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义乌市地表水地源热泵系统适用性分析

时间:2019-06-05

1、引言


地表水作为热泵冷热源为建筑供暖、供冷和提供生活热水,具有节能、环保及重要的经济价值。20世纪30年代,地表水地源热泵系统问世,是地源热泵中最早使用的热泵系统形式之一,也是所有系统中最为简单、可靠、初投资成本最低的地源热泵系统。地表水地源热泵系统利用包括江水、河水、湖水、海水、工业废水及城市污水作为冷热源,最终为建筑提供热量或冷量的系统。水中所蕴含的热能是典型的可再生能源,因此,地表水地源热泵空调系统也是可再生能源的一种利用方式。


2、地表水地源热泵系统介绍


2.1、地表水地源热泵系统定义


地表水地源热泵系统是地源热泵系统的一种重要形式,是指从地表水—池塘、湖泊、河流以及水库等自然水体中提取能量用于供冷供热的一种技术,它在夏季将建筑物中的热量转移到水源中,由于水源温度低,所以可以高效地带走热量,而冬季,则从水源中提取能量,由热泵原理通过制冷工质提升温度后送到建筑物中。


在夏天,室外气温波动很大,而地表水体的水温相对较低且波动较小,其间的温度差中储藏着巨大的冷能,而在冬天,地表水体的水温又是一个巨大的太阳能集热器,深层的水温较大气温度高和稳定,而热泵系统的使用使得对这些低品位能源的利用成为可能。因此,地表水源热泵是利用可再生能源的一种有效途径,是一种清洁环保的空调冷热源。

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2.2、地表水地源热泵优缺点


地表水地源热泵系统是地源系统的一种应用形式,虽然天然水体是一个巨大的太阳能集热器,收集了大量的太阳能资源,但是地表水和大气的温差较小,如果直接作为空调系统的冷热源几乎没有直接利用的价值,因此需要借用热泵系统,通过少量的高位电能输入,实现低位热能向高位热能的转移。一般来说,只要地表水冬季温度不低于4℃,均可作为低温热源使用。具体来讲地表水源热泵有以下优点:


(1)属于可再生能源利用技术。


(2)高效节能。热泵机组可利用的水体温度冬季为5~10℃,水体温度比环境空气温度高,所以制冷循环的蒸发温度提高,能效比也提高;夏季水体温度为15~25℃,低于环境温度,所以冷凝温度降低,使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式水冷空调系统。


(3)运行稳定可靠。水体一定深度下的温度一年四季相对稳定,波动范围远远小于空气的变动,这一特性使得机组运行更可靠、稳定,也保证了系统的高效性和经济性,不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。


(4)环境效益显著。水源热泵机组可以设置在建筑物的机房内,没有燃烧,没有排烟,没有废弃物。


(5)使用寿命长。水源热泵机组由于工况稳定,所以可以设计简单的系统形式,机组运行简单可靠,维护费用低,自动控制程度高,使用寿命可达到25年以上。


2.3、地表水地源应用条件分析


地表水源热泵空调系统成功与否重点在于水体的温度、水质、水体量能否满足设计使用要求,保证水体能够及时散失掉系统产生的热量,满足水体温度变化要求是主要任务。根据国内外工程经验,需要满足下列条件:


⑴水域表面积较广阔,水体容积量较大,水体利用对周边生态环境影响小;


⑵平均水深在5m以上;


⑶水中易结垢矿物元素含量低,杂质含量少,易处理;


⑷取水单元设置安装比较容易,地表水体较深处离岸边较近。


2.4、地表水地源热泵系统换热方式

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根据传热介质是否与大气相通,地表水源热泵系统可以分为开式系统与闭式系统。开式系统是指在循环泵的驱动下,地表水经过处理直接流经水源热泵机组或者通过中间换热器进行热交换的系统;闭式系统则是将封闭的盘管换热器按照特定的排列方法放入具有一定深度的地表水体中,传热介质(通常为水或以水为主要成分的防冻剂)通过换热器管壁与地表水进行热交换的系统,开式系统的初投资较低,但是,由于地表水的水质比传统空调循环水要差得多,当采用开式地表水源热泵系统时,在水质较差时其换热器中易产生污垢,降低换热效果,严重时甚至会影响系统的正常运行。因此,水源的过滤、清洗与除藻技术是目前开式地表水源热泵系统所面临的主要问题。闭式系统将地表水与管路内的循环水相隔离,保证了管路系统不受地表水水质的影响,防止了管路的阻塞,也省掉了额外的地表水处理过程,应用范围更大。


