水源熱泵與未利用能

水源熱泵與未利用能

在全國的總能耗中，民生用采暖、空調耗能比例逐年增長。目前，采暖、空調存在能效低、惡化城市大氣環境質量等問題，以低溫、空調方式，具有耗能少，不污染利用方式，如水源熱是一種較理想的采暖、空調方式，具有耗能少，不污染環境等優點，符合可持續發展的要求。中國工程院能源與礦業學部，東北電力集團總工黃其勵院士提出了《關于城市小區熱、電、冷三聯供技術》咨詢項目。通過實驗論證了以熱電廠冷卻循環水、礦井水為熱源的水源熱泵采暖空調系統的可行性，經濟性和節能性；提出了發展熱、電、冷三聯供的咨詢報告。
　　一、未利用能及利用方式
　　《未利用能》指的是還沒有利用的能，它不等同于余熱、廢熱。表1為未利用能的分類。未利用大至分為自然類和城市基礎設施（人工類），若按溫度高未利用能的分類表1
　　
　　能源
　　
　　溫度分類
　　
　　
　　
　　自然類
　　
　　地熱
　　
　　中溫-高溫
　　
　　溫泉
　　
　　中溫
　　
　　河水、海水、湖水、地下水
　　
　　低溫
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　城市基礎設施（人工類）
　　
　　清掃工廠、工業廢棄物、下水污泥
　　
　　高溫
　　
　　工場、發電廠
　　
　　低溫-高溫
　　
　　下水、變電站
　　
　　地下送電電纜、地下鐵
　　
　　地下室、冷凍倉庫、游泳池
　　
　　冰場、公共浴室
　　
　　低溫
　　
　　低區分，可分為低溫、中溫和高溫。低溫指的是數℃～40℃接近環境溫度的熱源，可利用的能量是溫差顯熱。中溫是從數拾℃的燃燒氣體等的熱源，可利用發生蒸汽的潛熱。圖1表示低溫熱源的利用方式。民用設施上利用低溫熱能的方式大致分為，（a）熱泵，（b)直接利用，采暖、生活熱水需要40℃以上溫度的熱能，因此，必須采用熱泵，除使用制冷機（或熱泵）制冷之外，直接將冷水流過空氣冷盤管也可實現制冷，此時，由于冷卻盤管出日空氣的溫度為16~19℃，因此，可利用的最高溫度為15一18℃，它比空調用冷水（5一7℃）高，其除濕能力較小，為了擴大低溫熱的利范圍，在使用熱泵的條件下，有時還必須投入補助能源。因此，評價其節能效果時，不僅要了解貯存熱量的多少，還應符合熱力學第二定律。圖2表示直接或間接利用中溫熱進行采暖、生活熱水的方式，制冷使用吸收式制冷機。利用中溫熱能時，貯熱量直接和一次能的減少率相關，因此，僅用熱量就進行評價。圖3表示垃圾焚燒：熱等的高溫熱能利用方式。即，首先利用高溫高壓蒸汽發電，然后，直接或間接地利用抽氣或排氣蒸汽進行采暖、行活熱水和空調。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　地球環境問題，城市大氣環境污染問題，能源供應不足問題等可持續發展促進了國家和各級政府關心、重視未利用能源的問題。隨著經濟發展和人民生活水平的提高，民用能源的需求量不斷提高，大部分民用能源并不要求高溫熱源。這就為未利用能源的利用提供了機會。
　　現在，未利用能源的利用是大家經常討論的課題、國家的有關法律，如節能法都予以支持、鼓勵。
　　二、以電廠冷卻循環水為熱源的水源熱泵采暖空調系統。
　　1、水源熱泵系統
　　水源熱泵是一個雙管封閉的水系統，并聯連接住宅建筑中每戶的熱泵機組，從而構成一個中央采暖和空調系統。這個水源熱泵系統的理想正常運行溫度（指熱泵進水溫度）為15℃到35℃之間。冬天，如果水源的水溫低于15℃時，則必須由輔助和熱器向系統加入熱量，以維持水溫達到最低溫度15℃。反之在夏季，當水系統水溫升達35℃以上時，多余的熱量需要通過排熱設施或冷卻塔排放到室外。綜上所述，水源熱泵空調系統一般由開式冷卻塔、換熱器、雙管封閉水系統、熱泵、循環和補助熱裝置等組成。
　　2。電力大廈采用水源熱泵空調系統的有利條件及優越性
　　大連發電總公司擬建電力住宅大廈，是由發電總廠、大連電業局、東電二公司和大連電力工業學校四家聯合投資共建。占地面積約為2880平方米，距發電總廠約6oo米，地下兩層，地上三十層（三層以下是公建，四層以上為住宅）。住宅總建筑面積44000平方米，公建8000平方米，地下部分2000平方米。
