水源熱泵技術(shù)在給水工程中的應(yīng)用

孫 鵬

水源熱泵系統(tǒng)是一種利用地下淺層的可再生地?zé)豳Y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(zhuǎn)換為高品位能,以實(shí)現(xiàn)建筑供熱或制冷的高效節(jié)能系統(tǒng)。由于利用了低位熱源中的能量,從而達(dá)到了節(jié)省高品位能的效果。水源熱泵的工作過程遵循逆卡諾循環(huán)原理,即從外部供給熱泵較少的耗功,同時(shí)從低溫環(huán)境中吸收大量的低溫?zé)崮?熱泵就可以輸出溫度高得多的熱能,并送到高溫環(huán)境中去,從而達(dá)到將不能直接利用的低溫?zé)崮芑厥绽闷饋怼，F(xiàn)有水源熱泵技術(shù)是利用地表水、地下水和污水水溫相對(duì)穩(wěn)定的特性,通過消耗電能,在冬季把低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到需要供熱或加溫的地方,在夏天將室內(nèi)的余熱轉(zhuǎn)移到低位熱源中,達(dá)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(wǎng)等傳統(tǒng)的供暖方式和中央空調(diào)系統(tǒng)。

當(dāng)今世界,油、電、煤、氣的價(jià)格不斷攀升,能源短缺成了擺在全人類面前的難題。我國(guó)作為一個(gè)能源基礎(chǔ)并不雄厚的發(fā)展中國(guó)家,以可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo),制定了節(jié)約資源基本國(guó)策。2005年2月28日第十屆全國(guó)人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第十四次會(huì)議通過了《中華人民共和國(guó)可再生能源法》,明確將太陽能、地?zé)崮堋L(fēng)能等可再生能源的開發(fā)作為國(guó)家增加能源供應(yīng),改善能源結(jié)構(gòu),

保障能源安全,保護(hù)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。水源熱泵技術(shù)作為開發(fā)地?zé)崮艿闹匾緩皆谖覈?guó)東北、華北、華東地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。

山西省作為我國(guó)主要的能源重化工基地,為國(guó)家的快速發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn),但是同時(shí)也形成了大量的污染物,嚴(yán)重影響了本省乃至國(guó)內(nèi)、國(guó)際周邊地區(qū)的環(huán)境。自2006年始,我省境內(nèi)也陸續(xù)建成了一批利用地下水低溫?zé)崮芎臀鬯畯U熱能的水源熱泵中央空調(diào)項(xiàng)目,在建筑節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)用了水源熱泵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了可再生能源(熱泵技術(shù))應(yīng)用方面的突破。但多以零星單個(gè)項(xiàng)目出現(xiàn),難以形成規(guī)模化和區(qū)域化,對(duì)改善山西省建筑節(jié)能的嚴(yán)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(shù)的自然條件與華北、東北推廣較好的省份相比并不占優(yōu)勢(shì),同時(shí)水源熱泵項(xiàng)目開展的時(shí)間也較晚,要想在較短的時(shí)間內(nèi)趕上東部省市的發(fā)展水平,在綠色節(jié)能可持續(xù)發(fā)展的新一輪競(jìng)爭(zhēng)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(diǎn)的發(fā)展道路。利用城市自來水推廣水源熱泵技術(shù),建設(shè)區(qū)域集中供熱站(或供冷站),實(shí)現(xiàn)大面積區(qū)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(shù),解決建筑節(jié)能減排問題的新思路、新方法。

山西省207個(gè)飲用水源地共劃分保護(hù)區(qū)300個(gè),其中地表水源地保護(hù)區(qū)26個(gè);地下水源地保護(hù)區(qū)274個(gè)。雖然“引黃入晉”工程已經(jīng)投入使用,但是在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),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(xiàng)目自行開采的淺層地下水保證率高,不必?fù)?dān)心水量衰減的問題;同時(shí)為了保證水質(zhì)的優(yōu)良,深層地下水井的取水點(diǎn)均在數(shù)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(shí)效率更高。所以,深層地下水是優(yōu)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(zhèn)推廣自來水水源熱泵技術(shù),促進(jìn)建筑節(jié)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(tǒng)可以將建設(shè)主體由各開發(fā)商變?yōu)楦鞒鞘凶詠硭?利用既有的深層地下水井,減少了對(duì)本已脆弱的地下水資源的開采,避免了地下水回灌對(duì)原有地下水環(huán)境的影響,節(jié)省了取水工程的建設(shè)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(jié)省了水源熱泵項(xiàng)目的建設(shè)投資,提高了水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率;降低了供暖、制冷用戶采用可再生能源——地?zé)崮艿碾y度;降低了綠色節(jié)能技術(shù)普及的難度,可以大量減少建筑物對(duì)環(huán)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(qū)自來水源,現(xiàn)日供水2萬t。為減少城市污染物排放,自來水廠進(jìn)行了水源熱泵城市集中供熱系統(tǒng)改造。選用3臺(tái)大型水源熱泵機(jī)組,總制熱量達(dá)5 940 kW。

改造工程充分利用自來水廠既有設(shè)施,節(jié)約改造成本。將8 000 m3儲(chǔ)水池作為水源熱泵系統(tǒng)備用水池,當(dāng)供水量低于熱泵機(jī)組最小進(jìn)水量時(shí),自動(dòng)對(duì)機(jī)組進(jìn)水量進(jìn)行補(bǔ)充。將熱源水循環(huán)泵設(shè)置在自來水加壓泵房?jī)?nèi),其進(jìn)水管與自來水加壓水泵進(jìn)水總管連接,并直接從吸水井中抽取自來水向水源熱泵機(jī)組供水。經(jīng)水源熱泵機(jī)組取完熱的自來水經(jīng)熱源水回水管流入蓄水池進(jìn)水總管,并進(jìn)入蓄水池。

水源熱泵系統(tǒng)僅對(duì)自來水進(jìn)行取熱,不改變自來水供水水量,不會(huì)影響城市供水安全。為了加強(qiáng)對(duì)自來水水質(zhì)的保護(hù),熱源水循環(huán)泵供給的自來水不直接進(jìn)入水源熱泵機(jī)組,而是在水源熱泵機(jī)組進(jìn)水端增設(shè)的板式換熱器中與水源熱泵機(jī)組二次換熱水進(jìn)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(jī)組不發(fā)生直接接觸,杜絕了污染自來水的可能。

水源熱泵采暖系統(tǒng)改造工程投資約650萬元,可以獲得國(guó)家專項(xiàng)補(bǔ)貼約420萬元。系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用約為1.9元/(月?m2),遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)集中供熱收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn),可以為自來水公司每年創(chuàng)收100余萬元,水源熱泵采暖系統(tǒng)改造工程投資可在3年內(nèi)收回。

系統(tǒng)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(tǒng)鍋爐采暖系統(tǒng)相比節(jié)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(guī)劃總?cè)丝跒? 500.8萬人,用水量為18.4億m3。按地下水供水比重60%計(jì)算(絕大部分地區(qū)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(jié)約標(biāo)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(shù)適合山

西實(shí)際情況,尤其在充分利用我省有限的地下水資源所蘊(yùn)藏的低溫?zé)崮芊矫媲熬皬V闊。

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