(gòu),減少燃煤造成的污染,大力發(fā)展新能源可再生能源的利用技術(shù),其中提到要開發(fā)地?zé)釤岜眉夹g(shù),以充分利用地?zé)豳Y源。
地?zé)嶙鳛橐环N清潔能源用于采暖,在我國北方城市發(fā)展迅速,目前天津市地?zé)峁┡娣e就達(dá)800多萬平方米,至2003年底可達(dá)1000萬平方米,位居全國前列。北京市地?zé)峁┡娣e也達(dá)120萬平方米[4].但目前地?zé)峁┡饕腥齻€(gè)突出的問題:
(一)地?zé)崴┡笪菜欧潘疁乇容^高,一般在40℃以上,造成了資源的浪費(fèi)。
?。ǘ┯幸恍┑?zé)崽飳俚蜏氐責(zé)崽铮責(zé)崴疁囟鹊陀?5℃,能量品位低,不能直接為暖氣片熱水式熱力循環(huán)系統(tǒng)供暖。
?。ㄈ┑?zé)崴┡笪菜欧潘疁乇容^高,造成熱污染,不符合環(huán)保的要求。
二、全新的地?zé)帷⒏邷厮礋岜玫墓┡桨?/strong>
由北京市科委立項(xiàng),清華大學(xué)熱能系和北京清源世紀(jì)科技有限公司共同研制開發(fā)出的QYHP系列的高溫水源熱泵機(jī)組,采用最新研制的高溫環(huán)保工質(zhì)HTR01,解決了傳統(tǒng)工質(zhì)高溫工況下工作壓力過高的技術(shù)瓶頸,保證了設(shè)備在高溫工況下運(yùn)行的安全可靠,從根本上解決了上述地?zé)峁┡械娜齻€(gè)主要問題。
QYHP系列高溫水源熱泵可直接把30-60℃的低溫地?zé)崴訜岬?0-90℃,適用于各種供暖方式,解決了高寒地區(qū)的地?zé)釤岜霉┡约坝酶邷厮礋岜萌〈济哄仩t仍可利用暖氣片熱水式熱力循環(huán)系統(tǒng)的采暖改造問題。被利用后的地?zé)嵛菜潘疁囟茸畹涂傻陀?0℃,符合環(huán)保的要求。制熱工況COP可達(dá)到3.5以上,也就是說,花費(fèi)一份代價(jià),可以得到3.5倍以上的熱量。
用高溫水源熱泵機(jī)組對(duì)低溫地?zé)崴M(jìn)行余熱回收,可加大地?zé)峋墓┡芰?,使一口地?zé)峋鸬絻煽诘責(zé)峋淖饔?,能產(chǎn)生出良好的經(jīng)濟(jì)效益。舉北京市為例:北京城區(qū)和小湯山地區(qū)已有地?zé)岵膳こ?6處,年開采利用地?zé)崴?85.9萬立方米,采暖面積約38萬平方米,如果利用熱泵技術(shù)將40℃尾水降至10℃再排放,那么從目前每年排放的286萬立方地?zé)嵛菜锌苫厥諢崃繛?.5萬千瓦,可擴(kuò)大供暖面積90萬平方米,節(jié)能及環(huán)境效益十分明顯。
三、項(xiàng)目簡介
北京某工程項(xiàng)目:一期建設(shè)共有19000平方米的大學(xué)生公寓,約4200平方米的公建(會(huì)所),大學(xué)生公寓采用暖氣片熱水式熱力循環(huán)系統(tǒng)供暖,會(huì)所采用中央空調(diào)系統(tǒng),冬夏兩用?,F(xiàn)有地?zé)峋豢冢壕顬?800米、日出水量為1054t/d(44t/h)、出水溫度為57℃。
該井所出57℃低溫地?zé)崴芍苯咏o采用中央空調(diào)系統(tǒng)的會(huì)所供暖。但該低溫地?zé)崴糜诖髮W(xué)生公寓的暖氣片熱水式循環(huán)熱力系統(tǒng)供暖,需進(jìn)一步加熱,將水溫提高到70℃以上。如采用傳統(tǒng)燃煤、燃油、燃?xì)忮仩t加熱方式,供暖后的排放水溫仍將在40℃以上,無法解決資源的浪費(fèi)和環(huán)境熱污染的問題。
應(yīng)用QYHP系列高溫水源熱泵機(jī)組,可輸出70℃以上的二次熱水,能在末端為暖氣片的用戶進(jìn)行供暖。被利用后的地?zé)嵛菜潘疁囟茸畹涂傻陀?0℃,將低溫地?zé)崴哪芰砍浞掷?,同時(shí)熱泵機(jī)組還可免費(fèi)制取生活熱水及為會(huì)所提供夏季制冷。真正實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、高效節(jié)能。
四、負(fù)荷計(jì)算
1、空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)(北京地區(qū))
2、空調(diào)室內(nèi)計(jì)算參數(shù)
冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度t=18-22℃,室內(nèi)相對(duì)濕度φ≤55%
夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度t=22-26℃,室內(nèi)相對(duì)濕度φ≤60%
3、負(fù)荷計(jì)算
冬季供暖工況:
取面積熱指標(biāo):q = 60 W/㎡.
