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            貴州巖溶地區地源熱泵系統的應用及前景

            時間:2019-05-31

            1.引言


            隨著人民生活水平的不斷提高,空調成為人們生活、工作等場所中必不可少的配套設施,傳統的空調越來越不能滿足國家“環保節能”的政策要求。研究表明:一般供熱和空調的能耗占社會總能耗的25%~30%,因此,如何減少建筑暖通的能耗對減少總社會能耗起著至關重要的作用。地源熱泵是一種利用地下淺層地熱資源的既可供熱又可制冷的高效節能空調系統,系統通過輸入少量的高品位能源,實現低品位熱能向高品位熱能轉移,減少了一次性礦物能源的消耗,不排放有毒有害氣體。地源熱泵能應用,對經濟社會的可持續發展、能源消費結構的改變和節能減排,具有重要的意義。


            2.地源熱泵主要用途及工作原理


            2.3地源熱泵的主要用途


            地源熱泵系統的能量來源于自然能源。它不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣、是一種理想的“綠色空調”。被認為是目前可使用的對環境最友好和最有效的供熱、供冷系統。該系統適用范圍較廣,可應用在辦公樓、賓館、學校、宿舍、醫院、飯店、商場、別墅、住宅等領域。


            2.2地源熱泵工作原理


            地源熱泵則是利用水與地能(地下水或土壤)進行冷熱交換來作為水源熱泵的冷熱源。


            夏季制冷時,室內的熱量經過熱泵轉移后通過埋地換熱器或回灌井釋放于土壤或地下水中,同時儲存熱量(見圖夏季);地源熱泵制熱模式:冬季制熱時,通過埋地換熱器或抽水井從土壤或地下水中取熱,經熱泵提升后,供給采暖用戶,同時儲存冷量(見圖冬季)。

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            3.地源熱泵在貴州的應用情況


            3.1開發利用現狀


            貴州省地源熱泵的利用始于2002年,主要采用地下水水源熱泵,因政府出臺地下水限制開發政策,2010年終止了地下水水源熱泵工程建設,逐漸興起了土壤源熱泵和地表水源熱泵系統工程,至2015年6月,貴州地源熱泵系統工程共建設39個,總供暖面積為2525051m2,其中地下水源熱泵有22個,土壤源熱泵有17個。


            3.2典型實例—貴州省地質科技園地源熱泵系統工程


            3.2.1工程概況


            貴州省地質科技園地位于貴陽市觀山湖區體育路,園區共九棟建筑,總建筑面積105333.8平方米(地下室及人防工程20498.5平方米,地面建筑84835.30平方米)。夏季空調總冷負荷為3592KW,冬季空調總熱負荷為3926KW,項目總投資為3700萬元。


            3.2.2室外地埋管數量計算


            通過計算冬夏兩季節的冷熱不平衡率為3.5%<15%,地源熱泵系統不需要考慮輔助冷熱源。設置地溫檢測系統,如發現地溫呈現上升或下降趨勢,通過中間熱交換器對地下溫度進行補充。


            采用雙U型豎直埋管,單孔設計深度為100m,鉆孔孔徑150mm,井間距4.2m*4.2m。通過測試每延米井深換熱量推薦值為:夏季取60.5W/m,冬季取50.6W/m。


            夏季換熱延米數為:L=3592kW×1.2÷60.5W/m=71246米


            考慮10%的富余量,項目地埋管系統設計鉆孔個數為784個,此打井數量能夠滿足冬季供熱和夏季供冷所需換熱量要求。


            3.2.3空調水系統


            1)本工程采用地源熱泵空調系統為冷/熱源。冷熱源機房設置在地下室內。地源熱泵機組負荷側夏季供、回水溫度:7/12℃,冬季供回水溫度:45/40℃。地源熱泵機組地源側夏季供、回水溫度:25/30℃;冬季供回水溫度:10/5℃。


            2)空調冷熱水系統采用一次泵變流量,循環水泵與熱泵主機一對一進行配置??照{冷卻水系統(地埋管側)采用一次泵變流量閉式機械循環系統??照{冷凍(熱)水系統與地源側水系統均采用開式膨脹水箱進行定壓。


