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        地源熱泵系統工程應用經驗分析探討

        時間:2020-07-11

        1、引言


        到2020年中國單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%到45%,隨著《中華人民共和國可再生能源法》、《民用建筑節能條例》等一系列法規的出臺,政府一方面利用大量補貼、稅收優惠政策來刺激清潔能源產業發展;另一方面也通過法規幫助能源公司購買使用可再生能源。在這種形式下,地埋管熱泵、污水源熱泵等可再生能源技術應用的市場發展迅猛。


        2、地源熱泵系統定義及類別介紹


        地源熱泵系統是以巖土體、地下水或地表水為低溫熱源,由水源熱泵機組、地熱能交換系統、建筑物內系統組成的空調系統。根據地熱能交換形式的不同,地源熱泵系統分為地埋管地源熱泵系統、地下水地源熱泵系統和地表水地源熱泵系統。


        2.1淺層地下水源熱泵系統


        一般將埋藏較淺、由潛水及與潛水有水力聯系的微承壓水組成的地下水稱為淺層地下水。地下水的溫度受外界環境影響小,溫度穩定,故在地下水資源量充足的地區,地下水是一種理想的熱源。地下水水源熱泵系統即是以地下水作為熱源的一種水-水或者水-空氣空調裝置,它在制熱工況時以水作為熱源,在制冷工況時以水作為排熱源。系統通過在建筑物附近修建的熱源井,將淺層地下水汲出,通過水源熱泵機組中提取其中的熱量用于供熱(或向其中排放熱量用于制冷),然后再將其回灌至地下。


        2.2地埋管熱泵系統


        水平埋管應占地面積大,受氣候影響大等缺點,目前應用較少,豎直埋管因其占地少,工作性能穩定等優點,已經成為工程應用中的主導形式。與淺層地下水源熱泵系統相比,地埋管系統有以下特點:


        1)不依賴地下水,適應區域較廣;

        2)不抽取地下水,不干擾地下水管理;

        3)通過管壁傳導換熱,由于管內外溫差一般不大,因此需要較大的地埋管面積,從而造成系統初投資較大;

        4)隨著機組負荷的變化,管中水的溫度不穩定,造成工況不穩定和熱量損失,與地下水換熱系統比,在極端天氣條件下機組的性能系數較低,運行費用稍高。


        2.3污水源熱泵系統


        城市原生污水作為污水源熱泵系統的低溫熱源,具有以下特點:


        (1)夏季溫度低于室外溫度,冬季高于室外溫度,而且在整個供暖季和供冷季,水溫波動不大。污水水溫與水量、所處地域、污水來源及季節等有關,天津地區一般冬季水溫不低于10℃,夏季不超過30℃。


        (2)含有大量的熱能。據估計,污水含有40%的城市社區廢熱。用熱泵系統回收城市污水中的熱能,為熱用戶供熱,既提高了一次能源利用率,又不會帶來燃煤排放的氣體及固廢污染,保護了環境。


        3、地源熱泵系統工程應用中需要注意的問題


        3.1地下水源熱泵系統工程應用中出現的問題及應對方針措施(見表一)


        3.2地埋管地源熱泵系統工程應用中出現的問題及應對方針措施(見表二)


        3.3地埋管地源熱泵系統設計要點


        1、采用地埋管地源熱泵系統首先應根據工程場地條件,地質勘察結果,評估埋地管換熱系統實施的可行性與經濟性。地埋管換熱系統勘察應包括以下內容:巖土層的結構及分布、巖土體的熱物性參數、巖土體的溫度;地下溫度、靜水位、徑流方向、流速、水質及分布;凍土層厚度。


        2、地埋管地源熱泵系統通過豎直或水平地埋管換熱器與巖土體進行熱交換,在地下10米以下的土壤溫度基本不受外界環境和季節變化而變化,且約高于當年年平均氣溫2℃。如表三。


