燃氣冷熱電三聯(lián)供技術(shù)與地源熱泵技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用

楊松

(華電分布式能源工程技術(shù)有限公司，北京　100160)

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燃氣冷熱電三聯(lián)供技術(shù)與地源熱泵技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用

楊松

(華電分布式能源工程技術(shù)有限公司，北京100160)

介紹了燃氣冷熱電三聯(lián)供技術(shù)和地源熱泵技術(shù)的特點，分析了兩項技術(shù)相結(jié)合的優(yōu)勢。以北方地區(qū)某項目為例，在分析負荷的基礎(chǔ)上給出了項目的配置方案，通過計算，確定了室外換熱器的設(shè)計參數(shù)。室外換熱器冷熱平衡分析顯示，室外換熱器的冷熱量基本平衡，系統(tǒng)常年運行不會對土壤溫度造成影響，最后總結(jié)了系統(tǒng)應(yīng)用時需注意的問題。

燃氣冷熱電三聯(lián)供技術(shù)；地源熱泵技術(shù)；土壤熱交換器；冷熱量平衡

0　引言

能源供應(yīng)和環(huán)保問題已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟發(fā)展的主要因素，國家為此將實行“保證供應(yīng)、節(jié)能優(yōu)先、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、環(huán)境友好、市場驅(qū)動”的能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。燃氣冷熱電三聯(lián)供屬于分布式能源，是傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)的一種進化和發(fā)展，是實現(xiàn)節(jié)能減排與能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最有效手段之一，在越來越多的工程中被應(yīng)用[1]。但是，熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)本身也有一定的局限性，比如發(fā)電機在發(fā)電時機組自身產(chǎn)生的廢熱與夏季利用余熱供冷時產(chǎn)生的廢熱都需要向大氣排放，不僅白白浪費了熱量而且增加了用于排放廢熱而消耗的水量，增加了運行費用。

近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者針對這一問題做了大量研究，本文根據(jù)這一問題提出了將燃氣冷熱電三聯(lián)供技術(shù)與地源熱泵技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計，由土壤換熱器儲存三聯(lián)供產(chǎn)生的廢熱，冬季利用地源熱泵技術(shù)將存儲的熱量提取出來為建筑物供暖，即利用了廢熱又節(jié)約了水量。

1　燃氣冷熱電三聯(lián)供技術(shù)與地源熱泵技術(shù)的特點

1.1燃氣冷熱電三聯(lián)供技術(shù)特點

天然氣分布式能源是以天然氣為原料，靠近用戶端直接向用戶提供冷熱電等多種能源產(chǎn)品的終端供能系統(tǒng)。通常以燃氣內(nèi)燃機或燃氣輪機為原動機，發(fā)電就地直接提供給用戶使用，多余電力送入電網(wǎng)。發(fā)電余熱就近提供用戶冷熱、蒸汽、生活熱水等能源產(chǎn)品[2]。

分布式能源技術(shù)的核心是科學(xué)用能，所謂科學(xué)用能，主要包含3個層面，即科學(xué)使用能源、科學(xué)配置能源與科學(xué)管理能源。遵循科學(xué)用能原理，采用各種先進技術(shù)，通過“分配得當(dāng)、各得所需、溫度對口、梯級利用”的方式優(yōu)化配置能源，提高能源綜合利用效率。分布式能源的CO2排放量比傳統(tǒng)供能方式低40%～50%以上，SO2與粉塵排放為零。以內(nèi)燃機為核心的分布式能源系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　以內(nèi)燃機為核心的分布式能源系統(tǒng)

