水源熱泵在某地區(qū)推廣的可行性探討

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摘要： 本文對水源熱泵空調系統(tǒng)作了簡單介紹， 分析 了湖南地區(qū)氣候特點、水資源狀況以及水源熱泵系統(tǒng)對水源系統(tǒng)的要求，以湖南省澧縣某賓館地下水源熱泵空調系統(tǒng)和湖南省湘潭市城市中心區(qū)一期工程地表水源熱泵空調系統(tǒng)為例，對水源熱泵系統(tǒng)在湖南地區(qū)的 應用 進行了實例分析。在湖南地區(qū)應用水源熱泵空調方式效率高、節(jié)能且 經(jīng)濟 ，符合當今世界可持續(xù) 發(fā)展 的要求，可以作為湖南地區(qū)冬季供暖夏季制冷的長久良策。 關鍵詞： 水源熱泵 水資源 節(jié)能 空調隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的提高，空調設備越來越普及， 社會 對空調的需求非常巨大。我國湖南等冬冷夏熱地區(qū)夏季需要制冷，冬季需要供熱。 目前 ，這些地區(qū)所用的采暖降溫設備多為分散在各用戶的能耗很大的電暖器和空調器，耗電量相當大。隨著可持續(xù)發(fā)展和人們環(huán)保意識的提高，環(huán)保和節(jié)能已成為建筑空調發(fā)展的首要 研究  問題 ，由于水源熱泵系統(tǒng)具有節(jié)能、環(huán)保、性能穩(wěn)定、清潔等優(yōu)點，因此我們有理由相信水源熱泵在冬冷夏熱的湖南地區(qū)是最有前途的節(jié)能空調裝置和系統(tǒng)。1 水源熱泵空調系統(tǒng)概述 水源熱泵是以水為熱源的可進行制冷/制熱循環(huán)的一種熱泵型整體式水－空氣空調裝置。水的質量熱容大，傳熱性能好，傳遞一定熱量所需的水量較少，換熱器的尺寸可較小。所以在易于獲得大量溫度較為穩(wěn)定的水的地區(qū)，水是理想的熱源。如地下水以及江河湖海的地表水在一年內(nèi)溫度變化較小，都是可作為熱源的水源，而且用水作為熱源也不存在蒸發(fā)器表面結霜的問題。但是用水作為熱源時，水系統(tǒng)比較復雜，又需要消耗水泵的功率，如果水質硬度較大，還會造成換熱器表面結垢，使設備的傳熱性能下降，如果水中含氯離子量大，還會造成設備的腐蝕。水源熱泵空調系統(tǒng)包括 【  1  】 ：利用一個循環(huán)水環(huán)路作為加熱源和排熱源的水環(huán)路熱泵系統(tǒng)；利用地下水的地下水源熱泵系統(tǒng)；利用建筑物附近的湖泊、水流或渠道中的地表水的地表水源熱泵系統(tǒng)；使用1個閉式的水或鹽水環(huán)路，包括浸沒在地表水（河、湖或池）中的管道的閉式環(huán)路地表水熱泵系統(tǒng)；將1個閉式的水環(huán)路埋入地下，以土壤作為吸熱源和排熱源的閉式環(huán)路土壤熱泵系統(tǒng)。2 水源熱泵在湖南推廣的可行性分析 2.1 湖南地區(qū)氣候條件 湖南省位于長江中游之南、南嶺以北，處于北緯24°39′～30°08′，東經(jīng)108°47′～114°15′之間，屬亞熱帶季風濕潤氣候。在冬季，常被西伯利亞和蒙古人民共和國一帶南下的冷氣團所控制，北方寒流頻頻南下，且時常出現(xiàn)陰濕天氣，氣候比較濕冷。在夏季，則多為海洋暖濕氣團包圍，溫高濕重，盛夏時高溫酷熱。因此，該地區(qū)在一年中的變化是比較大的，屬于典型的冬冷夏熱地區(qū)。湖南省的年平均氣溫在16～18℃之間，一年之中，1月最冷，月平均氣溫一般為4～7℃，7月最熱，月平均氣溫為27～30℃，氣溫年較差一般大于23℃ 【2  】 。