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水源熱泵中央空調(diào)回灌技術(shù)的推廣
簡介:在未來的幾年中,中國面臨著巨大的能源壓力。一方面,中國的經(jīng)濟(jì)要保持較高速度的增長,另一方面,又必須考慮環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展問題。所以要求提高能源利用效率,要求能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。
關(guān)鍵字:水源熱泵,中央空調(diào),能源結(jié)構(gòu)調(diào)整
在未來的幾年中,中國面臨著巨大的能源壓力。一方面,中國的經(jīng)濟(jì)要保持較高速度的增長,另一方面,又必須考慮環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展問題。所以要求提高能源利用效率,要求能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。
目前隨著我國住宅市場化改革,新建商品住宅小區(qū)飛速發(fā)展,隨著城市環(huán)境問題的日益重視和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整,沈陽地區(qū)新建小區(qū)一般就不再運行采用燃煤鍋爐房供熱,何種方式可以經(jīng)濟(jì)、清潔地解決這些新建小區(qū)的供熱問題成為目前住宅建設(shè)中的大問題。另一方面,近年來我國住宅空調(diào)安裝率迅速增長。沈陽居民住宅空調(diào)擁有率已超過20%,并且目前家用空調(diào)擁有率仍在飛速增長,很可能成為冰箱、彩電后迅速普及的又一種家電。這樣,住宅環(huán)境就不再僅僅是采暖問題,而是要統(tǒng)一考慮采暖和空調(diào)的需求。為此,采用深井回灌的水源熱泵方式可能成為滿足這種需求的住宅供熱、制冷空調(diào)方式。
一、水源熱泵技術(shù)的概念和工作原理
水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太陽能和地?zé)崮芏纬傻牡蜏氐臀粺崮苜Y源,并采用熱泵原理,通過少量的高位電能輸入,實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。
地球表面淺層水源如深度在1000米以內(nèi)的地下水、地表的河流和湖泊和海洋中,吸收了太陽進(jìn)入地球的相當(dāng)?shù)妮椛淠芰浚⑶宜吹臏囟纫话愣际址€(wěn)定。水源熱泵機(jī)組工作原理就是在夏季將建筑物中的熱量轉(zhuǎn)移到水源中,由于水源溫度低,所以可以高效地帶走熱量,而冬季,則從水源中提取能量,由熱泵原理通過空氣或水作為載冷劑提升溫度后送到建筑物中。
下圖為水源熱泵系統(tǒng)的基本原理。地下水從深井1中抽出進(jìn)入板式熱交換器3,與樓內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)的水換熱后,再通過深井2排到地下。循環(huán)水系統(tǒng)經(jīng)住宅樓內(nèi)管網(wǎng)送入各戶,經(jīng)各戶的水源熱泵產(chǎn)生熱水(冬季)或冷水(夏季)送入末端裝置,滿足供熱或空調(diào)的要求。
深井回灌水源熱泵原理圖
圖中同時標(biāo)出設(shè)計工況下各處冬季(夏季)的溫度。從圖中可看出,這種方式在冬季是間接地利用地下水作為媒介,取地下深層砂、石的熱量作為各戶熱泵的熱源向戶內(nèi)供熱,同時將建筑物中取得的冷量排入地下。而在夏季則通過地下水作為媒介,以它作為各戶熱泵的冷卻水,同時將建筑物產(chǎn)生的熱量排入地下。這樣冬季從地下取熱存冷,夏季取冷存熱,若建筑物冬季供熱量與夏季供冷量差不多,則一年內(nèi)地下基本熱平衡,未取出或存入熱量,不會造成地下的熱污染。同時,由于冬季地下水溫度遠(yuǎn)比室外空氣溫度高,因此冬季熱泵效率比空氣-水熱泵高,并且不存在結(jié)露等問題。夏季則以12~26℃為制冷機(jī)的冷卻水,可以得到很高的COP,甚至在某些情況下可直接用此水作為冷源進(jìn)行空調(diào),而不用開啟水源熱泵。由于地下水通過換熱器3換熱后排回地下,僅僅利用了地下水的冷量(熱量),而不消耗一滴水資源,地下水的整個流程都不與空氣接觸,因此也不會造成地下水資源的污染。