　　①有利條件
　　大連地區氣象條件：冬季采暖室外計算溫度一11℃，采暖期131天，采暖期室外平均溫度一14℃。夏季室外空調計算溫度28.5℃，空調期約為90天。電力住宅大廈室內氣象條件：冬季，室內溫度18℃，相對濕度40一50%；夏季，室內溫度26℃，相對濕度60一70%。
　　大連第一發電廠循環水溫度統計值見表2。從表中可知，冬季以循環水出口水為熱泵供水，夏季則以循環水人口為熱泵供水一
　　
　　
　　表2大連第一發電廠循環水溫度統計值
　　
　　項目
　　
　　1月
　　
　　2月
　　
　　7月
　　
　　8月
　　
　　9月
　　
　　入口水溫℃
　　
　　25.7
　　
　　25
　　
　　27.6
　　
　　31.7
　　
　　29.1
　　
　　出口水溫℃
　　
　　34.4
　　
　　32.4
　　
　　37.2
　　
　　38.9
　　
　　36.8
　　
　　
　　由于大連發電總廠冷卻循環水冬季（11月、12月、1月、2月）水溫約25℃，熱泵冬季運行時，可以用循環水作熱源，水設輔助加熱裝置；夏季水溫約為30℃，低于熱泵機組要求的35℃，故夏季運行時，也可以不設冷卻塔。
　　②優越性
　　A、可降低供熱空調系統初投資。由于系統采用電廠冷凝循環水作為水源熱泵的熱源，水溫在熱泵系統需要的正常范圍之內，與一般的水源熱泵空調系統相比，可不設冷卻塔和補助加熱裝置，初投資約降低10％。
　　B、節約了采暖耗能
　　節能的原因在兩方面，一是冬季循環水溫約保持在25℃，這樣熱泵機組的COP值穩定在4．2（當EWT＝25℃時，cop=2.7/0.64=4．2；當EWT=15℃時，cOP=2.2/0.6=3．6）c0P值較高且穩定，說明節能好，二是不需輔助熱源，節能量的計算見表3：
　　
　　表3水源熱泵與熱電聯產運行經濟性比較
　　
　　方案
　　
　　采暖期需熱量
　　
　　（Kwh/m2a）
　　
　　采暖期需熱量(Kg標煤/m2a)
　　
　　節煤量
　　
　　(Kg標煤/m2a)
　　
　　水源熱泵
　　
　　99.63
　　
　　9.7
　　
　　5.7
　　
　　熱電聯產
　　
　　99.63
　　
　　15.4
　　
　　
　　
　　
　　
　　電力大廈4．2萬m2每年節煤量為239t標煤／a。
　　C、降低運行費用
　　水源熱泵運行費用是由熱泵機組用電費，循環水系統電費，維修費和管理費組成。其運行費為14元／m2.a，而熱電聯產每年每m2收18元／m2。因此水源熱泵年節約運行費為4元／m2.a，電力大廈年節約運行費16．8元／a。
　　D、占地少，主要表現：不設空調機房，不設豎井，不占居室平面面積。
　　E、安裝、維修方便，調節控制簡便易行。
　　3、水源熱泵模擬運行的測試與分析
　　為考證熱泵特性及制熱、制冷能否滿足需要，大連總廠于98年12月刀日至2月3日和99年7月20日至8月4日在廠內新建綜合樓專設熱泵試驗房間，分別進行了熱泵特性模擬試驗。對熱泵采暖、制冷8項性能指標進行測定。試驗房間位于三樓西側，在容積為6．95x6．35x3.15m2的室內安裝了一臺HW一123R型水源熱泵，循環水熱源利用供暖水經表面式加熱器換熱，使供水度加熱至20-23.5℃，以模擬設備冬季運行的實際條件；夏季，有工業水（水溫在18℃）作為循環水。熱泵由一臺流量0．6m3／h循環水泵，保持該水加熱系統的運行。冬季采暖期共運行了331小時（最大不間斷連續運行72小時），夏季制冷過行72小時。對整套系統進行了全測試，并對測試數據進行分析。
　　測試結果說明：
　　（1）供熱能力：計算的試驗房間設計熱負荷為3057W，試驗期間，冬季室溫為18℃，夏季
　　室溫為26℃，冬季水源熱泵COP為4．0。
　　（2)經濟性（見表4)
　　（3）節能性（見表4）
　　
　　表4水源熱泵的經濟性、節能性
　　
　　
　　
　　1Kwh供熱量運行費
　　
　　1Kwh供熱量耗能
　　
　　水源熱泵（供熱）
　　
　　0.122元/1Kwh
　　
　　0.105Kg標煤/1Kwh
　　
　　低溫循環（供熱）
　　
　　0.181元/1Kwh
　　