            3)室外空調冷熱水管網和室外地埋管網系統采用閉式機械循環兩管制。采用閉式機械循環兩管制。


            3.2.4熱泵機房


            熱泵主機根據總熱負荷量選型,機房配置3臺螺桿式地源熱泵主機和4臺循環水泵(見下圖)。單臺熱泵機組額定制冷量為1306.3KW,額定制熱量為1300.8KW,制冷輸入功率200.7KW,制熱輸入功率301.3KW,制冷劑為R134a,無級容量調節,調節范圍為15%-100%。

            貴州巖溶地區地源熱泵系統的應用及前景

            3.2.5經濟效益


            項目建設總費用約為3700萬元,年運行費用為187.78萬元;投投資比傳統中央空調多751.46萬元(增加25.5%),運行費用比傳統中央空調節省157.34萬元(節約45.6%),在不考慮時間價值情況下,投資增量部分通過運行費用的節省4.8年可收回。


            3.2.6環境效益


            貴州省地質科技園地源熱泵中央空調系統的應用,每年可節約原煤2243.21噸,可節約標準煤1602.41噸,減少二氧化硫排放量27.24噸,減少氮氧化物排放量9.61噸,減少二氧化碳排放量3823.36噸,減少懸浮質粉塵排放量12.82噸,減少灰渣排放量224.32噸,以及減排后每年可節省的環境治理費63.28萬元。


            3.3存在問題

            1)貴州淺層地溫能勘查評價滯后:目前貴州僅開展貴陽市淺層地溫能調查與評價工作,其他區域未進行相關的工作;

            2)工程設計不規范:貴州大部分地源熱泵工程,設計前未對區域進行資源的調查評價,僅參照已有地源熱泵工程的經驗進行設計;

            3)缺乏對淺層地熱能開發利用的監測:缺少對地源熱泵系統中溫度、水位、水質等的動態變化的監測,無法評價淺層地熱能開發對地質環境的影響;


            3.4開發利用潛力


            采用加權疊加法計算貴州省冬夏季淺層地溫能可利用資源量換熱功率為2.42×109KW,地表水、地下水和巖土體中蘊含的熱能量為6.45×1013MJ/a,綜合考慮貴州省不同地區的氣候條件略有差異,空調系統夏季運行按,90天,冬季采暖按90天計算,每天運行10小時。供暖期建筑空調負荷采用80w/m2,可為建筑供暖面積3.03×109m2;制冷期建筑空調負荷采用85w/m2,可為建筑制冷面積為2.85×109m2。


            3.5開發利用建議


            1)加強領導、提高認識。淺層地溫能的開發應用涉及諸多行業、部門,加強領導,明確發改、建設、國土、環保和規劃等相關部門的權利和職責,統籌部署,建立有效的政府引導和監管措施。


            2)加強基礎工作。目前貴州省僅開展“貴陽市淺層地溫能調查評價”,其他地區未開展相關調查評價工作,勘查評價滯后一直就是制約淺層地溫能發展的瓶頸;政府應加大對淺層地溫能勘查評價的資金投入,摸清貴州淺層地溫能資源家底,為淺層地溫能的開發利用提供基礎資料。


            3)完善政策支撐體系。應根據相關政策法規和貴州省的具體情況,制定并出臺淺層地溫能開發應用的管理規定和實施辦法,從工程立項、規劃、設計、施工、竣工驗收、運營管理等各個環節進行規范,應出臺鼓勵具備淺層地溫能使用條件的建筑物優先使用淺層地溫能的政策,加大淺層地溫能開發應用技術的推廣。


            4.發展前景


            4.1政策支持


            2006年6月29日,國家財政部、建設部發布相關辦法及通知對地源熱泵供熱制冷技術作為重點領域推廣,并給予專項資金支持;綠色建筑行動方案及地源熱泵系統的相關技術規范,大力推動地源熱泵發展。貴州省政府及相關部門先后印發了“建筑節能管理辦法”、“可再生能源建筑應用專項規劃和工作方案”、“十二五節能減排工作方案”和“綠色建筑行動方案”,以及及各市(州)的綠色行動方案。政府及相關部門都強制和推薦使用可再生能源,特別是土壤源熱泵。