二、水源熱泵中央空調(diào)技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)
水源熱泵技術(shù)(以下簡稱GWHP)的提出始于英、美兩國,美國從20世紀(jì)30年代即開始應(yīng)用。1948年俄勒岡州的一位工程師Krocker開創(chuàng)了水源熱泵在商用建筑中的應(yīng)用。20世紀(jì)50年代歐洲出現(xiàn)了利用GWHP的第一次高潮。由于當(dāng)時能源價格低,這種系統(tǒng)缺乏經(jīng)濟(jì)競爭力,而未得到推廣。隨著近十幾年來,尤其是近五年來,能源價格的提高,GWHP在北美如美國、加拿大及中、北歐如瑞士、瑞典等國家取得了較快的發(fā)展,據(jù)1999年的統(tǒng)計,為家用的供熱裝置中,GSHPs所占比例,瑞士為96%,奧地利為38%,丹麥為27%。
中國早在50年代,就曾在上海、天津等地嘗試夏取冬灌的方式抽取地下水制冷,天津大學(xué)熱能研究所呂燦仁教授就開展了我國熱泵的最早研究,1965年研制成功國內(nèi)第一臺水冷式熱泵空調(diào)機(jī)。目前,國內(nèi)的清華大學(xué)、天津大學(xué)、重慶大學(xué)、天津商學(xué)院、山東建工學(xué)院、中國科學(xué)院廣州能源研究所等多家大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都在對水源熱泵進(jìn)行研究。其中清華大學(xué)經(jīng)過多年在多工況水源熱泵的研究已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化的成果,已建成多個示范工程??梢灶A(yù)計,該項技術(shù)將會成為21世紀(jì)最有效的供熱和供冷空調(diào)技術(shù)。
三、水源熱泵技術(shù)在沈陽地區(qū)推廣的優(yōu)越性
1、水文地質(zhì)條件適宜
水源是應(yīng)用水源熱泵的前提,水源系統(tǒng)的水量、水溫、水質(zhì)和供水穩(wěn)定性是影響水源熱泵系統(tǒng)運行效果的重要因素。
沈陽整個城區(qū)地處渾河沖洪積平原上,含水層主要為粗砂、圓礫及卵石,地下水資源含量豐富,隨著近幾年保護(hù)地下水資源力度加大,加上工廠向郊區(qū)遷移,沈陽地下漏斗區(qū)已經(jīng)基本消除?,F(xiàn)在,地下水水位在50-60m之間,埋深5-13m。水溫冬夏恒定保持在12℃,PH值在6.5-8.5之間,地下水水質(zhì)在全國水資源評價中為優(yōu)。沈陽城區(qū)這種獨特的水文地質(zhì)條件,在全國是絕無僅有的,滿足水源熱泵系統(tǒng)運行時對水源“水量充足,水溫適度,水質(zhì)適宜,供水穩(wěn)定”的要求,適合水源熱泵系統(tǒng)在沈陽大范圍的推廣。
2、水源熱泵技術(shù)在建筑領(lǐng)域中應(yīng)用的優(yōu)越性
水源熱泵作為一種新型的供暖制冷技術(shù),越來越受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注,其在建筑領(lǐng)域中的優(yōu)勢有以下幾個方面:
?、?較低的能量消耗。地源熱泵最大的優(yōu)勢是與常規(guī)供熱和制冷空調(diào)系統(tǒng)相比少消耗電能。在適宜的條件下比空氣熱泵系統(tǒng)節(jié)省能源40%以上,比電采暖節(jié)能70%以上。
?、?改善了建筑外觀。由于沒有室外壓縮機(jī)或冷卻水塔,因此破壞建筑外觀的可能性大為降低或消除。
?、?較低的環(huán)境影響。比較燃煤鍋爐CO2排放量與用相同燃料產(chǎn)生電驅(qū)動所排放的CO2量,可減少30%-50%,在環(huán)保中將發(fā)揮很大的作用。
?、?占地面積少。同燃煤鍋爐房相比,占地面積可減少一半以上,若將熱泵機(jī)組放到地下,則不占用地上空間。
四、水源熱泵技術(shù)在沈陽地區(qū)應(yīng)用及存在的問題