縱觀湖南全年氣候，可歸納其主要特征為：氣候溫暖，四季分明；熱量充足，雨水集中；春溫多變，夏秋多旱；嚴寒期短，暑熱期長。2.2 湖南地區(qū)水資源條件 湖南地區(qū)年平均降水量1200～1700mm，屬多雨地區(qū)，4～9月降水量約占全年的65～70%左右，全年降水日數(shù)為140～180天 【  2  】 。2001年，湘江水年最高水溫為32.5℃（7月31日），最低水溫為6.8℃（1月2日），全年低于7℃的時間只有1天，低于8℃的有7天。2.2.1水資源總量 水資源總量用于評價區(qū)內(nèi)當?shù)亟邓纬傻牡乇?、地下產(chǎn)水總量，不包括過境水量，由地表水資源量、地下水資源量相加扣除重復 計算 量得來。資料顯示，湖南地區(qū)水資源非常豐富。表1 2001年湖南地區(qū)主要河流水資源總量 水資源量：億立方米 河流名稱 年降水量（億m 3 ） 地表水資源量 地下水資源量 重復計算量 總水資源量 產(chǎn)水系數(shù)  湘江 1266.2 737.92 189.00 189.00 737.92 0.58  資水 368.7 222.48 54.65 54.65 222.48 0.60  沅江 635.5 360.00 79.82 79.82 360.00 0.57  澧水 171.7 92.05 22.80 22.80 92.05 0.54  純湖區(qū) 175.7 81.99 18.83 12.23 88.59 0.50  汨羅江 80.3 43.63 7.70 7.70 43.63 0.54  其他 58.0 26.06 5.05 5.05 26.06 0.45  合計 2756.1 1564.13 377.85 371.25 1570.73 0.54     2.2.2 主要河流水質狀況（1） 湘江：II、III類水質河段占評價河長，汛期為70.0%，非汛期為62.7%。主要污染物為總汞、氨氮、總鎘、總砷、石油類、總大腸菌群等。 （2） 資水：II、III類水質河段占評價河長，汛期為51.0%，非汛期為51.0%。主要污染物為氨氮、揮分酚等。（3） 沅江：II、III類水質河段占評價河長，汛期為86.1%，非汛期為83.7%。主要污染物為總汞、揮分酚、氨氮、五日生化需氧量等。（4） 澧水：水質較好，均達到II、III類水質標準。2.3 水源熱泵系統(tǒng)對水源系統(tǒng)的要求 水源系統(tǒng)的水量、水溫、水質和供水穩(wěn)定性是 影響 水源熱泵系統(tǒng)運行效果的重要因素。水源熱泵系統(tǒng)對水源系統(tǒng)的要求是：水量充足、水溫適度、水質適宜、供水穩(wěn)定。具體來說，水源的水量應當充足夠用，能滿足用戶制熱負荷或制冷負荷的要求；水源的水溫適度，適合機組運行工況，根據(jù)美國制冷學會ARI320標準 【  3  】 ，開式系統(tǒng)水源熱泵對水溫的要求是5～38℃，在水溫10～22℃之間運行時能效比較高。3 應用實例分析 3.1 湖南省澧縣某賓館地下水源熱泵系統(tǒng) 3.1.1 項目概況該系統(tǒng)位于湖南省西北部的澧縣，近長江洞庭湖區(qū)，地下水豐富，平均地下水位8m。地質構造為：0～7m為土壤層，8～16m為砂石混合層，17m以下為粘土層。地下水溫度在整個測試期間基本上恒定在18.5℃，且不受運行時間的影響。地質情況為：0～7m是土壤層，8～16m是混合層（自由含水層），17m以下是土壤層。系統(tǒng)由兩臺好特熱泵機組Ⅰ、Ⅱ并聯(lián)運行，其銘牌制熱量分別為100KW、40KW，額定輸入功率為20.1KW、12.6KW，制冷劑均為R22。