1.2地源熱泵技術(shù)特點

地源熱泵是以地球表面淺層地?zé)豳Y源作為冷熱源，進行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)是把熱交換器埋于地下，水在由高強度塑料管(PE管)組成的封閉環(huán)路中循環(huán)流動，實現(xiàn)與大地土壤進行冷熱交換的目的。夏季通過機組將房間內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下，對房間進行降溫，同時儲存熱量，以備冬用；冬季通過熱泵將土壤中的熱量轉(zhuǎn)移到房間，對房間進行供暖，同時儲存冷量，以備夏用。大地土壤提供了一個很好的免費能量存貯源泉，這樣就實現(xiàn)了能量的季節(jié)轉(zhuǎn)換。地源熱泵系統(tǒng)比常規(guī)系統(tǒng)更加節(jié)能，比空氣源熱泵節(jié)能40%以上，比電采熱節(jié)能70%以上[4]。地源熱泵系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　地源熱泵系統(tǒng)

地源熱泵系統(tǒng)的主要優(yōu)點是節(jié)能、環(huán)保，但在適用范圍上有一定的局限性，要求系統(tǒng)全年冷、熱負荷基本平衡，存在土壤溫度場恢復(fù)問題[5]。在地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)中，很多情況下地埋管換熱器全年的冷、熱負荷是不平衡的，例如我國南方地區(qū)夏季熱負荷比冬季冷負荷大很多，而北方地區(qū)夏季熱負荷比冬季冷負荷小很多。在這種情況下，一年的運行周期內(nèi)必須有合適的冷量或熱量對土壤換熱器進行補充。而分布式能源產(chǎn)生的廢熱正好彌補了地源熱泵系統(tǒng)在北方地區(qū)應(yīng)用的不足。

三聯(lián)供+地源熱泵與三聯(lián)供+常規(guī)系統(tǒng)的對比見表1。

表1　三聯(lián)供+地源熱泵與三聯(lián)供+常規(guī)系統(tǒng)的對比

2　工程概況

北方地區(qū)某項目總建筑面積為20萬m2，其中商業(yè)區(qū)建筑面積為6萬m2，居住區(qū)建筑面積為14萬m2，計劃利用燃氣三聯(lián)供配合地源熱泵技術(shù)為整個項目供應(yīng)冷、熱、電。供能體系規(guī)劃為：能源站負責(zé)整個項目的電力需求，電力不足時引入外網(wǎng)，余熱溴化鋰系統(tǒng)夏季產(chǎn)生的冷負荷供應(yīng)6萬m2的商業(yè)區(qū)，冬季產(chǎn)生的熱負荷供應(yīng)6萬m2的商業(yè)區(qū)和14萬m2的住宅區(qū)，熱負荷不足時由地源熱泵系統(tǒng)補充；余熱系統(tǒng)取消冷卻塔，夏季排放的廢熱由土壤換熱器吸收儲存，供冬季熱泵使用；居住區(qū)建筑夏季的冷負荷由其自行解決；項目冬夏季的生活熱水需求優(yōu)先使用尾部煙氣的熱量，不足部分由地源熱泵補充，過渡季由地源熱泵提供。項目負荷分析見表2。

表2　項目負荷分析

3　設(shè)計原理及裝機方案

項目設(shè)計原理如圖3所示。根據(jù)項目的負荷分析和實際情況，配置方案如下：采用2臺燃氣內(nèi)燃機(單臺發(fā)電功率2 MW)+2臺熱水煙氣型溴化鋰機組(單臺制冷功率1 977 kW，制熱功率1 790 kW)+3臺地源熱泵機組(單臺制熱功率2 100 kW，單臺制冷功率2 100 kW)，總裝機容量為4 MW。

3.1室外換熱器設(shè)計

已知熱水煙氣型溴化鋰機組的制冷性能系數(shù)(COP)為1.41，制熱COP為0.93；地源熱泵機組的制冷COP為6.0，制熱COP為4.5。

(1)夏季散熱部分。夏季溴化鋰機組散熱功率P1=[(1 977÷1.41)+1 977]×2=6 758 (kW)，夏季熱泵機組散熱功率P2=[5 880-(1 977×2)]×[1+(1÷6.0)]=2 247 (kW)。

圖3　燃氣冷熱電三聯(lián)供與地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)原理

夏季散熱總功率Ps=P1+P2=6 758+2 247=9 005 (kW)。

(2)冬季吸熱部分。冬季熱泵供熱功率Pw1=9 800-1 790×2=6 220 (kW)，冬季熱泵吸熱功率Pw2=6 220×[1-(1÷4.5)]=4 837 (kW)。