水源熱泵技術(shù)是從1998年引入沈陽地區(qū)的,比較早的有東電宿舍樓、沈陽自動化所、遼寧科技大廈、醫(yī)大二院等,供暖制冷面積大的10萬m2以上,小的只有2000m2。比較典型的是沈陽自動化研究所,該所建筑面積4.6萬m2,1999年引入水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)用以替代原有的2臺燃煤鍋爐。2002年,冬季供暖152天,夏季制冷100天。全年運行費用為21.33元/m2。全年采暖及制冷節(jié)約費用7萬元。
通過考察近幾年來沈陽市水源熱泵的建設(shè)和運行情況來看,由于引進(jìn)的熱泵機(jī)組都是比較成型的技術(shù),在運行效率及維護(hù)保養(yǎng)方面都能夠到達(dá)要求。但作為熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一的井群方面,回灌和成井工藝上還存在諸多問題,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:
一是在設(shè)計抽、灌井間距時通常參照地源熱泵生產(chǎn)廠家的經(jīng)驗值,忽略了不同地貌單元的水文地質(zhì)因素,井間距設(shè)計過大,對于高密度住宅小區(qū)或城區(qū)商用建筑應(yīng)用深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)來說,由于可利用建筑用地的面積限制,井群無法布置,嚴(yán)重影響了水源熱泵系統(tǒng)在沈陽的推廣使用。如醫(yī)大二院水源熱泵空調(diào)井間距過大,回灌井?dāng)?shù)量達(dá)不到要求,機(jī)組運行時,水回灌不下去。沈陽市自動化所也因回灌井無法布開,導(dǎo)致部分建筑無法利用水源熱泵供暖。還有部分用戶為解決回灌問題,直接將水排入下水管道,沒有回灌入地下,浪費了大量的地下水資源。
二是成井工藝落后,成井質(zhì)量不好,不僅影響井的壽命,還影響到取水和回灌效果,最終影響水源熱泵正常工作和制熱或制冷效果?,F(xiàn)在沈陽的成井工藝仍然延續(xù)多年前的做法,回灌井采用鋼筋骨架纏絲包網(wǎng)式濾管。這種濾管在使用一段時間以后,作為纏絲的鐵線嚴(yán)重銹蝕,管井被阻塞,導(dǎo)致回灌井的回灌系數(shù)、使用壽命都有所下降,制約了熱泵技術(shù)的推廣。
五、我公司解決水源熱泵回灌及成井工藝問題的研究
1、抽、灌井群間距的研究
由于向地下回灌比取水要困難,因此,可行的方案為打三口井,一口取水,兩口回灌,即抽水井與回灌井的數(shù)量比為1:2。在回灌時,為避免回灌井對抽水井“熱貫通”影響,保持抽水井水溫恒定,三口井間要保證足夠距離,通常為100m以上。若三口井布置為如下圖所示邊長為100m的等邊三角形,抽、灌水量為100m3/h,按熱泵
[1][2][3]機(jī)組運行時,供暖(制冷時需水量要少)10000m2需水量100m3/h計算,則在此場區(qū)內(nèi)用地源熱泵供暖、制冷的建筑面積為10000m2。
我公司根據(jù)沈陽地區(qū)的水文地質(zhì)條件,參考國內(nèi)外有關(guān)研究成果,通過具體工程實踐,認(rèn)為抽、灌井間距縮短到60m是完全可行的,如國府肥牛熱泵抽灌井間距為50m,運行情況良好,未出現(xiàn)抽灌井“熱貫通”現(xiàn)象。地王國際花園抽、灌井群最小間距為60m。這樣同樣是在邊長為100m的等邊三角形區(qū)域內(nèi),可以布設(shè)取水井2眼,回灌井4眼,能夠為20000m2的建筑面積采暖、制冷。也就是在同樣的場地上,最大限度的增加布設(shè)井?dāng)?shù),解決了由于場地限制因素導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)無法應(yīng)用的問題。同時,因為抽、灌井間距縮短,增加了單井回灌量。
2、成井新材料新工藝的研制開發(fā)
我公司根據(jù)沈陽地區(qū)的水文地質(zhì)條件,研制出鋼筋骨架包塑料板纏絲包網(wǎng)式濾管成井新工藝,該種濾管的優(yōu)點是耐腐蝕,能延長管井使用壽命,重量輕,其規(guī)格與性能均能滿足粗、細(xì)顆粒含水層成井之用。與硬質(zhì)塑料濾水管相比,最大的優(yōu)越性就是強度高,能夠抵擋住回灌時強大的過水沖擊力。
經(jīng)過近幾年實驗及工程實踐證明,此技術(shù)可以極大的提高井的使用壽命,也得到了水源熱泵空調(diào)用戶的認(rèn)可,地王國際花園、東大智慧鑫園都指定用我們的技術(shù)。利用這次機(jī)會,我們將進(jìn)一步研究這種濾管的熱傳導(dǎo)性能及滲透能力,并申請專利,促進(jìn)這項技術(shù)在沈陽的推廣使用。
