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        地源熱泵在北方采暖系統中的應用

        時間:2019-08-13

        1、引言


        近年來,隨著環保問題的日益突出,尤其是北方城市集中供暖所采用的熱源大多為燃煤熱源,污染嚴重,能源利用率低,所引起的嚴重大氣污染引發社會關注,在這種形式下,各種替代方案應時而出,有“煤改氣”、“煤改電”等等,涉及到的供熱系統有燃氣鍋爐供熱系統、空氣源熱泵供熱系統、地源熱泵供熱系統、中深層地熱供熱系統等等。地源熱泵供熱系統,因其獨特的優勢,在北方城市供暖中占有了一席之地,很多城市在選擇供熱替代方案時,都把地源熱泵放在了首位,或者在優先選擇地源熱泵的情況下,配置其他輔助供熱形成一種綜合能源供應方式,以完成替代傳統的燃煤供暖方式。


        如雄安新區、石家莊、秦皇島、承德、邯鄲等地均大量采用地源熱泵作為主要的供暖熱源或在綜合能源供暖中占有較大比重。隨著地源熱泵在北方城市供暖及其他領域的大量應用,地源熱泵的供水溫度與傳統供暖系統的溫度差異,地下換熱器的設計,地下熱平衡等是近年來地源熱泵應用中的常見問題,我們著重分析該類問題,并結合工程實踐提出相應的解決方法,探討地源熱泵在北方采暖系統中的可行性,以便地源熱泵能夠被廣泛應用,緩解社會的環保壓力。


        2、地源熱泵在北方采暖系統應用中的問題


        2.1、地源熱泵的工作原理


        地源熱泵是一種利用地下淺層地熱資源既能供熱又能制冷的高效節能環保型空調系統。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源(電能),即可實現能量從低溫熱源向高溫熱源的轉移。


        常見的地源熱泵供熱系統的工作原理如下圖所示。

        地源熱泵在北方采暖系統中的應用

        2.2、地源熱泵的供水溫度問題


        常用的熱泵機組一般出水溫度在50℃以下,以45℃/40℃工況居多,這個出水溫度適用于末端為風機盤管、空氣處理機組等形式,用于末端為暖氣片的末端形式則溫度偏低,采暖效果不佳。為了使地源熱泵系統能適應北方采暖的需要,市場上也做出了相應的改變,一方面部分企業已經研制出高溫型地源熱泵主機,并應用于市場,使得在供熱熱源處,就達到原采暖系統的設計要求。另一方面也可調整采暖的末端形式,目前市場上已經有替代暖氣片的末端產品,外形小巧美觀,換熱效率高。


        以秦皇島北戴河大薄荷寨集中供暖站為例,該項目即采用了地源熱泵替代傳統的燃煤燃氣鍋爐供暖。經實際考察了解,該項目供暖建筑面積18萬平方米,供暖負荷為9000kW,目前實際使用的供暖建筑面積約為15萬平方米,供暖負荷約為7500kW。原供暖系統采用兩臺燃煤鍋爐一臺燃氣鍋爐進行集中供暖,末端供回水溫度60℃/45℃,日常供暖時,供水溫度55℃時即能保證效果。


        項目改造為地源熱泵時,采用的是高溫地源熱泵機組,出水溫度可達75℃,采用134a型環保冷媒。系統共設計了10臺制熱量280KW的地源熱泵主機和9臺制熱量800KW的高溫型地源熱泵主機。合計制熱量為10000kW。為充分考慮系統節能及適應原采暖系統的要求,機房系統設計時,采用了兩級加熱的模式,即10臺制熱量280KW地源熱泵作為第一級加熱,將供暖水由45℃加熱到50℃,9臺制熱量800KW高溫型地源熱泵主機作為第二級加熱主機,將供暖水由50℃加熱到60℃。該系統設計方式,即充分考慮了末端采暖管網的特性,又充分發揮了各性能主機的最佳運行效率,同時又節省了水泵的功耗,使得整個系統不僅相對于燃煤燃氣鍋爐系統有較高的節能性,而且相比于普通的地源熱泵系統也有質的提升。


        該項目同時又在積極推進將末端暖氣片系統更換為我們自主研發的送風換熱系統,該公司生產的末端換熱機組,外形小巧美觀,機組尺寸和厚度與原暖氣片基本相當,只需拆下更換即可,采用該設備具有如下優點:


        可以提高換熱效率,可以使房間溫度趨于均勻,避免局部熱局部冷問題。


        可以適當降低供水溫度,提升供熱站的機組運行效率,提高系統的節能性。


        可以實現夏季制冷,充分發揮地源熱泵的系統優勢,對緩解地下熱平衡問題具有巨大促進作用。


        2.3、地下換熱器設計問題


        地下換熱器是地源熱泵系統中非常重要的一個部分,地下換熱器的設計是否合理是地源熱泵項目成敗的關鍵。地下換熱器的場地問題是首當其沖的問題。北方采暖項目中,有不少項目僅僅因為缺少布置地下換熱器的場地而不得不放棄采用地源熱泵采暖方案,著實可惜。


        在地源熱泵采暖系統項目的實施過程中,我們針對地下換熱器布置場地不足問題思考了一些辦法。一是結合規劃,利用公共綠地、景觀用地等布置室外地下換熱器。二是利用周邊建筑的特性,比如學校、醫院等自身有較大的場地空間,利用該類建筑的場地作為地下換熱器的布置場地。


        比如在北戴河大薄荷寨供熱站改造項目中,我們就充分利用了周邊建筑物的特性,選擇在隔壁的海寧路小學操場布置地下換熱器,相距僅20米,利用暑假期間,在一個月內完成鉆孔、下管、回填、橫埋接管、場地恢復等工序,確保了小學的正常教學。


        在設計地下換熱器時,本項目在充分了解當地地質條件的情況下,結合試驗井數據和埋管場地情況,給出了初步設計意見,并逐個校核。


        2.3.1參數設計部分


        在設計地埋管總埋管長度時,依據《地源熱泵系統工程技術規范》GB50366-2005(2009年版)、供熱參數、試驗井換熱數據綜合而得,總埋管長度為126000米。


        在選擇鉆孔深度及埋管方式時,結合我們的成功經驗及場地條件要求,鉆孔深度設計為150米深,埋管方式為雙U型埋管。


        在選擇埋管管徑時,依據《地源熱泵系統工程技術規范》GB50366-2005(2009年版)對換熱流速、雷諾數的要求,選擇de32埋管管徑。


        經以上計算,共設計地埋孔840個,設計深度為150米深,采用雙U型de32埋管方式。


        2.3.2地下換熱器的校核計算部分


        地下換熱器的校核計算,主要為核算管內流速是否滿足規范最低流速要求,流體雷諾數是否滿足規范要求,流體狀態是否確保處于紊流狀態,以保證地下換熱器良好運行。


        流速的校核是依據設計流量、設計管徑,計算得出地下換熱器垂直埋管內的液體流速,該項目的流速計算結果為V=0.53>0.4m/s;


        即:垂直埋管流速滿足規范要求:“為確保系統及時排氣和加強換熱,雙U形埋管不宜小于0.4m/s”


        雷諾數校核是校核管內流體的雷諾數是否確保流體處于紊流狀態,依據雷諾數計算公司Re=pvd/u可計算得出該項目地下換熱器垂直埋管內的流體的雷諾數為Re=9534,即:垂直埋管雷諾數大于2300,避開層流狀態;又大于4000,避開過渡狀態;進入紊流區域。


        滿足規范要求:“雷諾數大于2300以確保紊流”。故雷諾數校核下,地下換熱器設計參數滿足要求。


        解決地下換熱器的設計問題,既要根據項目實際情況,結合規劃等現狀,充分利用有利條件進行布孔,同時在設計完成地下換熱器后,要進行流速和雷諾數校核,以確保換熱效率和滿足規范要求。


        2.4、地下換熱器冷熱不平衡問題


        地源熱泵系統另一個成敗的關鍵是地埋管換熱器散熱量與取熱量的平衡問題,對于北方采暖系統而言,全年只從地下取熱,沒有向地下散熱,理論上講,地源側的溫度會越來越低,直至系統無法運行,這也是阻礙地源熱泵系統在北方采暖系統中推廣的一個重要原因。


        出現熱不平衡的根本原因在于從地下取熱和向地下散熱的差值,超過了地下換熱器的自我恢復能力。


        首先,地下是個恒溫體,適當的從地下取熱或者向地下放熱,對地溫的影響并不大,其自身有較強的自我恢復能力,通過地下水的流動、土壤或巖石之間的傳熱、春夏秋冬四季的變化等會使得地下溫度趨于平衡。


        其次,地下出現熱不平衡,也就是冷堆積或熱堆積的情況,多是在密集打孔區域過度取熱或排熱造成的,北方采暖項目中,如果只有供暖沒有制冷的情況,是較容易出現冷堆積的,在冷堆積的情況下,地溫會逐年遞減,非采暖季的地溫恢復較為有限,地源熱泵的運行效率越來越低,直至系統無法運行。


