水源熱泵技術在給水工程中的應用

孫 鵬

水源熱泵系統是一種利用地下淺層的可再生地熱資源或污水廢熱資源,通過消耗少量的高品位能源(如電能),將低位熱源的低品位能轉換為高品位能,以實現建筑供熱或制冷的高效節能系統。由于利用了低位熱源中的能量,從而達到了節省高品位能的效果。水源熱泵的工作過程遵循逆卡諾循環原理,即從外部供給熱泵較少的耗功,同時從低溫環境中吸收大量的低溫熱能,熱泵就可以輸出溫度高得多的熱能,并送到高溫環境中去,從而達到將不能直接利用的低溫熱能回收利用起來。現有水源熱泵技術是利用地表水、地下水和污水水溫相對穩定的特性,通過消耗電能,在冬季把低位熱源中的熱量轉移到需要供熱或加溫的地方,在夏天將室內的余熱轉移到低位熱源中,達到降溫或制冷的目的。水源熱泵不需要人工的冷熱源,可以取代鍋爐或市政管網等傳統的供暖方式和中央空調系統。

當今世界,油、電、煤、氣的價格不斷攀升,能源短缺成了擺在全人類面前的難題。我國作為一個能源基礎并不雄厚的發展中國家,以可持續發展為目標,制定了節約資源基本國策。2005年2月28日第十屆全國人民代表大會常務委員會第十四次會議通過了《中華人民共和國可再生能源法》,明確將太陽能、地熱能、風能等可再生能源的開發作為國家增加能源供應,改善能源結構,

保障能源安全,保護環境,實現經濟社會可持續發展的重要舉措。水源熱泵技術作為開發地熱能的重要途徑在我國東北、華北、華東地區得到了廣泛的應用。

山西省作為我國主要的能源重化工基地,為國家的快速發展做出了巨大的貢獻,但是同時也形成了大量的污染物,嚴重影響了本省乃至國內、國際周邊地區的環境。自2006年始,我省境內也陸續建成了一批利用地下水低溫熱能和污水廢熱能的水源熱泵中央空調項目,在建筑節能領域應用了水源熱泵技術,實現了可再生能源(熱泵技術)應用方面的突破。但多以零星單個項目出現,難以形成規模化和區域化,對改善山西省建筑節能的嚴峻狀況作用不大,推廣形式仍不樂觀。

由于山西省水資源匱乏,推廣水源熱泵技術的自然條件與華北、東北推廣較好的省份相比并不占優勢,同時水源熱泵項目開展的時間也較晚,要想在較短的時間內趕上東部省市的發展水平,在綠色節能可持續發展的新一輪競爭中不被甩在后面就必須走一條不同于以往的、更適合我省自身特點的發展道路。利用城市自來水推廣水源熱泵技術,建設區域集中供熱站(或供冷站),實現大面積區域集中供熱(制冷)不失為一條快速推廣水源熱泵可再生能源技術,解決建筑節能減排問題的新思路、新方法。

山西省207個飲用水源地共劃分保護區300個,其中地表水源地保護區26個;地下水源地保護區274個。雖然“引黃入晉”工程已經投入使用,但是在較長的一段時間內,地下水依舊是山西人民最為安全、可靠、便捷的飲用水源。

作為城市自來水供給的深層地下水,水量充沛、較之各項目自行開采的淺層地下水保證率高,不必擔心水量衰減的問題;同時為了保證水質的優良,深層地下水井的取水點均在數百米甚至千米以下,水溫較高,通常均在20℃以上,比深僅100 m左右的淺層地下水水溫通常高10℃以上,用于采暖取熱時效率更高。所以,深層地下水是優良的水源熱泵冷熱源,我省具備在擁有深層地下水井的各城鎮推廣自來水水源熱泵技術,促進建筑節能工作大范圍開展的條件。

在山西推行自來水水源熱泵系統可以將建設主體由各開發商變為各城市自來水公司,利用既有的深層地下水井,減少了對本已脆弱的地下水資源的開采,避免了地下水回灌對原有地下水環境的影響,節省了取水工程的建設投資;將水源熱泵熱力站由中小型自用熱力站改為大型市政集中供熱站,總體上節省了水源熱泵項目的建設投資,提高了水源熱泵系統的運行效率;降低了供暖、制冷用戶采用可再生能源——地熱能的難度;降低了綠色節能技術普及的難度,可以大量減少建筑物對環境排放的溫室氣體和有害氣體。

某市自來水廠采用400 m以下深層地下水作為城區自來水源,現日供水2萬t。為減少城市污染物排放,自來水廠進行了水源熱泵城市集中供熱系統改造。選用3臺大型水源熱泵機組,總制熱量達5 940 kW。

改造工程充分利用自來水廠既有設施,節約改造成本。將8 000 m3儲水池作為水源熱泵系統備用水池,當供水量低于熱泵機組最小進水量時,自動對機組進水量進行補充。將熱源水循環泵設置在自來水加壓泵房內,其進水管與自來水加壓水泵進水總管連接,并直接從吸水井中抽取自來水向水源熱泵機組供水。經水源熱泵機組取完熱的自來水經熱源水回水管流入蓄水池進水總管,并進入蓄水池。

水源熱泵系統僅對自來水進行取熱,不改變自來水供水水量,不會影響城市供水安全。為了加強對自來水水質的保護,熱源水循環泵供給的自來水不直接進入水源熱泵機組,而是在水源熱泵機組進水端增設的板式換熱器中與水源熱泵機組二次換熱水進行熱交換,換熱后的自來水流回自來水蓄水池。自來水與熱泵機組不發生直接接觸,杜絕了污染自來水的可能。

水源熱泵采暖系統改造工程投資約650萬元,可以獲得國家專項補貼約420萬元。系統運行費用約為1.9元/(月?m2),遠遠低于傳統集中供熱收費標準,可以為自來水公司每年創收100余萬元,水源熱泵采暖系統改造工程投資可在3年內收回。

系統投入使用后,可以解決周邊12萬m2以上建筑的供暖問題,與傳統鍋爐采暖系統相比節約一次能源3.55×1010kJ,可減少燃煤消耗1 212 t,減少CO2排放3 175 t,減少SO2排放36 t,減少粉塵排放8.5 t。

2010年山西省各市及縣城規劃總人口為1 500.8萬人,用水量為18.4億m3。按地下水供水比重60%計算(絕大部分地區地下水供水比重均大于60%),深層地下水開采量約為11億m3,每日采深層地下水約300萬t。全省每日用于飲用的深層地下水可滿足1 800萬m2以上建筑的冬季采暖需求。全年可節約標煤181 800 t,減少CO2排放476 250 t,減少SO2排放5 400 t,減少粉塵排放1 275 t。因此利用城市自來水推廣水源熱泵技術適合山

西實際情況,尤其在充分利用我省有限的地下水資源所蘊藏的低溫熱能方面前景廣闊。

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