3、义乌市地表水地源热泵资源调查


义乌市的地表水资源有义乌江、大陈江以及五个中型水库(岩口水库、八都水库、柏峰水库、巧溪水库和长堰水库共计5个)。


义乌江全长39.75公里,境内流域面积812.7km2,东阳江年径流深一般在600mm左右,范围包括东阳江于廿三里街道何宅入义乌市境内,出义亭镇上低田后,与金东区交界处;大陈江江源于巧溪大坞尖,经大陈镇向北出境汇入浦阳江,境内河流长17.5km,宽约60m,流域面积200.1km2。多年平均径流深在600~900mm之间。


在充分收集现有义乌市地表水相关资料的基础上,调查了5个中型以上水库和义乌江、大陈江等较大地表水系中代表性的几个点,进行了水量(或库容量)、水温、水位监测,观察时间不小于1个水文年。


水温测量方法采用A级PT100型铂电阻温度传感器进行测量。


3.1、水温测试点选取


⑴在义乌江、大陈江上共设置长期测温点8处,见表1。但经过调查发现,近些年来义乌江和大陈江水位已经很低,深度很小,一般在1.5m左右,不能满足地表水源热泵系统的水量要求。

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⑵对五个中型水库进行水温测量,每个水库设置了两个测量点,一个点测的深度较深,一个点测的深度较浅。


3.2、测量方法


水温测量采用深水测温仪进行测量,每月测量一次。测量时在测温传感器前端绑上重锤,然后放入水中,测点间距不大于2.0m/点,测温精度为±0.1℃。义乌江和大陈江温度测量主要通过在桥梁上设置固定点进行温度测量。水库中水温测量采用租船或橡皮艇进行水温测量,如果水面流速较大,则采用绳索固定。


3.3、测温基本技术要求


⑴测温仪器在测温前必须进行标定和校正(见浙江省计量科学研究院的标定报告),在恒温水中,用精度为0.10℃的水银温度计作为标准温度读数,在地热测试的整个温度区间上,对PT100温度传感器进行校正,获得传感器校正误差数组,拟合成校正曲线。通过校正,把温度测量的误差控制在±0.1℃以下。


⑵深水测温仪传送数据的导线必须有明显的刻度标记,每米均有明显标记,刻度标记误差小于±1cm,开始测温前对刻度标记进行局部复核,验证刻度标注的准确性。


⑶深水仪测温过程中PT100温度传感器和导线应缓慢平稳下放,尽可能减少水体扰动对测温结果的影响;


⑷温度传感器在测温点的停顿时间不小于2分钟,待温度控制器显示的温度稳定后方能读数,将读数记录在地表水水温记录表中。


3.4、水质要求


义乌江、大陈江各个调查点取水样1件;5个水库上半年和下半年各取水样1件。取水样在进行硫化氢分析时,取水样前需先加入稳定剂,然后及时送至试验室。水质分析要求见表2。


3.5、义乌江、大陈江的水深、水温


通过设置8个点每月的数据观察发现,义乌江、大陈江水深普遍较浅,局部地段水深年变化较大(见图6)。其中DB3点水深只有0.20m,因此未进入统计。

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从下图可以看出,水深最大的DB5点,位于经发大桥附近,平时水深一般为4m左右,枯水期(1—2月份)不到2m,该点的水温变化情况见图7;其余调查点水深一般在1.0~2.0m;其中DB2点(位于大陈春林村)附近水深平时一般在1.0m左右,最浅时几乎没有水。

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总体来看水温变化基本和测温所在季节的气温变化保持同步,变化幅度很大,由于地表水水深很浅,测得垂向上几个点的温度基本一致,且水量不稳定,因此义乌江和大陈江基本不适宜作为地表水源热泵系统的冷热源。


3.6、中型水库


通过对五个中型水库(岩口水库、八都水库、柏峰水库、巧溪水库、长堰水库)一年的调查与观测,八都水库和巧溪水库水位年变化较大(见图8),分别为15.3m和8.19m,柏峰水库年变化为7.3m,其余两个水库变化都小于2.0m。

