水源热泵与未利用能

水源热泵与未利用能

在全国的总能耗中，民生用采暖、空调耗能比例逐年增长。目前，采暖、空调存在能效低、恶化城市大气环境质量等问题，以低温、空调方式，具有耗能少，不污染利用方式，如水源热是一种较理想的采暖、空调方式，具有耗能少，不污染环境等优点，符合可持续发展的要求。中国工程院能源与矿业学部，东北电力集团总工黄其励院士提出了《关于城市小区热、电、冷三联供技术》咨询项目。通过实验论证了以热电厂冷却循环水、矿井水为热源的水源热泵采暖空调系统的可行性，经济性和节能性；提出了发展热、电、冷三联供的咨询报告。
　　一、未利用能及利用方式
　　《未利用能》指的是还没有利用的能，它不等同于余热、废热。表1为未利用能的分类。未利用大至分为自然类和城市基础设施（人工类），若按温度高未利用能的分类表1
　　
　　能源
　　
　　温度分类
　　
　　
　　
　　自然类
　　
　　地热
　　
　　中温-高温
　　
　　温泉
　　
　　中温
　　
　　河水、海水、湖水、地下水
　　
　　低温
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　城市基础设施（人工类）
　　
　　清扫工厂、工业废弃物、下水污泥
　　
　　高温
　　
　　工场、发电厂
　　
　　低温-高温
　　
　　下水、变电站
　　
　　地下送电电缆、地下铁
　　
　　地下室、冷冻仓库、游泳池
　　
　　冰场、公共浴室
　　
　　低温
　　
　　低区分，可分为低温、中温和高温。低温指的是数℃～40℃接近环境温度的热源，可利用的能量是温差显热。中温是从数拾℃的燃烧气体等的热源，可利用发生蒸汽的潜热。图1表示低温热源的利用方式。民用设施上利用低温热能的方式大致分为，（a）热泵，（b)直接利用，采暖、生活热水需要40℃以上温度的热能，因此，必须采用热泵，除使用制冷机（或热泵）制冷之外，直接将冷水流过空气冷盘管也可实现制冷，此时，由于冷却盘管出日空气的温度为16~19℃，因此，可利用的最高温度为15一18℃，它比空调用冷水（5一7℃）高，其除湿能力较小，为了扩大低温热的利范围，在使用热泵的条件下，有时还必须投入补助能源。因此，评价其节能效果时，不仅要了解贮存热量的多少，还应符合热力学第二定律。图2表示直接或间接利用中温热进行采暖、生活热水的方式，制冷使用吸收式制冷机。利用中温热能时，贮热量直接和一次能的减少率相关，因此，仅用热量就进行评价。图3表示垃圾焚烧：热等的高温热能利用方式。即，首先利用高温高压蒸汽发电，然后，直接或间接地利用抽气或排气蒸汽进行采暖、行活热水和空调。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　地球环境问题，城市大气环境污染问题，能源供应不足问题等可持续发展促进了国家和各级政府关心、重视未利用能源的问题。随着经济发展和人民生活水平的提高，民用能源的需求量不断提高，大部分民用能源并不要求高温热源。这就为未利用能源的利用提供了机会。
　　现在，未利用能源的利用是大家经常讨论的课题、国家的有关法律，如节能法都予以支持、鼓励。
　　二、以电厂冷却循环水为热源的水源热泵采暖空调系统。
　　1、水源热泵系统
　　水源热泵是一个双管封闭的水系统，并联连接住宅建筑中每户的热泵机组，从而构成一个中央采暖和空调系统。这个水源热泵系统的理想正常运行温度（指热泵进水温度）为15℃到35℃之间。冬天，如果水源的水温低于15℃时，则必须由辅助和热器向系统加入热量，以维持水温达到最低温度15℃。反之在夏季，当水系统水温升达35℃以上时，多余的热量需要通过排热设施或冷却塔排放到室外。综上所述，水源热泵空调系统一般由开式冷却塔、换热器、双管封闭水系统、热泵、循环和补助热装置等组成。
　　2。电力大厦采用水源热泵空调系统的有利条件及优越性
　　大连发电总公司拟建电力住宅大厦，是由发电总厂、大连电业局、东电二公司和大连电力工业学校四家联合投资共建。占地面积约为2880平方米，距发电总厂约6oo米，地下两层，地上三十层（三层以下是公建，四层以上为住宅）。住宅总建筑面积44000平方米，公建8000平方米，地下部分2000平方米。