六、水源熱泵技術(shù)在沈陽的推廣應(yīng)用
1、水源熱泵技術(shù)在沈陽推廣的意義
①節(jié)能、運行費用低
由于水源熱泵是以水作為熱源和供熱介質(zhì)的供熱制冷技術(shù)。在運行時,將地下水熱能經(jīng)水源熱泵機(jī)組交換熱量后排出再注入地下含水層中去,回灌儲能,以地下水作為冷熱源,冬灌夏用,夏灌冬用。在這一過程中只消耗很少的電能。其制冷、制熱系數(shù)可達(dá)3.5~4.4,與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比,要高出40%左右,其運行費用為普通中央空調(diào)的50~60%。水源熱泵與鍋爐(電、燃料)和空氣源熱泵的供熱系統(tǒng)相比有明顯的優(yōu)勢。鍋爐供熱只能將90%~98%的電能或70~90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量,供用戶使用,因此水源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能,比燃料鍋爐節(jié)省二分之一以上的能量;
②環(huán)保
在中國的傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)概念中,由于國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和政策的影響,在相當(dāng)長的時期中,北方一般以燃煤鍋爐解決冬季取暖問題。水源熱泵在運行時,只是通過地下水的抽取與回灌提取熱能,在整個抽灌過程中,管道是全封閉的,不會對地下水造成污染。比較燃煤鍋爐CO2排放量與用相同燃料產(chǎn)生電驅(qū)動所排放的CO2量,可減少30%-50%,在環(huán)保中將發(fā)揮很大的作用。
2、推廣水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用前景
①強調(diào)節(jié)能環(huán)保,是沈陽市供暖結(jié)構(gòu)調(diào)整,逐步替代燃煤鍋爐房其實可行的方式。
供新隨著可持續(xù)發(fā)展和公眾環(huán)保意識的提高,世界和中國能源利用的結(jié)構(gòu)都正在轉(zhuǎn)變,從原有的煤、石油取暖過渡到以天然氣及電等清潔能源。沈陽作為大氣污染較為為嚴(yán)重的城市之一,其治理大氣污染的政策中就包括能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整,從以煤為主改為天然氣和電力替代能源。但是,替代能源雖然可以部分解決大氣污染的問題,可是天然氣和石油等都屬于不可再生的能源,從可持續(xù)發(fā)展的角度看,必須提高能源利用效率或者尋找可以再生的能源,而水源熱泵機(jī)組就是比較理想的一種設(shè)備。
?、谕ㄟ^回灌水再利用,解決小區(qū)環(huán)境用水問題。
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們生活水平的提高,居民渴望有一個清水環(huán)繞的居住環(huán)境。但就目前我國的水資源狀況來看,單純的抽取地下水來滿足這一要求是不可取的。而水源熱泵抽取的水可以在回灌之前創(chuàng)造一個水文景觀后,通過處理技術(shù)達(dá)到回灌水標(biāo)準(zhǔn)后再灌入地下,就很好的解決了這一問題。按目前的技術(shù)來看,這是切實可行的。
水源熱泵技術(shù)的推廣需要政府從可持續(xù)發(fā)展的角度,綜合能源環(huán)保和資源的各個方面的考慮,調(diào)整水源熱泵水源使用的政策,從新確定水源如何管理,才能促使其大規(guī)模的發(fā)展。我們將利用公司的技術(shù)優(yōu)勢,通過與政府有關(guān)部門密切合作,為相關(guān)行政主管部門在制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)時提供技術(shù)咨詢。為推動全市經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。
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