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地源热泵系统工程应用经验分析探讨

时间:2020-07-11

1、引言


到2020年中国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%到45%,随着《中华人民共和国可再生能源法》、《民用建筑节能条例》等一系列法规的出台,政府一方面利用大量补贴、税收优惠政策来刺激清洁能源产业发展;另一方面也通过法规帮助能源公司购买使用可再生能源。在这种形式下,地埋管热泵、污水源热泵等可再生能源技术应用的市场发展迅猛。


2、地源热泵系统定义及类别介绍


地源热泵系统是以岩土体、地下水或地表水为低温热源,由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的空调系统。根据地热能交换形式的不同,地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。


2.1浅层地下水源热泵系统


一般将埋藏较浅、由潜水及与潜水有水力联系的微承压水组成的地下水称为浅层地下水。地下水的温度受外界环境影响小,温度稳定,故在地下水资源量充足的地区,地下水是一种理想的热源。地下水水源热泵系统即是以地下水作为热源的一种水-水或者水-空气空调装置,它在制热工况时以水作为热源,在制冷工况时以水作为排热源。系统通过在建筑物附近修建的热源井,将浅层地下水汲出,通过水源热泵机组中提取其中的热量用于供热(或向其中排放热量用于制冷),然后再将其回灌至地下。


2.2地埋管热泵系统


水平埋管应占地面积大,受气候影响大等缺点,目前应用较少,竖直埋管因其占地少,工作性能稳定等优点,已经成为工程应用中的主导形式。与浅层地下水源热泵系统相比,地埋管系统有以下特点:


1)不依赖地下水,适应区域较广;

2)不抽取地下水,不干扰地下水管理;

3)通过管壁传导换热,由于管内外温差一般不大,因此需要较大的地埋管面积,从而造成系统初投资较大;

4)随着机组负荷的变化,管中水的温度不稳定,造成工况不稳定和热量损失,与地下水换热系统比,在极端天气条件下机组的性能系数较低,运行费用稍高。


2.3污水源热泵系统


城市原生污水作为污水源热泵系统的低温热源,具有以下特点:


(1)夏季温度低于室外温度,冬季高于室外温度,而且在整个供暖季和供冷季,水温波动不大。污水水温与水量、所处地域、污水来源及季节等有关,天津地区一般冬季水温不低于10℃,夏季不超过30℃。


(2)含有大量的热能。据估计,污水含有40%的城市社区废热。用热泵系统回收城市污水中的热能,为热用户供热,既提高了一次能源利用率,又不会带来燃煤排放的气体及固废污染,保护了环境。


3、地源热泵系统工程应用中需要注意的问题


3.1地下水源热泵系统工程应用中出现的问题及应对方针措施(见表一)


3.2地埋管地源热泵系统工程应用中出现的问题及应对方针措施(见表二)


3.3地埋管地源热泵系统设计要点


1、采用地埋管地源热泵系统首先应根据工程场地条件,地质勘察结果,评估埋地管换热系统实施的可行性与经济性。地埋管换热系统勘察应包括以下内容:岩土层的结构及分布、岩土体的热物性参数、岩土体的温度;地下温度、静水位、径流方向、流速、水质及分布;冻土层厚度。


2、地埋管地源热泵系统通过竖直或水平地埋管换热器与岩土体进行热交换,在地下10米以下的土壤温度基本不受外界环境和季节变化而变化,且约高于当年年平均气温2℃。如表三。


3、当应用建筑面积在5000m2以上时,应进行岩土热响应试验,并应利用岩土热响应试验结果进行地埋管换热系统的设计。利用岩土热响应试验进行地埋管换热系统设计,是将岩土综合热物性参数、岩土初始平均温度和空调冷热负荷输入专业软件,在夏季工况和冬季工况下进行动态耦合计算,通过控制地埋管换热器夏季出口最高温度和冬季出口最低温度,进行地埋管换热系统设计。且宜符合下列要求:夏季运行期间,地埋管换热器出口最高温度宜低于33℃;冬季运行期间,不添加防冻剂的地埋管换热器进口最低温度宜高于4℃。


4、地埋管的埋管方式、规格与长度,应根据冷热负荷、占地面积、岩土层结构、岩土体热物性和机组性能等因素确定。


5、应分别按供冷与供热工况进行地埋管换热器的长度计算,当地埋管换热系统最大释热量和最大吸热量相差不大时,宜取其计算长度的较大者作为地埋管换热器的长度;当地埋管系统最大释热量和最大吸热量相差较大时,宜取其计算长度的较小者作为地埋管换热器的长度,通过增加辅助热源、采用热回收机组或增加冷却塔辅助散热的措施来解决。


6、冬季有冻结可能的地区,地埋管应有防冻措施。选择防冻剂时,应同时考虑防冻剂对管件与管件的腐蚀性,防冻剂的安全性、经济性及其换热特性。目前应用较多的防冻剂主要有:

1)盐类溶液:氯化钙和氯化钠水溶液;

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、异丙基、乙醛水溶液;