　　①有利条件
　　大连地区气象条件：冬季采暖室外计算温度一11℃，采暖期131天，采暖期室外平均温度一14℃。夏季室外空调计算温度28.5℃，空调期约为90天。电力住宅大厦室内气象条件：冬季，室内温度18℃，相对湿度40一50%；夏季，室内温度26℃，相对湿度60一70%。
　　大连第一发电厂循环水温度统计值见表2。从表中可知，冬季以循环水出口水为热泵供水，夏季则以循环水人口为热泵供水一
　　
　　
　　表2大连第一发电厂循环水温度统计值
　　
　　项目
　　
　　1月
　　
　　2月
　　
　　7月
　　
　　8月
　　
　　9月
　　
　　入口水温℃
　　
　　25.7
　　
　　25
　　
　　27.6
　　
　　31.7
　　
　　29.1
　　
　　出口水温℃
　　
　　34.4
　　
　　32.4
　　
　　37.2
　　
　　38.9
　　
　　36.8
　　
　　
　　由于大连发电总厂冷却循环水冬季（11月、12月、1月、2月）水温约25℃，热泵冬季运行时，可以用循环水作热源，水设辅助加热装置；夏季水温约为30℃，低于热泵机组要求的35℃，故夏季运行时，也可以不设冷却塔。
　　②优越性
　　A、可降低供热空调系统初投资。由于系统采用电厂冷凝循环水作为水源热泵的热源，水温在热泵系统需要的正常范围之内，与一般的水源热泵空调系统相比，可不设冷却塔和补助加热装置，初投资约降低10％。
　　B、节约了采暖耗能
　　节能的原因在两方面，一是冬季循环水温约保持在25℃，这样热泵机组的COP值稳定在4．2（当EWT＝25℃时，cop=2.7/0.64=4．2；当EWT=15℃时，cOP=2.2/0.6=3．6）c0P值较高且稳定，说明节能好，二是不需辅助热源，节能量的计算见表3：
　　
　　表3水源热泵与热电联产运行经济性比较
　　
　　方案
　　
　　采暖期需热量
　　
　　（Kwh/m2a）
　　
　　采暖期需热量(Kg标煤/m2a)
　　
　　节煤量
　　
　　(Kg标煤/m2a)
　　
　　水源热泵
　　
　　99.63
　　
　　9.7
　　
　　5.7
　　
　　热电联产
　　
　　99.63
　　
　　15.4
　　
　　
　　
　　
　　
　　电力大厦4．2万m2每年节煤量为239t标煤／a。
　　C、降低运行费用
　　水源热泵运行费用是由热泵机组用电费，循环水系统电费，维修费和管理费组成。其运行费为14元／m2.a，而热电联产每年每m2收18元／m2。因此水源热泵年节约运行费为4元／m2.a，电力大厦年节约运行费16．8元／a。
　　D、占地少，主要表现：不设空调机房，不设竖井，不占居室平面面积。
　　E、安装、维修方便，调节控制简便易行。
　　3、水源热泵模拟运行的测试与分析
　　为考证热泵特性及制热、制冷能否满足需要，大连总厂于98年12月刀日至2月3日和99年7月20日至8月4日在厂内新建综合楼专设热泵试验房间，分别进行了热泵特性模拟试验。对热泵采暖、制冷8项性能指标进行测定。试验房间位于三楼西侧，在容积为6．95x6．35x3.15m2的室内安装了一台HW一123R型水源热泵，循环水热源利用供暖水经表面式加热器换热，使供水度加热至20-23.5℃，以模拟设备冬季运行的实际条件；夏季，有工业水（水温在18℃）作为循环水。热泵由一台流量0．6m3／h循环水泵，保持该水加热系统的运行。冬季采暖期共运行了331小时（最大不间断连续运行72小时），夏季制冷过行72小时。对整套系统进行了全测试，并对测试数据进行分析。
　　测试结果说明：
　　（1）供热能力：计算的试验房间设计热负荷为3057W，试验期间，冬季室温为18℃，夏季
　　室温为26℃，冬季水源热泵COP为4．0。
　　（2)经济性（见表4)
　　（3）节能性（见表4）
　　
　　表4水源热泵的经济性、节能性
　　
　　
　　
　　1Kwh供热量运行费
　　
　　1Kwh供热量耗能
　　
　　水源热泵（供热）
　　
　　0.122元/1Kwh
　　
　　0.105Kg标煤/1Kwh
　　
　　低温循环（供热）
　　
　　0.181元/1Kwh
　　