        3、當應用建筑面積在5000m2以上時,應進行巖土熱響應試驗,并應利用巖土熱響應試驗結果進行地埋管換熱系統的設計。利用巖土熱響應試驗進行地埋管換熱系統設計,是將巖土綜合熱物性參數、巖土初始平均溫度和空調冷熱負荷輸入專業軟件,在夏季工況和冬季工況下進行動態耦合計算,通過控制地埋管換熱器夏季出口最高溫度和冬季出口最低溫度,進行地埋管換熱系統設計。且宜符合下列要求:夏季運行期間,地埋管換熱器出口最高溫度宜低于33℃;冬季運行期間,不添加防凍劑的地埋管換熱器進口最低溫度宜高于4℃。


        4、地埋管的埋管方式、規格與長度,應根據冷熱負荷、占地面積、巖土層結構、巖土體熱物性和機組性能等因素確定。


        5、應分別按供冷與供熱工況進行地埋管換熱器的長度計算,當地埋管換熱系統最大釋熱量和最大吸熱量相差不大時,宜取其計算長度的較大者作為地埋管換熱器的長度;當地埋管系統最大釋熱量和最大吸熱量相差較大時,宜取其計算長度的較小者作為地埋管換熱器的長度,通過增加輔助熱源、采用熱回收機組或增加冷卻塔輔助散熱的措施來解決。


        6、冬季有凍結可能的地區,地埋管應有防凍措施。選擇防凍劑時,應同時考慮防凍劑對管件與管件的腐蝕性,防凍劑的安全性、經濟性及其換熱特性。目前應用較多的防凍劑主要有:

        1)鹽類溶液:氯化鈣和氯化鈉水溶液;

        2)乙二醇水溶液:乙烯基乙二醇和丙烯基乙二醇水溶液;

        3)酒精水溶液:甲醇、異丙基、乙醛水溶液;

        4)鉀鹽水溶液:醋酸鉀和碳酸鉀水溶液。


        3.4污水源熱泵系統工程應用中需要探討的問題


        “污水”本是生活中的一個通俗概念,一般是指用過的,含有污雜物的廢棄水。在學術界和工程界,則還沒有關于污水的明確定義。城市污水渠中的原生污水其固體污雜物含量為0.2-0.4%上下,主要成分為爛菜葉、泥沙、糞便、以及少量的塑料片、紗布條、頭發絲等。由于污水水質較差,現有技術一般采用中間換熱的形式,目前隨著對防堵防垢技術的不斷深入研究,也開始探討和試驗污水直接進入熱泵機組的方式。從表面上看,污水直接進入熱泵機組后,省去了中間換熱過程,沒有中間換熱溫差損失,可提高機組性能系數,并減少投資。實際上污水直接進入機組的蒸發器或冷凝器時,與干凈水相比,由于污水側污垢系數顯著增大,蒸發器或冷凝器的傳熱效率將會顯著降低,綜合比較起來,直接進入不一定會提高或顯著提高機組的性能系數?,F比較如下:


        3.4.1系統組成及原理區別


        直進式污水源熱泵系統主要由污水源熱泵機組、污水泵、末端泵、末端補水定壓裝置、軟水器等組成。

        間接式污水源熱泵系統主要由污水源熱泵機組、污水泵、中介水泵、污水專用換熱裝置、末端泵、末端補水定壓裝置、中介水補水定壓裝置、軟水器等組成。

        間接式污水源熱泵系統運行流程圖如圖五所示。


        3.4.2直接式污水源熱泵與間接式污水源熱泵經濟性比較


        (1)間接式系統污水換熱器為專用污水型耐壓暢通型換熱裝置、B級防腐,而直進式污水源熱泵系統要求蒸發器采用防腐材質,銅鎳合金、海軍銅等。

        (2)直進式污水源熱泵系統的蒸發器需要經常清洗,為避免冷媒泄露,需要適當增加蒸發器壁厚。

        (3)直進式污水源熱泵系統蒸發面積增大后,制冷劑充注量也會相應增加。

        (4)間接式污水源熱泵系統需要增加一套中介水循環水泵。間接式污水源熱泵系統中介水泵的運行能耗一般占系統能耗的4%到5%。


        因此,綜合考慮,直進式污水源熱泵系統投入不一定低于間接式污水源熱泵系統。一般工程經驗表明,直進式污水源熱泵系統初投資較間接式污水源熱泵系統低10%左右。


        3.4.3直接式污水源熱泵與間接式污水源熱泵運行可靠性比較


        表面上看,污水直接進入機組后省去了中間換熱過程,可提高機組性能系數,但實際運行中發現,當污水直接進入熱泵機組的蒸發器或冷凝器時,與干凈水相比,由于污水側污垢系數顯著增大,蒸發器或冷凝器的傳熱效率將會顯著降低,綜合比較起來,直接進入不一定會提高或顯著提高機組的性能系數。此外運行可靠性分析如下:


        (1)對于直進式污水源熱泵系統而言,稍有堵塞,污水流量減少,則機組運行工況會很快惡化,而間接式系統至少保證了進入機組蒸發器流量不變,只是中介水溫度會降低。


        (2)直進式污水源熱泵系統在清洗蒸發器時極易發生銅管損壞風險,一旦蒸發器銅管泄露,系統運行就會癱瘓,此外污水中不可避免含有泥砂,避免不了沖刷腐蝕;而間接式污水源熱泵系統即使污水換熱器泄露也不會對熱泵機組造成傷害,因為中介水壓力大于污水壓力,泄露時污水不易進入中介水系統。


        (3)實際運行時,污水水溫有一定波動幅度,每相差2-3℃,都會對系統有明顯影響,但是采用間接式污水源熱泵系統則可適當增大污水專用換熱器的換熱面積來降低污水溫度波動對系統的影響。


        (4)當污水溫度偏低時,直進式污水源熱泵系統會經常發生低溫報警而停機或因為低溫保護不能正常運行,而間接式污水源熱泵系統在極寒天氣時可在中介水中加設防凍液,維持系統穩定運行。


        3.4.4直接式污水源熱泵與間接式污水源熱泵比較結果概述


        (1)在蒸發器蒸發溫度相等時,間接式污水源熱泵系統污水換熱器的換熱面積為熱泵機組蒸發器傳熱面積的3-5倍左右,直進式污水源熱泵機組蒸發器傳熱面積需要比間接式污水源熱泵系統蒸發器傳熱面積增大40%到70%左右。


        (2)在污水溫度相同的情況下,蒸發器傳熱面積相等時,直進式污水源熱泵系統蒸發溫度比間接式污水源熱泵系統低3-4℃才能提取相同的熱量。


        (3)直進式污水源熱泵系統污水直接進入熱泵機組后,雖然省去了中間換熱過程和傳熱溫差損失,但是若要使蒸發器的蒸發溫度比間接式系統高1℃,需要增加蒸發器面積50%以上。


        (4)直進式污水源熱泵系統,由于對熱泵機組換熱銅管材質及蒸發器面積增大及銅管壁厚增厚等要求,該系統造價并不一定低于間接式熱泵機組。在相同的蒸發溫度下,間接式污水源熱泵系統需要多耗能4%到5%左右。


        從現有工程案例來看,在污水量充足的條件下,首先應考慮采用污水源熱泵系統為建筑供冷供熱。目前該技術在污水處理廠、中水處理廠及與大型污水管網比鄰的公共建筑等地有很多應用案例,在污水量不足的情況下,在大型公共建筑中采用復合式地源熱泵系統制冷、供暖及制取生活熱水符合國家節能環保方面的要求,對于地埋管系統設置有效的監測系統以及后期規范化運行,有利于地源熱泵系統的熱平衡。通過冷卻水回水溫度、地埋側供水溫度等數據監測,可改善地埋管換熱系統熱平衡失調的現象。

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