(3)地埋管換熱量夏季按68 W/m計算，冬季按40 W/m計算。夏季制冷工況所需地埋管換熱器長度為Ps/68=9 005×1 000÷68=132 427 (m)，冬季制熱工況所需地埋管換熱器長度為Pw2/40=4 837×1 000÷40=120 925 (m)，故該系統(tǒng)所需換熱孔的延長米數(shù)為132 427。

按設(shè)計孔深120 m計算，需要1 104個換熱孔，完全可以滿足負荷要求。根據(jù)地質(zhì)條件及可利用埋管面積，選擇豎直埋管布置方式，采用雙U型管，埋管井間距為5 m，地下管路布置成同程式，采用并聯(lián)形式，流量平衡時每個并聯(lián)環(huán)路的換熱量相同，壓降特性有利于提高系統(tǒng)能力。

3.2室外換熱器冷熱平衡分析

(1)夏季運行條件：供冷主機開啟共計100 d，總散熱功率為9 005 kW，綜合平均系數(shù)為0.35，每天運行24 h。則夏季向地下的散熱量Qs=9 005×100×24×3 600×0.35=27 231 (GJ)。

(2)冬季運行條件：供熱主機開啟共計140 d，總吸熱功率為4 837 kW，綜合平均系數(shù)為0.45，每天運行24 h。則冬季向地下的吸熱量Qw=4 837×140×24×3 600×0.40=23 403 (GJ)。

(3)春、秋季運行條件：項目建成后居民區(qū)常住人口約為5 000人，每人每天平均需要生活熱水30 L，春、秋運行時間為180 d，生活熱水由15 ℃提升到50 ℃，水的比熱容為4 180 J/(kg·℃)。則春、秋季向地下的吸熱量Qa=5 000×30×180×4 180×35=3 950 (GJ)。

由以上數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)夏季向地下散熱量比冬季從地下的吸熱量稍多，多出的熱量正好可以用來彌補春秋時節(jié)熱泵提升生活熱水溫度所需的熱量，故而室外換熱器的冷熱量基本平衡，系統(tǒng)常年運行不會對土壤溫度造成影響。

4　結(jié)束語

燃氣冷熱電三聯(lián)供技術(shù)與地源熱泵技術(shù)相結(jié)合，避免了能源的浪費，節(jié)約了水資源，杜絕了冷卻塔的噪聲污染問題，但應(yīng)用時應(yīng)注意以下幾個方面。

(1)為保證地下?lián)Q熱器全年基本的冷熱平衡，此復(fù)合系統(tǒng)適用于熱負荷大而冷負荷小的項目。

(2)從節(jié)省初投資的角度考慮，此復(fù)合系統(tǒng)適用于黏土等較柔軟的地質(zhì)層。

(3)室外換熱器應(yīng)設(shè)置3個或3個以上溫度檢測孔，檢測常年運行工程中土壤的溫度變化。

[1]林世平.燃氣冷熱電分布式能源技術(shù)應(yīng)用手冊[M].北京：中國電力出版社，2014.

[2]楊旭中，唐慧，孫喜春.燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)與運行[M].北京：中國電力出版社，2014.

[3]蔣能照，劉道平.水源·地源·水環(huán)熱泵空調(diào)技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[4]刁乃仁，方肇洪.地埋管地源熱泵技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]徐偉.中國地源熱泵發(fā)展研究報告(2008)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

(本文責(zé)編：劉芳)

2015-11-09；

2016-06-17

國家能源分布式能源技術(shù)研發(fā)中心資助項目(CHDKJ14-01-35)；華電科工科技資助項目(CHEC-KJ-2015)

TU 83

A

1674-1951(2016)07-0067-03

楊松(1986—)，男，河北保定人，助理工程師，從事燃氣分布式能源工程設(shè)計、地源熱泵工程設(shè)計等方面的工作(E-mail:yangsong521@163.com)。