供暖總建筑面積:F = 19000+4200=23200㎡
冬季總熱負(fù)荷:Q = q × F = 60×23200=1392kW
其中大學(xué)生公寓熱負(fù)荷:1140kW
會(huì)所熱負(fù)荷:252kW
夏季制冷工況:
取面積冷指標(biāo):q = 110 W/㎡、
制冷總建筑面積:F = 4200㎡
則夏季總冷負(fù)荷:Q = q × F = 110×4200=462kW
五、工藝方案
冬季工況:利用57℃地?zé)崴M(jìn)行供暖,采用梯級(jí)利用的方式進(jìn)行。
第一級(jí):應(yīng)用板式換熱器輸出55℃熱水為高檔公寓部分供暖,地?zé)嵛菜疁囟冉禐?2℃左右;地?zé)崴g供可提供256KW的熱量,可滿足會(huì)所冬季供暖252kW最大熱負(fù)荷的需求。
第二級(jí):應(yīng)用1臺(tái)QYHP600H高溫水源熱泵機(jī)組對(duì)52℃地?zé)嵛菜M(jìn)行余熱回收,輸出75℃二次水對(duì)大學(xué)生公寓進(jìn)行供暖。
第三級(jí):應(yīng)用1臺(tái)QYHP600H高溫水源熱泵機(jī)組對(duì)36℃左右的地?zé)嵛菜M(jìn)行余熱回收,輸出75℃二次水對(duì)大學(xué)生公寓進(jìn)行供暖,地?zé)嵛菜疁囟?8℃,符合排放標(biāo)準(zhǔn)。
兩臺(tái)QYHP600H高溫水源熱泵機(jī)組共可輸出1248KW的熱量,可滿足大學(xué)生公寓冬季供暖1140kW最大熱負(fù)荷的需求。
夏季工況:QYHP600H型高溫水源熱泵機(jī)組單機(jī)額定制冷功率為325KW,兩臺(tái)合計(jì)為650KW,可滿足4200㎡高檔建筑共462 KW的夏季冷負(fù)荷的需求。
六、經(jīng)濟(jì)性比較
高溫水源熱泵除具有環(huán)保的特點(diǎn)外,更具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì),下面將利用各種余熱資源采用高溫水源熱泵的供暖方式同現(xiàn)行的各種供暖方式就運(yùn)行成本、一次性投資依據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作分析比較如下:
七、方案優(yōu)點(diǎn)
1、余熱利用、經(jīng)濟(jì)節(jié)能
采用高溫水源熱泵機(jī)組可直接回收利用低溫地?zé)崴?、地?zé)嵛菜?、含油污水及其它各種溫度在30~60℃之間的中低品位余熱資源,從根本上解決了此類余熱資源不能被熱泵機(jī)組直接回收利用的現(xiàn)狀。機(jī)組制熱工況出水溫度可根據(jù)用戶需求調(diào)節(jié),最高出水溫度可達(dá)90℃,可滿足不同用戶的空調(diào)、供暖、制備生活熱水的需求,低溫地?zé)崴?高溫水源熱泵取代燃煤鍋爐進(jìn)行冬季供暖無須改造供暖末端及現(xiàn)有供暖管網(wǎng),從而使現(xiàn)有資源得到了最合理的利用。
2、綠色環(huán)保、效益顯著
采用地?zé)崴?高溫水源熱泵取代燃煤鍋爐可取得很好的環(huán)保效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng),避免了燃煤鍋爐的廢氣、廢渣對(duì)周圍環(huán)境的污染,省掉了燃煤的運(yùn)輸費(fèi)用、貯煤場(chǎng)地費(fèi)用、除塵費(fèi)用、灰渣的運(yùn)輸處理費(fèi)用等。同時(shí)解決了低溫地?zé)崴虻責(zé)嵛菜欧藕髮?duì)環(huán)境造成的熱污染的問題,經(jīng)此方案后,地?zé)崴臏囟戎挥?8℃左右遠(yuǎn)低于國家規(guī)定的小于30℃的標(biāo)準(zhǔn)。
3、一機(jī)多用,節(jié)約資金
在該項(xiàng)目中,利用高溫水源熱泵提供冬季供暖的同時(shí),還可提供夏季制冷,從而避免了中央空調(diào)系統(tǒng)的重復(fù)投資。
4、性能穩(wěn)定、安全可靠
水源熱泵運(yùn)行自動(dòng)化程度高,運(yùn)行人員少,無壓力容器存在,安全性好。地下水溫度穩(wěn)定,水源熱泵供熱為連續(xù)供熱,溫度恒定,人體的舒適感好。
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