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水库变化较大的原因和水库的使用功能密切相关,是为了满足下游生活用水的需求,导致用水过多。但由于这两个水库库容很大,尽管水位变化很大,但是对于地表水源热泵来说仍是较好的冷热源。


①不同水库年水温变化规律


水库由于水较深,其水温变化与太阳辐射、所在地段的地理环境有直接的关系,在不同季节、不同地段体现出不同的温度变化特征。


从八都水库与岩口水库的测温曲线可以看出,尽管温度变化拐点深度有较大差别,但水温变化的趋势还是基本一致。在气温相对较高的季节(6、7、8月份)水温随深度变化幅度较大,而在气温较低的月份(1、2、12月份)几乎成一条垂线,形成这种特征的原因是水库容积和水深较深,气温降低后水面的密度随着温度的降低而增大,可以形成对流,使水面下的水温也迅速降低,上下温度趋同;而气温较高时,水面温度升高,密度变小,浮在水面,这时水体不易发生对流换热,只能靠热传导换热,因此较深处的水温变化有较大的滞后性,从而使曲线出现先斜后直的特征。


不同地段水库水温稳定变化深度有较大的差别,如八都水库在30m以下温度变化较变小了,而岩口水库在12m以下温度就变化就很小。造成这种现象的主要原因和水库库底地形地貌、水库使用用途以及水库所处地段的地形地貌相关。


3.7、水质分析


为了保证水源热泵系统的正常运行,对于进入机组的水源有一定的要求,水质直接关系到系统设备的选择和换热效率。对义乌市主要河流、水库进行了系统的取水样分析,各点水样成果见表3,其中每个水库在不同位置取2个水样。

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从下表中可以看出,五个中型水库中的水是完全满足地表水源热泵系统水质的要求,水质条件较好;地表水中DB3点与DB5点水质中H2S含量较高。当水质达不到要求时,应进行水处理。经处理后仍达不到规定时,应在地表水和水源热泵机组之间架设中间换热器。对于腐蚀性及硬度高的水源,应设置抗腐蚀性的不锈钢换热器或钛板换热器。


3.8、地表水可利用量分析


根据《义乌市水资源综合规划》报告,五个中型水库按来水量90%的保证率计算,可供水量按城乡所需的供水量进行统计,平均日供水量详见下表4。

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考虑地表水源热泵系统的实际使用的情况,每个水库可利用的水量取日可供水量的50%。地表水的可利用温差夏季取10℃,冬季取7℃,各水库可利用换热功率见表5,估算夏天可利用的资源量为4.47×104kW,冬天可利用的资源量为3.13×104kW;当取使用系数为0.50,一个制冷季(120天),可以向水体中排放的热量为2.32×1011kJ,折合成7.91×106kg标准煤;一个供暖季(80天)可以从水中提出的热量为1.08×1011kJ,折合成3.69×106kg标准煤。

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3.9、地表水地源热泵工程开发利用对地质环境的影响分析


一般作为地表水地源热泵系统水源的水体都具有一定的流动性,机组所需的水量相对于庞大的自然水体比重较小,因此造成的温度变化不足以引起地表水水温有大的变化。


在义乌可以作为冷热源使用的主要是5个中型水库,系统设计时取水口应远离出水口,且取水口应在出水口上游,目的是避免热交换短路,而且在使用过程中应严格管理防止不必要的污染水体的行为。


总的来说,世界上任何一种新能源开发使用都有其负面影响,浅层地热能开发利用也不例外,因此我们在设计地源热泵系统时一定要科学设计、合理布局,通过技术手段和管理手段来减少由于浅层地热能资源的开发利用对地质环境产生的影响。


4、结语—义乌市地表水地源热泵系统适用性分析


①义乌江和大陈江的水温变化基本和测温所在季节的气温变化保持同步,变化幅度很大,且地表水很浅,因此义乌江和大陈江基本不适宜作为地表水源热泵系统的冷热源。


②五个中型水库的库容量大,满足地表水利用的要求。且在一定深度内,水温在10℃-15℃恒定不变,水温条件适宜。


③五个中型水库中的水是完全满足地表水源热泵系统水质的要求,水质条件较好。


由以上调查分析可知,义乌市五个中型水库在水温,水量以及水质条件等方面均适宜采用采用地表水源热泵系统。