水源水系統(tǒng)有兩口直徑分別為160cm、140cm的深水井，一供一回，相隔大約30米左右。供回水井處地下水的壓差，用皮托管和微壓計測得為37pa，供水井高于回水井。表2 湖南省澧縣某賓館地下水源熱泵系統(tǒng)所選用機組參數(shù) 機組 型號 制冷量（KW） 制熱量（KW） 蒸發(fā)器水量(m 3 /h) 冷凝器水量(m 3 /h) 壓縮機功率(KW) 參考 制冷面積(m 2 )  機組Ⅰ HTDR-540 42.0 40.5 6 5 12.3 540  機組Ⅱ HTDR-1400 105.8 98.5 12 10 21.6 1400     3.1.2 地下水源熱泵與其他幾種常用供熱方式能量利用系數(shù)比較熱泵雖然有大于1的制熱系數(shù)，但是僅以此來判斷供熱的經(jīng)濟性還是不夠的。在將電動熱泵供暖和其他供暖方式比較時，還應考慮另一個經(jīng)濟指標——能量利用系數(shù)E。能源利用系數(shù)E的定義為，供熱量與消耗的初級能源之比 【  4  】 。它除反映了制熱系數(shù)的高低外，還考慮到熱泵利用一次能源（燃料）的效率，它包括發(fā)電效率和輸電效率。 表3 幾種供熱方式的最大能量利用系數(shù)比較 【  5  】  供暖方式 計算條件 E  電加熱 熱網(wǎng)效率0.98，電廠供電效率0.35 0.34  集中鍋爐 鍋爐效率0.8，熱網(wǎng)效率0.98 0.78  空氣源熱泵 電廠供電效率0.35，熱網(wǎng)效率0.98，熱泵火用效率0.45，熱泵制熱系數(shù)為3.0 1.0  水源熱泵 供電效率0.35，熱網(wǎng)效率0.98，熱泵火用效率0.45，15℃地下水為熱源，熱泵制熱系數(shù)為4.0 1.4     由表3可以看出，在表中所列的幾種供熱方式中，水源熱泵的最大能量利用系數(shù)最高，達1.4，由此可以看出水源熱泵供熱方式最節(jié)能且最為經(jīng)濟。3.2 湖南省湘潭城市中心區(qū)一期工程地表水源熱泵系統(tǒng) 3.2.1 項目概況湘潭城市中心區(qū)水源熱泵系統(tǒng)第一期工程包括市政府大樓、廣電中心、大劇院、地下商城，總建筑面積約75000m 2 。中心區(qū)的湖湘公園將修建總面積為120畝的人工湖，利用該人工湖的湖水作為水源熱泵機組的冬季熱源和夏季冷源。選用湖南凌天 科技 有限公司生產(chǎn)的LD-BL-1000型模塊化地溫中央空調機組15臺；機組總制冷量13410KW，總制熱量15030KW；制冷額定功率2682KW，制熱額定功率3330KW。機房內(nèi)熱泵機組和水泵總的裝機功率約3262KW，如果單獨設置變壓器，所需變壓器容量為4338KVA。表4 湖南省湘潭城市中心區(qū)地表水源熱泵系統(tǒng)第一期工程概況 項目 市政府大樓 廣電中心 大劇院 地下商城 合計  建筑面積（m 2 ） 42000 19000 14000 49500 124500  夏季冷負荷（KW） 3090 2120 3000 8290 16500*0.8＝13200  冬季熱負荷（KW） 2303 1200 850 2880 7233*0.8=5786    注：計算系統(tǒng)總負荷時取四幢建筑的負荷參差系數(shù)為 0.8。  3.2.2 水源系統(tǒng)的具體參數(shù)（1） 水溫湘江水水溫隨季節(jié)、緯度和高度不同而變化。根據(jù)2001年湘江水資源資料顯示，湘潭地區(qū)湘江水冬夏水溫在6.8～32.5℃之間變化，基本上滿足水源熱泵系統(tǒng)對水溫的要求。