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地源热泵在北方采暖系统中的应用

时间:2019-08-13

1、引言


近年来,随着环保问题的日益突出,尤其是北方城市集中供暖所采用的热源大多为燃煤热源,污染严重,能源利用率低,所引起的严重大气污染引发社会关注,在这种形式下,各种替代方案应时而出,有“煤改气”、“煤改电”等等,涉及到的供热系统有燃气锅炉供热系统、空气源热泵供热系统、地源热泵供热系统、中深层地热供热系统等等。地源热泵供热系统,因其独特的优势,在北方城市供暖中占有了一席之地,很多城市在选择供热替代方案时,都把地源热泵放在了首位,或者在优先选择地源热泵的情况下,配置其他辅助供热形成一种综合能源供应方式,以完成替代传统的燃煤供暖方式。


如雄安新区、石家庄、秦皇岛、承德、邯郸等地均大量采用地源热泵作为主要的供暖热源或在综合能源供暖中占有较大比重。随着地源热泵在北方城市供暖及其他领域的大量应用,地源热泵的供水温度与传统供暖系统的温度差异,地下换热器的设计,地下热平衡等是近年来地源热泵应用中的常见问题,我们着重分析该类问题,并结合工程实践提出相应的解决方法,探讨地源热泵在北方采暖系统中的可行性,以便地源热泵能够被广泛应用,缓解社会的环保压力。


2、地源热泵在北方采暖系统应用中的问题


2.1、地源热泵的工作原理


地源热泵是一种利用地下浅层地热资源既能供热又能制冷的高效节能环保型空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源(电能),即可实现能量从低温热源向高温热源的转移。


常见的地源热泵供热系统的工作原理如下图所示。

地源热泵在北方采暖系统中的应用

2.2、地源热泵的供水温度问题


常用的热泵机组一般出水温度在50℃以下,以45℃/40℃工况居多,这个出水温度适用于末端为风机盘管、空气处理机组等形式,用于末端为暖气片的末端形式则温度偏低,采暖效果不佳。为了使地源热泵系统能适应北方采暖的需要,市场上也做出了相应的改变,一方面部分企业已经研制出高温型地源热泵主机,并应用于市场,使得在供热热源处,就达到原采暖系统的设计要求。另一方面也可调整采暖的末端形式,目前市场上已经有替代暖气片的末端产品,外形小巧美观,换热效率高。


以秦皇岛北戴河大薄荷寨集中供暖站为例,该项目即采用了地源热泵替代传统的燃煤燃气锅炉供暖。经实际考察了解,该项目供暖建筑面积18万平方米,供暖负荷为9000kW,目前实际使用的供暖建筑面积约为15万平方米,供暖负荷约为7500kW。原供暖系统采用两台燃煤锅炉一台燃气锅炉进行集中供暖,末端供回水温度60℃/45℃,日常供暖时,供水温度55℃时即能保证效果。


项目改造为地源热泵时,采用的是高温地源热泵机组,出水温度可达75℃,采用134a型环保冷媒。系统共设计了10台制热量280KW的地源热泵主机和9台制热量800KW的高温型地源热泵主机。合计制热量为10000kW。为充分考虑系统节能及适应原采暖系统的要求,机房系统设计时,采用了两级加热的模式,即10台制热量280KW地源热泵作为第一级加热,将供暖水由45℃加热到50℃,9台制热量800KW高温型地源热泵主机作为第二级加热主机,将供暖水由50℃加热到60℃。该系统设计方式,即充分考虑了末端采暖管网的特性,又充分发挥了各性能主机的最佳运行效率,同时又节省了水泵的功耗,使得整个系统不仅相对于燃煤燃气锅炉系统有较高的节能性,而且相比于普通的地源热泵系统也有质的提升。


该项目同时又在积极推进将末端暖气片系统更换为我们自主研发的送风换热系统,该公司生产的末端换热机组,外形小巧美观,机组尺寸和厚度与原暖气片基本相当,只需拆下更换即可,采用该设备具有如下优点:


可以提高换热效率,可以使房间温度趋于均匀,避免局部热局部冷问题。


可以适当降低供水温度,提升供热站的机组运行效率,提高系统的节能性。


可以实现夏季制冷,充分发挥地源热泵的系统优势,对缓解地下热平衡问题具有巨大促进作用。


2.3、地下换热器设计问题


地下换热器是地源热泵系统中非常重要的一个部分,地下换热器的设计是否合理是地源热泵项目成败的关键。地下换热器的场地问题是首当其冲的问题。北方采暖项目中,有不少项目仅仅因为缺少布置地下换热器的场地而不得不放弃采用地源热泵采暖方案,着实可惜。


在地源热泵采暖系统项目的实施过程中,我们针对地下换热器布置场地不足问题思考了一些办法。一是结合规划,利用公共绿地、景观用地等布置室外地下换热器。二是利用周边建筑的特性,比如学校、医院等自身有较大的场地空间,利用该类建筑的场地作为地下换热器的布置场地。


比如在北戴河大薄荷寨供热站改造项目中,我们就充分利用了周边建筑物的特性,选择在隔壁的海宁路小学操场布置地下换热器,相距仅20米,利用暑假期间,在一个月内完成钻孔、下管、回填、横埋接管、场地恢复等工序,确保了小学的正常教学。


在设计地下换热器时,本项目在充分了解当地地质条件的情况下,结合试验井数据和埋管场地情况,给出了初步设计意见,并逐个校核。


2.3.1参数设计部分


在设计地埋管总埋管长度时,依据《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005(2009年版)、供热参数、试验井换热数据综合而得,总埋管长度为126000米。


在选择钻孔深度及埋管方式时,结合我们的成功经验及场地条件要求,钻孔深度设计为150米深,埋管方式为双U型埋管。


在选择埋管管径时,依据《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005(2009年版)对换热流速、雷诺数的要求,选择de32埋管管径。


经以上计算,共设计地埋孔840个,设计深度为150米深,采用双U型de32埋管方式。


2.3.2地下换热器的校核计算部分


地下换热器的校核计算,主要为核算管内流速是否满足规范最低流速要求,流体雷诺数是否满足规范要求,流体状态是否确保处于紊流状态,以保证地下换热器良好运行。


流速的校核是依据设计流量、设计管径,计算得出地下换热器垂直埋管内的液体流速,该项目的流速计算结果为V=0.53>0.4m/s;


即:垂直埋管流速满足规范要求:“为确保系统及时排气和加强换热,双U形埋管不宜小于0.4m/s”


雷诺数校核是校核管内流体的雷诺数是否确保流体处于紊流状态,依据雷诺数计算公司Re=pvd/u可计算得出该项目地下换热器垂直埋管内的流体的雷诺数为Re=9534,即:垂直埋管雷诺数大于2300,避开层流状态;又大于4000,避开过渡状态;进入紊流区域。


满足规范要求:“雷诺数大于2300以确保紊流”。故雷诺数校核下,地下换热器设计参数满足要求。


解决地下换热器的设计问题,既要根据项目实际情况,结合规划等现状,充分利用有利条件进行布孔,同时在设计完成地下换热器后,要进行流速和雷诺数校核,以确保换热效率和满足规范要求。


2.4、地下换热器冷热不平衡问题


地源热泵系统另一个成败的关键是地埋管换热器散热量与取热量的平衡问题,对于北方采暖系统而言,全年只从地下取热,没有向地下散热,理论上讲,地源侧的温度会越来越低,直至系统无法运行,这也是阻碍地源热泵系统在北方采暖系统中推广的一个重要原因。


出现热不平衡的根本原因在于从地下取热和向地下散热的差值,超过了地下换热器的自我恢复能力。


首先,地下是个恒温体,适当的从地下取热或者向地下放热,对地温的影响并不大,其自身有较强的自我恢复能力,通过地下水的流动、土壤或岩石之间的传热、春夏秋冬四季的变化等会使得地下温度趋于平衡。


其次,地下出现热不平衡,也就是冷堆积或热堆积的情况,多是在密集打孔区域过度取热或排热造成的,北方采暖项目中,如果只有供暖没有制冷的情况,是较容易出现冷堆积的,在冷堆积的情况下,地温会逐年递减,非采暖季的地温恢复较为有限,地源热泵的运行效率越来越低,直至系统无法运行。