        經過我們的多年實踐,結合較多成功項目的數據分析,我們找到了對應的解決辦法。


        其一、為避免出現冷堆積,我們在項目實施過程中,充分了解周邊的建筑情況,在集中供暖的情況下,盡量多的為周邊建筑提供夏季供冷功能,即提高了設備的利用率,又提高了地源熱泵系統的能源利用效率,還可以縮短資本投入的回收年限。


        其二、我們還探索了一些地下換熱器綜合利用的方法,與常年需要散熱的建筑配套設施,共同利用地下換熱器,也收到了很好的效果。比如將地源熱泵供熱站與城市數據中心配套建設,冬季供暖季節,地下換熱器主要服務于地源熱泵供暖使用,在夏季和過渡季節時,地下換熱器主要服務于數據中心制冷使用。既可以提高地下換熱器的利用效率,也能提高供暖和制冷的運行效率。


        其三、也可以將地源熱泵供暖站與冷鏈倉庫、大型冷庫等項目配套建設,夏季和過渡季節利用冷庫制冷散熱將熱量蓄存于地下,冬季地源熱泵系統利用地下換熱器取熱來供熱,也是解決熱平衡問題的措施之一。


        其他方式還有利用太陽能集熱裝置收集熱量、利用有較大散熱量要求的企業的廢熱或熱電廠的低溫余熱、平時將熱量蓄存于地下,采暖季節再利用地源熱泵將儲存的熱量取上來供熱;以及利用空氣源熱泵在夏季主動向地下換熱器回灌熱量等措施,在衡量經濟效益的情況,都是可以采取的措施。


        綜上所述,解決地源側熱平衡的問題的重點是因地制宜地利用周邊建筑的制冷供熱情況、周邊可利用的余熱和廢熱資源、主動回灌等方式。只有解決好地源側熱平衡的問題,才能保證地源熱泵供熱系統長期、高效、穩定地運行。


        2.5、經濟性問題


        地源熱泵具有投資高、運行費用低、無污染、零排放等優勢,相比于燃煤燃氣鍋爐具有無法比擬的優勢,我們以實際項目案例為基準計算地源熱泵與燃氣鍋爐的投資及運行費用比較。


        2.5.1計算基準:


        以北戴河大薄荷寨供熱站為例,供熱負荷為7500kW,供熱時間為150天,每天運行24小時;常年使用系數為0.59,平均電價為0.5元/kWh,天然氣熱值為8500kCal/標準立方米,燃氣單價為3.4元/m3。地源熱泵綜合運行能效比為3.3,燃氣鍋爐綜合效率85%。


        2.5.2初投資比較表:

        地源熱泵在北方采暖系統中的應用

        2.5.3運行費用比較:


        地源熱泵系統年運行費用:7500kW/3.3*150天*24小時*0.59*0.5元/KWh=241萬元

        燃氣鍋爐系統年運行費用:7500kw*1000/1.163/8500Cal/m3*150天*24小時*0.59/0.85*3.4元/m3=645萬元


        2.5.4維護費用比較


        地源熱泵年維護費用為:20萬元/年。


        燃氣鍋爐系統年維護費用為:40萬元/年。


        2.5.5經濟比較匯總表:


        即相比燃氣鍋爐系統,地源熱泵初投資費用較高,但運行費用較低,在4~5年內即可收回初投資。此外還要考慮環保效益、社會效益等各種因素,綜合比較。

        地源熱泵在北方采暖系統中的應用

        3、關于國家和各地方政府對地源熱泵的政策扶持


        近年來,國家和各級地方政府相繼出臺了多項扶持政策鼓勵地源熱泵系統的推廣應用。如國家發改委、國家能源局、國土資源部于2017年1月份聯合發布的地熱能開發利用“十三五”規劃國家能源局、財政部、國土資源部、住房和城鄉建設部關于促進地熱能開發利用的指導意見(國能新能〔2013〕48號);國土資源部關于大力推進淺層地熱能開發利用的通知(國土資發(2008)249號)。國家及地方政府的各項扶持政策的出臺,大力推動了地源熱泵在北方采暖系統中的應用,隨著扶持政策力度的加大和各項政策的落實,地源熱泵在采暖系統中的應用必將迎來跨越式發展。


        4、結束語


        綜上所述,地源熱泵作為一種節能環保的新型供暖方式,在北方采暖系統中具有很強的應用性,有利于北方地區霧霾治理和空氣環境的改善。隨著國家和各級地方政府加大對地源熱泵等可再生能源應用的政策扶持力度,地源熱泵系統在北方采暖系統中的應用必將越來越廣泛。

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