水源熱泵技術(shù)的工程應(yīng)用及探討

袁建一

（重慶華興工程咨詢有限公司，重慶 400010）

引言

能源與人們生活息息相關(guān)，是工農(nóng)業(yè)、國防、科技的物質(zhì)基礎(chǔ)?，F(xiàn)代文明消耗能源的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于能源的再生能力。一次性能源消耗結(jié)構(gòu)中，煤炭占27.5%。天然氣占22.9%，有專家預(yù)言，石油、天然氣資源將在30年，最多50年內(nèi)消耗殆盡。為保證人類能源供應(yīng)的可持續(xù)性，一是大力開發(fā)新能源，二是大力提倡節(jié)約能源（節(jié)能）。在我國，建筑能耗占到能源消耗總量的25%以上，傳統(tǒng)的冷熱空調(diào)系統(tǒng)的能耗占建筑總能耗的50%上下，消耗了不可再生能源并排放了溫室氣體。水源熱泵利用可再生能源，高效節(jié)能，環(huán)保，能減少有害物質(zhì)排放，減輕環(huán)境污染，有利于城市生態(tài)環(huán)境的改善。

水源熱泵技術(shù)是把水作為低溫?zé)嵩?，向供熱房間傳送熱量，像泵那樣把低位熱源的熱能轉(zhuǎn)移到高位熱源，此時我們把整個系統(tǒng)稱為熱泵。熱泵的供熱量永遠(yuǎn)大于消耗的作功量，建立熱泵系統(tǒng)可以更有效地開發(fā)利用新能源、節(jié)約不可再生能源。

我們可以充分利用江河、湖泊、海洋、城市污水等作為冷熱源，建設(shè)水源熱泵能源站，實現(xiàn)城市建筑集中供冷供熱，達(dá)到節(jié)約能源、減少污染的目的。

本文選擇重慶市江北嘴CBD區(qū)域集中供冷供熱2號能源站工程，介紹其技術(shù)原理、設(shè)計工況、主要設(shè)備、工藝流程、系統(tǒng)能耗等，供設(shè)計、研究參考。

1 工程概況

江北嘴CBD區(qū)域江水源熱泵集中供冷供熱工程2號能源站從嘉陵江取水，該系統(tǒng)經(jīng)過引水、沉砂、加藥、滅藻，二次提升至主機(jī)進(jìn)行制冷、制冰或制熱后送至各用戶，供冷供熱面積約185萬m2。其中制冷量308MW，制熱量150MW，制冰量256MWh，這里主要運用了江水源熱泵技術(shù)。

2 水源熱泵工藝流程框圖

2.1 2#能源站系統(tǒng)原理圖（圖1）

圖1 2#能源站系統(tǒng)原理圖

2.2 系統(tǒng)工藝流程示意圖（圖2）

圖2 系統(tǒng)工藝流程示意圖

3 水源熱泵系統(tǒng)的主要設(shè)備

3.1 制冷制熱主機(jī)

配置九臺美國特靈公司（Trane)離心式冷水主機(jī)。其中，三臺為制冷制熱熱泵機(jī)組（編號L-7～9），單臺制冷量7034kW/制熱量7700kW，這三臺主機(jī)兼作供冷基載主機(jī)；兩臺為制冷/制冰/制熱三工況熱泵機(jī)組（編號L-5～6），單臺制冷量7386kW/制冰冷量4580kW/制熱量7867kW；四臺為制冷制冰雙工況機(jī)組(編號L-1～4)，單臺制冷量7386kW/制冰冷量4580kW（其中一期工程完成L-8、L-9兩臺主機(jī)及輔助設(shè)備安裝，已投入運行）。

3.2 換熱設(shè)備

換熱設(shè)備作用:主機(jī)制冷時由蒸發(fā)器輸出乙二醇溶液，乙二醇溶液不直接輸出到室外管網(wǎng)，而是通過機(jī)房內(nèi)換熱器與室外管網(wǎng)的冷凍水進(jìn)行熱交換，將冷量傳遞給室外管網(wǎng)冷凍水，室外管網(wǎng)冷凍水再與各建筑大樓的二次水通過換熱器進(jìn)行熱交換，進(jìn)而把冷量傳遞給空調(diào)末段設(shè)備達(dá)到制冷目的。

2號能源站-1層配置12臺瑞典阿法拉伐（Alfalaval）公司生產(chǎn)的板式換熱器，包括7臺主機(jī)供冷換熱器、3臺主機(jī)制冰環(huán)路融冰供冷換熱器，2臺基載主機(jī)環(huán)路融冰供冷換熱器。

3.3 自動控制系統(tǒng)

（1）自動控制系統(tǒng)由管理中心集成控制管理平臺（系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、監(jiān)控中心操作站遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件、優(yōu)化控制軟件、負(fù)荷預(yù)測軟件、能源管理軟件）、各設(shè)備控制子系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)等組成。