            4.2貴州經濟發展需求


            根據省發改委和省建設廳制定的《貴州省綠色建筑行動實施方案》(2013年)主要目標為城鎮新建建筑嚴格落實強制性節能標準,“十二五”期間,全省完成新建綠色建筑1000萬平方米,2015年20%的新建建筑達綠色建筑標準,2020年力爭實現60%的城鎮新建建筑達綠色建筑標準;“十二五”期間,完成200萬平方米的既有建筑節能改造,實施農村危房改造節能示范5萬套;2015年全省100個示范小城鎮全部達到綠色低碳重點小城鎮標準。由此可見,貴州經濟的發展對淺層地溫能資源的需求十分顯著。


            4.3技術可行


            在國外,1973年世界能源危機的出現,地源熱泵的推廣應用起到了重要的推動作用,掀起了利用地源熱泵對建筑進行冷熱聯供的研究和工程實踐的新一輪高潮,技術逐漸趨于成熟。在我國,地源熱泵的研究起始于20世紀80年代,開始大量應用于工程實踐,地源熱泵技術應用廣泛,國內外已有大量的工程實例。地源熱泵的節能與環保已被世界各國所認可,認為是最具有發展前景的節能系統,同時也是可再生能源的重要利用形式。


            4.4經濟可行


            根據貴州已建設的地源熱泵工程調查顯示,不同功能建筑的負荷及使用時間有差異,導致初投資及運行費用均不同,詳見下表。

            貴州巖溶地區地源熱泵系統的應用及前景

            土壤源熱泵初投資一般為350-450元/m2,水源熱泵300-370元/m2;土壤源熱泵年運行費用為12-37元/m2,水源熱泵運行費用為16-40元/m2。


            1)在初投資方面。地源熱泵系統可以代替原來的鍋爐加制冷機兩套裝置或系統,實現對建筑物的供熱、制冷及提供生活熱水,省去了鍋爐房、冷卻塔和熱水加熱設施而減少初投資,但地源熱泵的鉆井費昂貴,從總休投資來看,地源熱泵系統的初投資比傳統空調系統高20-30%。


            2)運行費用低,運行費用比傳統空調節省40%~60%,3-5年可回收增加的初投資部分。


            4.5發展面臨的問題


            地源熱泵作為一種新型能源利用技術,在熱泵技術的推廣應用中也會面臨以下問題:


            1)暖通空調技術與其它技術的配合:地源熱泵技術是暖通空調技術與水利、地質、鉆井等相結合的綜合技術,需協調配合并做好技術經濟分析。


            2)地源熱泵對環境的影響:目前地下水熱泵的回灌技術不完善,難以達到100%的回灌;土壤源熱泵冬夏兩季的冷熱不平衡,會導致大地環境溫度的上升或下降。


            3)初投資高,尤其是土壤源熱泵:貴州大部分屬于巖溶山區,巖層溶洞裂隙發育,導致地埋管施工費用高,鉆井施工費占整個系統初投資的50%以上。


            5.結論


            地源熱泵技術是一項新型高效清潔環保節能技術,在貴州省起步雖較晚,尤其是土壤源熱泵,開發利用已有十多年時間,建設項目僅39個,發展速度遲緩。應對貴州主要城市進行區域性的淺層地溫能調查評價和建立數據庫,并編制開發利用專項規劃;規范地源熱泵工程的場地勘察、設計和施工,并建立示范性工程;加大對熱物性參數測試和傳熱特性及及運行能效監測方面的研究工作。近年來,國家及省相關部門出臺了推動地源熱泵技術的相關政策,地源熱泵作為清潔的可再生能源利用技術,必將在貴州建筑供暖、制冷和生活熱水得到廣泛的應用。

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