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北京市延庆区铁炉村地源热泵系统适用性分析

时间:2019-06-05

2003年,北京地区开始实施“煤改电”改造工程,到2015年已经完成了38.45万户的改造,而2016年一年的“煤改电”工作量相当于过去13年“煤改电”完成总量的2/3。随着“煤改电”进程的不断推进,越来越多的农村地区面临着采暖改造,新型清洁能源采暖方式的选择是改造成功与否的关键因素,其中地源热泵系统采暖的适用性见仁见智。地源热泵系统在山区农村的适用性到底如何,文本以2015年实施的延庆大庄科乡铁炉村地源热泵系统集中供暖工程为例进行分析。


一、工程概况及项目背景


为深入推进社会主义新农村建设,延庆区委、区政府、区发改委和区农村工作委员会,为解决大庄科乡铁炉村180户农户现住宅房屋老化,部分农户的住房受到地质灾害威胁,抗震和保温性能差,且存在安全隐患等问题,结合铁炉村冶铁遗迹保护和未来产业发展,启动了安居惠民工程,对铁炉旧村实施了重新规划建设。该项目是大庄科乡铁炉村搬迁、新农村建设采暖热源问题的解决方案。该项目位于北京市延庆区大庄科乡铁炉村,是山区整村搬迁集中使用地源热泵供暖的安居工程。项目总占地面积68632平方米,总建筑面积34400平米,涉及126栋民宅。

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1.1项目改造前情况


改造前,铁炉村采暖方式为各家的家用热水炉,经现场调查,村内共有约50台家用热水炉,燃料主要为煤和柴,用量比例为2.7:1,煤用量约524t/a、柴用量约194t/a。采暖期,热水炉每天运行18小时。燃煤、烧柴排放的污染物主要为TSP、烟尘、SO2、NOx,见表(一)、表(二)。

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1.2.项目改造后目标


铁炉村新农村改造建设的农户住宅在原址之上建成,建筑供暖采用地源热泵系统,替代燃煤燃柴热水炉,室内末端选用地板辐射采暖。充分利用土壤中的低品位热源,采用节能、环保的热泵技术,做到热能综合利用,冬季室内温度可达20℃以上。改造后,力求实现整村无煤化供暖,室内温度舒适宜人,打造成生态、休闲旅游新农村。


二、技术特点


(1)地源热泵技术属可再生能源利用技术,利用地球表面浅层地热资源作为冷热源,进行能量转换的供暖、制冷空调系统。


(2)地源热泵属经济有效的节能技术,COP值达4以上。


(3)地源热泵环境效益显著,运行没有任何污染,可以建造在居民区内,没有燃烧排烟和废弃物,不需要堆放燃料废物的场地。


(4)地源热泵一机多用,应用范围广。地源热泵系统可供暖、制冷,还可供生活热水,一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加制冷机两套装置。


(5)地源热泵系统维护费用低,机械运动部件非常少,所有的部件埋在地下或安装在室内,从而避免了室外的恶劣气候影响,机组紧凑、节省空间,自动控制程度高,可无人值守。


本项目采用节能环保的地源热泵系统供暖,采暖120天,每天24小时,总热负荷2483.18kW。


该项目地下换热器设置391个钻孔,单个钻孔有效深度为120m,地埋管埋深范围内土层原始温度为13.5℃,地埋管钻孔间距为4.5m,孔内采用De32的HDPE管,双U形连接,建设场地地层120m深度范围内的地层岩性为燕山期花岗岩。


三、效果分析


该项目利用浅层地热能,结合热泵技术,实现能量的“转移”,用于室内供能,系统综合制热COP值可达4.3以上,节能效果显著。山区严寒的冬季,居民室内平均温度在20℃以上,运行稳定效果好。


设计方案遵循技术先进、投资省、效率高、经济实用、节省能源,无污染,运行管理简便的原则,将如何降低农村地区农民采暖日常开支问题、延庆地区特殊的气候条件下冬季运行安全问题作为重点。


铁炉村地源热泵系统的供暖运行费用,按照正常的农村居民每度电0.5元计价,而蓄能式电采暖及低温空气源热泵在享受低谷电价0.3元/度的基础上,再由北京市、区两级财政各补贴0.1元/度,补贴用电限额每个采暖季每户不超过1万度。在此基础上进行比较,结果显示,本系统是目前几种“煤改电”技术中运行费用最低的,详见表(三)。

北京市延庆区铁炉村地源热泵系统适用性分析

延庆地处北京北部地区,属大陆季风气候区,位于温带与中温带、半干旱与半湿润的过渡带。


山区年平均气温8.4℃,无霜期185天,昼夜温差大(13.6℃)、光照充足,全年大于等于10℃的有效积温达3394.1℃,且同期降雨相对较少。2016年1月17日至2月8日,我国北部地区出现了40年来连续的低温天气,其中,延庆地区最低温度出现在2016年1月23日,白天室外最高温度为-20℃,夜间温度为-24℃,而铁炉村室内平均温度仍可保证20℃以上。通过对铁炉项目综合气温变化与耗电功率分析,得出本系统受室外气温影响小,环境适应性强,运行稳定,展现了地源热泵的优势与特点。


四、推广应用价值


该项目已于2015-2016年冬季供暖期投入运行。本系统年替代燃煤供热约524吨标准煤,等效减排二氧化碳约1048吨,减少粉尘排放300余吨,二氧化硫约35吨,氮氧化物约18吨。地下换热系统与建筑物同等寿命,热泵主机使用寿命为25年。设备的日常运行为自动状态,日常仅需1名兼职人员维护。


该山区地源热泵系统工程在延庆区铁炉冬季采暖上表现出良好的运行效果,为北京市及京津冀地区尤其京郊山区“煤改清洁能源及“空气清洁计划”做出了有益的探索。


五、结论


延庆大庄科乡铁炉村地源热泵系统集中供暖工程的成功实施为地源热泵系统山区适用性提供了有力的论据,事实证明,山区农村地区使用地源热泵系统不仅节能环保,可有效治理采暖引起的大气环境污染,而且运行费用相对较低,运行效果良好,极大地提升了居民的幸福指数。