（2） 水質湘潭地區(qū)夏季制冷時間為7～9月，供暖時間為12月～2月，這段時間內(nèi)湘江水質比較清，含沙量較少。從湘江抽水到沉淀池處理后，再注入人工湖澄清過濾后用于水源熱泵機組供暖或制冷。由于系統(tǒng)設計冷凝壓力為28bar，對應的溫度低于60℃，所以不會結垢。（3） 水流量水源在冬季和夏季真正的需要量，實際上應與系統(tǒng)選擇的機組性能、水溫、建筑物內(nèi)循環(huán)溫度和冷熱負荷以及熱交換器的型式有關。經(jīng) 計算 ，供冷所需水量為712.1t/h，供暖所需水量為558.1t/h?？梢?，夏季供冷所需的流量應是需要水量的最小流量。3.2.3 方案可行性 分析 及可能存在 問題 的解決 方法 如果空調建筑物附近有可利用的海、湖或水池及人工湖，地表水系統(tǒng)可能是最有節(jié)能優(yōu)點而又最 經(jīng)濟 的空調系統(tǒng)。根據(jù)計算分析，湘江引水蓄湖，除極端溫度使水源熱泵能效比降低外，絕大部分時間水源熱泵機組能效比都很高。按最低人工湖容量21萬m 3 的湖水，溫度升高或降低1℃可吸收或排放熱量為244186KW，為該系統(tǒng)每小時制冷量的34倍，供熱量的56倍多。也就是說，熱泵連續(xù)排熱34小時，才使水溫升高1℃；或連續(xù)吸熱56小時，才使水溫降低1℃。可見，蓄水湖有足夠的容量供系統(tǒng)使用。但是，湖水的溫度與湘江的水溫是有差異的，受天氣的 影響 較大，極端情況下，不排除超過界限值，對于超出此值時可以采取如下方案解決：（1） 夏天湖水溫度太高時，可以采用噴泉式的噴淋方法使水在湖中或湖的周邊噴淋，降低水溫，使水溫保持在32℃以下，又能成為一道風景線；（2） 冬季湖水溫度太低時，可以利用連接湘江與蓄水湖的埋地水管作為地熱的提取裝置；同時，夏季湖水溫度太高時，也可以利用該裝置散發(fā)系統(tǒng)冷凝熱；（3） 冬季利用夜間低谷電價加熱蓄水箱中的水，用于白天的湖水加溫后對系統(tǒng)實現(xiàn)供熱。4 結論 湖南冬夏兩季時間占全年的67%，且冬季潮濕陰冷，夏季酷熱高溫；湖南地區(qū)水源有保證且價格低廉，水質也基本符合 應用 水源熱泵機組的要求，由此看來，只要考證水源的可靠性并采取適當措施（如在機組前裝除污器以分離水中的固形雜物；安裝水處理器以軟化水質等進一步改善水質；或者采用中間換熱器），在湖南地區(qū)推廣水源熱泵空調系統(tǒng)完全可行。在湖南地區(qū)使用水源熱泵將大大降低空調采暖的能耗，降低用電高峰期負荷，減少燃煤發(fā)電所排放的污染物，改善大氣環(huán)境和城市生態(tài)環(huán)境，符合當今世界可持續(xù) 發(fā)展 的要求，可以作為湖南地區(qū)冬季供暖夏季制冷的長久良策。本文的分析也可為處理長江流域等冬冷夏熱地區(qū)的建筑環(huán)境及建筑節(jié)能問題提供借鑒。參考  文獻  [1] 蔣能照等. 空調用熱泵技術及應用. 北京：機械 工業(yè) 出版社，1997[2] 湖南省氣象局. 湖南氣候. 長沙：湖南 科學 技術出版社，1979[3] Stephen P. Kavanaugh, Kevin Rafferty. Ground-source Heat Pump-Design of Geothermal Systems for Commercial and Institutional Buildings. Atlanta. Ca: ASHRAE., 1997[4] 徐邦裕，陸亞俊，馬最良. 熱泵. 北京： 中國 建筑工業(yè)出版社，1988[5] 涂鋒華等. 節(jié)能技術，2001，5：33～35