经过我们的多年实践,结合较多成功项目的数据分析,我们找到了对应的解决办法。


其一、为避免出现冷堆积,我们在项目实施过程中,充分了解周边的建筑情况,在集中供暖的情况下,尽量多的为周边建筑提供夏季供冷功能,即提高了设备的利用率,又提高了地源热泵系统的能源利用效率,还可以缩短资本投入的回收年限。


其二、我们还探索了一些地下换热器综合利用的方法,与常年需要散热的建筑配套设施,共同利用地下换热器,也收到了很好的效果。比如将地源热泵供热站与城市数据中心配套建设,冬季供暖季节,地下换热器主要服务于地源热泵供暖使用,在夏季和过渡季节时,地下换热器主要服务于数据中心制冷使用。既可以提高地下换热器的利用效率,也能提高供暖和制冷的运行效率。


其三、也可以将地源热泵供暖站与冷链仓库、大型冷库等项目配套建设,夏季和过渡季节利用冷库制冷散热将热量蓄存于地下,冬季地源热泵系统利用地下换热器取热来供热,也是解决热平衡问题的措施之一。


其他方式还有利用太阳能集热装置收集热量、利用有较大散热量要求的企业的废热或热电厂的低温余热、平时将热量蓄存于地下,采暖季节再利用地源热泵将储存的热量取上来供热;以及利用空气源热泵在夏季主动向地下换热器回灌热量等措施,在衡量经济效益的情况,都是可以采取的措施。


综上所述,解决地源侧热平衡的问题的重点是因地制宜地利用周边建筑的制冷供热情况、周边可利用的余热和废热资源、主动回灌等方式。只有解决好地源侧热平衡的问题,才能保证地源热泵供热系统长期、高效、稳定地运行。


2.5、经济性问题


地源热泵具有投资高、运行费用低、无污染、零排放等优势,相比于燃煤燃气锅炉具有无法比拟的优势,我们以实际项目案例为基准计算地源热泵与燃气锅炉的投资及运行费用比较。


2.5.1计算基准:


以北戴河大薄荷寨供热站为例,供热负荷为7500kW,供热时间为150天,每天运行24小时;常年使用系数为0.59,平均电价为0.5元/kWh,天然气热值为8500kCal/标准立方米,燃气单价为3.4元/m3。地源热泵综合运行能效比为3.3,燃气锅炉综合效率85%。


2.5.2初投资比较表:

地源热泵在北方采暖系统中的应用

2.5.3运行费用比较:


地源热泵系统年运行费用:7500kW/3.3*150天*24小时*0.59*0.5元/KWh=241万元

燃气锅炉系统年运行费用:7500kw*1000/1.163/8500Cal/m3*150天*24小时*0.59/0.85*3.4元/m3=645万元


2.5.4维护费用比较


地源热泵年维护费用为:20万元/年。


燃气锅炉系统年维护费用为:40万元/年。


2.5.5经济比较汇总表:


即相比燃气锅炉系统,地源热泵初投资费用较高,但运行费用较低,在4~5年内即可收回初投资。此外还要考虑环保效益、社会效益等各种因素,综合比较。

地源热泵在北方采暖系统中的应用

3、关于国家和各地方政府对地源热泵的政策扶持


近年来,国家和各级地方政府相继出台了多项扶持政策鼓励地源热泵系统的推广应用。如国家发改委、国家能源局、国土资源部于2017年1月份联合发布的地热能开发利用“十三五”规划国家能源局、财政部、国土资源部、住房和城乡建设部关于促进地热能开发利用的指导意见(国能新能〔2013〕48号);国土资源部关于大力推进浅层地热能开发利用的通知(国土资发(2008)249号)。国家及地方政府的各项扶持政策的出台,大力推动了地源热泵在北方采暖系统中的应用,随着扶持政策力度的加大和各项政策的落实,地源热泵在采暖系统中的应用必将迎来跨越式发展。


4、结束语


综上所述,地源热泵作为一种节能环保的新型供暖方式,在北方采暖系统中具有很强的应用性,有利于北方地区雾霾治理和空气环境的改善。随着国家和各级地方政府加大对地源热泵等可再生能源应用的政策扶持力度,地源热泵系统在北方采暖系统中的应用必将越来越广泛。