4)钾盐水溶液:醋酸钾和碳酸钾水溶液。


3.4污水源热泵系统工程应用中需要探讨的问题


“污水”本是生活中的一个通俗概念,一般是指用过的,含有污杂物的废弃水。在学术界和工程界,则还没有关于污水的明确定义。城市污水渠中的原生污水其固体污杂物含量为0.2-0.4%上下,主要成分为烂菜叶、泥沙、粪便、以及少量的塑料片、纱布条、头发丝等。由于污水水质较差,现有技术一般采用中间换热的形式,目前随着对防堵防垢技术的不断深入研究,也开始探讨和试验污水直接进入热泵机组的方式。从表面上看,污水直接进入热泵机组后,省去了中间换热过程,没有中间换热温差损失,可提高机组性能系数,并减少投资。实际上污水直接进入机组的蒸发器或冷凝器时,与干净水相比,由于污水侧污垢系数显著增大,蒸发器或冷凝器的传热效率将会显著降低,综合比较起来,直接进入不一定会提高或显著提高机组的性能系数。现比较如下:


3.4.1系统组成及原理区别


直进式污水源热泵系统主要由污水源热泵机组、污水泵、末端泵、末端补水定压装置、软水器等组成。

间接式污水源热泵系统主要由污水源热泵机组、污水泵、中介水泵、污水专用换热装置、末端泵、末端补水定压装置、中介水补水定压装置、软水器等组成。

间接式污水源热泵系统运行流程图如图五所示。


3.4.2直接式污水源热泵与间接式污水源热泵经济性比较


(1)间接式系统污水换热器为专用污水型耐压畅通型换热装置、B级防腐,而直进式污水源热泵系统要求蒸发器采用防腐材质,铜镍合金、海军铜等。

(2)直进式污水源热泵系统的蒸发器需要经常清洗,为避免冷媒泄露,需要适当增加蒸发器壁厚。

(3)直进式污水源热泵系统蒸发面积增大后,制冷剂充注量也会相应增加。

(4)间接式污水源热泵系统需要增加一套中介水循环水泵。间接式污水源热泵系统中介水泵的运行能耗一般占系统能耗的4%到5%。


因此,综合考虑,直进式污水源热泵系统投入不一定低于间接式污水源热泵系统。一般工程经验表明,直进式污水源热泵系统初投资较间接式污水源热泵系统低10%左右。


3.4.3直接式污水源热泵与间接式污水源热泵运行可靠性比较


表面上看,污水直接进入机组后省去了中间换热过程,可提高机组性能系数,但实际运行中发现,当污水直接进入热泵机组的蒸发器或冷凝器时,与干净水相比,由于污水侧污垢系数显著增大,蒸发器或冷凝器的传热效率将会显著降低,综合比较起来,直接进入不一定会提高或显著提高机组的性能系数。此外运行可靠性分析如下:


(1)对于直进式污水源热泵系统而言,稍有堵塞,污水流量减少,则机组运行工况会很快恶化,而间接式系统至少保证了进入机组蒸发器流量不变,只是中介水温度会降低。


(2)直进式污水源热泵系统在清洗蒸发器时极易发生铜管损坏风险,一旦蒸发器铜管泄露,系统运行就会瘫痪,此外污水中不可避免含有泥砂,避免不了冲刷腐蚀;而间接式污水源热泵系统即使污水换热器泄露也不会对热泵机组造成伤害,因为中介水压力大于污水压力,泄露时污水不易进入中介水系统。


(3)实际运行时,污水水温有一定波动幅度,每相差2-3℃,都会对系统有明显影响,但是采用间接式污水源热泵系统则可适当增大污水专用换热器的换热面积来降低污水温度波动对系统的影响。


(4)当污水温度偏低时,直进式污水源热泵系统会经常发生低温报警而停机或因为低温保护不能正常运行,而间接式污水源热泵系统在极寒天气时可在中介水中加设防冻液,维持系统稳定运行。


3.4.4直接式污水源热泵与间接式污水源热泵比较结果概述


(1)在蒸发器蒸发温度相等时,间接式污水源热泵系统污水换热器的换热面积为热泵机组蒸发器传热面积的3-5倍左右,直进式污水源热泵机组蒸发器传热面积需要比间接式污水源热泵系统蒸发器传热面积增大40%到70%左右。


(2)在污水温度相同的情况下,蒸发器传热面积相等时,直进式污水源热泵系统蒸发温度比间接式污水源热泵系统低3-4℃才能提取相同的热量。


(3)直进式污水源热泵系统污水直接进入热泵机组后,虽然省去了中间换热过程和传热温差损失,但是若要使蒸发器的蒸发温度比间接式系统高1℃,需要增加蒸发器面积50%以上。


(4)直进式污水源热泵系统,由于对热泵机组换热铜管材质及蒸发器面积增大及铜管壁厚增厚等要求,该系统造价并不一定低于间接式热泵机组。在相同的蒸发温度下,间接式污水源热泵系统需要多耗能4%到5%左右。


从现有工程案例来看,在污水量充足的条件下,首先应考虑采用污水源热泵系统为建筑供冷供热。目前该技术在污水处理厂、中水处理厂及与大型污水管网比邻的公共建筑等地有很多应用案例,在污水量不足的情况下,在大型公共建筑中采用复合式地源热泵系统制冷、供暖及制取生活热水符合国家节能环保方面的要求,对于地埋管系统设置有效的监测系统以及后期规范化运行,有利于地源热泵系统的热平衡。通过冷却水回水温度、地埋侧供水温度等数据监测,可改善地埋管换热系统热平衡失调的现象。