　　0.154Kg標煤/1Kwh
　　
　　
　　從表4可知，電力大廈采用水熱源泵供熱后，每1m2每采暖期約節約運行費5元，節標煤5gk。噪音為41～55分貝，室內中間距熱泵1．5m處為37-42分貝，均低于住宅建筑設計規范的規定值50分貝。
　　三、以礦井水為熱源的水源熱泵采暖空調系統
　　充州隆莊礦是我國先進礦區之一，設計年產煤量3m萬噸。實際年產煤已提高到500萬噸。礦區有豐富的地下水，現建有水井18座，取水量26717,m3／d，水溫：冬季15℃，夏天19℃，水質可飲用。礦區的礦井水也十分豐富，水溫19℃。現己投資lm萬元對礦井水進行水質處理。興隆礦擬對十八層單身職工公寓和新建三角地住宅小區實施聯供方案，由單純供暖改造成熱冷聯供。為提高工程的技術經濟先進性和運行可靠性，咨詢組共提出四個方案進行比較，見表
　　5，比較結果見表6。
　　表5采暖空調方案比較
　　
　　
　　序號
　　
　　方案
　　
　　采暖空調方式
　　
　　備注
　　
　　方案1以地下水為熱源的水源熱泵（水-空氣),冬天：熱泵產生熱風送至戶內夏天：熱泵產生冷風送至戶內每戶設熱泵一臺將風送至各房間
　　方案2
　　
　　以地下水為熱源的水源熱泵（水-水）
　　
　　冬天：熱泵產生熱水送至風機盤管夏天：熱泵產生冷水送至風機盤管
　　
　　熱冷源集中、每戶設風機盤管
　　
　　方案3
　　
　　電制冷+電廠采暖
　　
　　冬天：熱電廠蒸汽+汽氣換熱器夏天：中央空調機送冷水至風機盤管
　　
　　熱冷源集中、每戶設風機盤管
　　
　　對比方案
　　
　　分體空調+鍋爐房采暖
　　
　　冬天：鍋爐房（熱電廠）供熱、戶內散熱器夏天：每戶安裝分體空調機
　　
　　熱源集中、冷源分散、空調品質較差
　　
　　
　　表6備方案綜合比較
　　
　　方案項目
　　
　　單位供熱（冷）量的能耗（kg標煤/m2年）
　　
　　單位供熱（冷）量的系統投資（萬元/kw)
　　
　　單位供熱（冷）量設備全年運行費（萬/kwh)
　　
　　方案1
　　
　　0.057
　　
　　0.414（進口）
　　
　　0.07
　　
　　方案2
　　
　　0.057
　　
　　0.053（進口）
　　
　　0.415（國產
　　
　　0.07
　　
　　方案3
　　
　　0.133
　　
　　0.421
　　
　　0.12
　　
　　對比方案
　　
　　0.148
　　
　　0.455
　　
　　0.11
　　
　　
　　興隆礦實施水源熱泵采暖空調方式，以方案為最佳。雖然方案：水源熱泵（水一空氣）和方案2水源熱泵（水一水），都是在技術與經濟可采用的方案，但方案2中大型熱泵是一種集中冷（熱）源的方式，目前，國內尚元大型水源熱泵廠家，進口設備較貴，而國產水源熱泵系列不全，單臺容量較小。只能將多臺設備集中放置機房時，才能形成中冷（熱）源形式，這給安裝運行維護均帶來不便。采用方案1無論是從單位供熱（冷）量所需能耗，還是從投資和運行費上看都具有明顯優越性。其中進口熱泵機組的價格與方案2中的國產投資相近，但比方案2進口設備造價得多，且不要另建機房”因此推薦十八層單身宿舍角地住宅小區采用方案：作為實施方案。至于兩個分工程用什么水源作為熱泵的冷（熱）源，需根據三種水源的施工方便及水量保證情況，靈活選擇。目前，業主已按方案1進行設計。
　　四、小結
　　從以上敘述可知，利有用未利用能進行民生用采暖、空調的熱源是可行的，與其它采暖、空調方式比較，這種方式具有明顯的經濟效益、節能效益和環境效益，在有條件的地方，應積極宣傳和推廣。在表1的未利用能項目中，有許多適合作采暖、空調熱源的種類。為此，希望繼續開發，在更大的范圍內使用未利用能，為空調、采暖、供熱的可持續發展作出更大的貢獻。
　　本文敘述內容、計算數據可能有誤，請批評指正。
　　參考文獻
　　1、成田樹昭關于寒冷城市未利用能和區域供熱的研究
　　2、黃其勵等關于城市小區熱。電冷三聯供技術的研究1”9．12
　　3、大連發電廠綜合樓循環水水源泵試驗報告1999，9
　　
　　
　　
　　
　　

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