　　0.154Kg标煤/1Kwh
　　
　　
　　从表4可知，电力大厦采用水热源泵供热后，每1m2每采暖期约节约运行费5元，节标煤5gk。噪音为41～55分贝，室内中间距热泵1．5m处为37-42分贝，均低于住宅建筑设计规范的规定值50分贝。
　　三、以矿井水为热源的水源热泵采暖空调系统
　　充州隆庄矿是我国先进矿区之一，设计年产煤量3m万吨。实际年产煤已提高到500万吨。矿区有丰富的地下水，现建有水井18座，取水量26717,m3／d，水温：冬季15℃，夏天19℃，水质可饮用。矿区的矿井水也十分丰富，水温19℃。现己投资lm万元对矿井水进行水质处理。兴隆矿拟对十八层单身职工公寓和新建三角地住宅小区实施联供方案，由单纯供暖改造成热冷联供。为提高工程的技术经济先进性和运行可靠性，咨询组共提出四个方案进行比较，见表
　　5，比较结果见表6。
　　表5采暖空调方案比较
　　
　　
　　序号
　　
　　方案
　　
　　采暖空调方式
　　
　　备注
　　
　　方案1以地下水为热源的水源热泵（水-空气),冬天：热泵产生热风送至户内夏天：热泵产生冷风送至户内每户设热泵一台将风送至各房间
　　方案2
　　
　　以地下水为热源的水源热泵（水-水）
　　
　　冬天：热泵产生热水送至风机盘管夏天：热泵产生冷水送至风机盘管
　　
　　热冷源集中、每户设风机盘管
　　
　　方案3
　　
　　电制冷+电厂采暖
　　
　　冬天：热电厂蒸汽+汽气换热器夏天：中央空调机送冷水至风机盘管
　　
　　热冷源集中、每户设风机盘管
　　
　　对比方案
　　
　　分体空调+锅炉房采暖
　　
　　冬天：锅炉房（热电厂）供热、户内散热器夏天：每户安装分体空调机
　　
　　热源集中、冷源分散、空调品质较差
　　
　　
　　表6备方案综合比较
　　
　　方案项目
　　
　　单位供热（冷）量的能耗（kg标煤/m2年）
　　
　　单位供热（冷）量的系统投资（万元/kw)
　　
　　单位供热（冷）量设备全年运行费（万/kwh)
　　
　　方案1
　　
　　0.057
　　
　　0.414（进口）
　　
　　0.07
　　
　　方案2
　　
　　0.057
　　
　　0.053（进口）
　　
　　0.415（国产
　　
　　0.07
　　
　　方案3
　　
　　0.133
　　
　　0.421
　　
　　0.12
　　
　　对比方案
　　
　　0.148
　　
　　0.455
　　
　　0.11
　　
　　
　　兴隆矿实施水源热泵采暖空调方式，以方案为最佳。虽然方案：水源热泵（水一空气）和方案2水源热泵（水一水），都是在技术与经济可采用的方案，但方案2中大型热泵是一种集中冷（热）源的方式，目前，国内尚元大型水源热泵厂家，进口设备较贵，而国产水源热泵系列不全，单台容量较小。只能将多台设备集中放置机房时，才能形成中冷（热）源形式，这给安装运行维护均带来不便。采用方案1无论是从单位供热（冷）量所需能耗，还是从投资和运行费上看都具有明显优越性。其中进口热泵机组的价格与方案2中的国产投资相近，但比方案2进口设备造价得多，且不要另建机房”因此推荐十八层单身宿舍角地住宅小区采用方案：作为实施方案。至于两个分工程用什么水源作为热泵的冷（热）源，需根据三种水源的施工方便及水量保证情况，灵活选择。目前，业主已按方案1进行设计。
　　四、小结
　　从以上叙述可知，利有用未利用能进行民生用采暖、空调的热源是可行的，与其它采暖、空调方式比较，这种方式具有明显的经济效益、节能效益和环境效益，在有条件的地方，应积极宣传和推广。在表1的未利用能项目中，有许多适合作采暖、空调热源的种类。为此，希望继续开发，在更大的范围内使用未利用能，为空调、采暖、供热的可持续发展作出更大的贡献。
　　本文叙述内容、计算数据可能有误，请批评指正。
　　参考文献
　　1、成田树昭关于寒冷城市未利用能和区域供热的研究
　　2、黄其励等关于城市小区热。电冷三联供技术的研究1”9．12
　　3、大连发电厂综合楼循环水水源泵试验报告1999，9
　　
　　
　　
　　
　　

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