（2）集成控制管理平臺軟件是遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制、數(shù)據(jù)處理和管理的中心。采用中文三維圖形管理界面，具有良好的易操作性；采用常用的操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫，具有通過表格、圖形的趨勢數(shù)據(jù)瀏覽、查閱一個或多個數(shù)據(jù)組合的功能，并提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)源信息，支持多級密碼保護(hù)和冗余備份。

4 環(huán)保節(jié)能的綜合分析與評價

4.1 能耗和環(huán)境比較

與各建筑單獨設(shè)置中央空調(diào)相比，電力設(shè)備裝機(jī)容量減少52009kW，用水節(jié)約148萬m3/年，機(jī)房建筑面積減少2.3萬m2，CO2排放減少4萬t/年，SO2排放減少786t/年，NOx排放減少393t，消滅冷卻塔噪音、飄霧、熱島效應(yīng)。每年節(jié)省運行費用2155萬元。

4.2 社會綜合評價

2號能源站2009年3月建成一期示范工程，包括滲渠取水工程、能源站機(jī)房、兩臺制冷制熱主機(jī)、水泵、管網(wǎng)等系統(tǒng)設(shè)備安裝，供冷供熱對象為重慶大劇院，示范面積為8.26萬m2。經(jīng)四川省建科院測定，系統(tǒng)能效比COP值夏季制冷為3.6，冬季制熱為3.1，節(jié)能減排效果顯著，運行效果良好；普通中央空調(diào)系統(tǒng)（帶冷卻塔）COP值為2.8～3.0左右。

2號能源站一期示范工程建設(shè)成功，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，獲得了重慶市建委和國家建設(shè)部的充分肯定，為其它兄弟省市建設(shè)水源熱泵能源站提供了寶貴的經(jīng)驗，參觀、考察的單位和人員絡(luò)繹不絕，水源熱泵空調(diào)技術(shù)也成了江北嘴CBD中央商務(wù)區(qū)招商引資的一張名片，社會效益顯著，社會各界給予了高度評價和贊揚。

5 水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用推廣

以水源熱泵技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合其它新能源技術(shù)和建筑技術(shù)，我們認(rèn)為可以將污水源熱泵、沼氣和燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，并進(jìn)行相關(guān)工藝技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)。

每個大中型城市都有不少污水處理廠，污水包括工業(yè)污水和生活污水，其蘊含的熱能是很可觀的，特別是電力企業(yè)、冶金企業(yè)、石化企業(yè)的工業(yè)廢水，溫度較高，許多熱能沒有利用就排放掉了。污水處理廠在生產(chǎn)過程中會分離出不少沼氣，城市的大型垃圾填埋場也會產(chǎn)生大量沼氣。沼氣主要是由甲烷（含量大約40%～50%）、二氧化碳（含量大約35%～45%）、氮氣（含量大約5%～15%）組成的，它的能量大約為5kwh/m3，是燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)高價值的燃料，可有效地用于發(fā)電。

根據(jù)以上條件，可以建立燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組+電制冷污水源熱泵機(jī)組+吸收式制冷機(jī)組構(gòu)成的能源站。工藝流程為如下（圖3）。

沼氣發(fā)電工藝流程:

圖3 工藝流程圖

主要設(shè)備有燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組、電制冷熱泵機(jī)組、溴化鋰吸收式制冷機(jī)組、熱水機(jī)組、過流式污水換熱器，可以實現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供，通過發(fā)電機(jī)組燃燒沼氣發(fā)電驅(qū)動制冷機(jī)組，多余電能輸送給電網(wǎng)；通過電制冷熱泵機(jī)組制冷制熱，吸收式熱泵機(jī)組利用發(fā)電機(jī)組煙氣余熱制冷制熱和制備熱水 （可研制以沼氣為燃料的直燃空調(diào)機(jī)組），為酒店等公用建筑提供空調(diào)冷熱源和衛(wèi)生熱水（24h供應(yīng)）。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:

（1）將有害氣體變廢為寶，轉(zhuǎn)化為能源發(fā)電、制冷制熱。

（2）減少甲烷排放，降低溫室效應(yīng)，甲烷的溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍。

（3）采用溴化鋰吸收式制冷機(jī)組，使用水作為制冷劑，不使用氟利昂作為制冷劑，不破壞大氣臭氧層。

能源站的氣源可采用垃圾填埋場沼氣、污水處理廠沼氣、煤層伴生氣、頁巖氣、天然氣等等，熱泵冷熱源可選取江水、原生污水或污水處理后的中水、工業(yè)廢水等。類似工程有彈子石CBD能源站，采用天然氣發(fā)電+電制冷熱泵機(jī)組+溴化鋰制冷機(jī)組；長生橋垃圾填埋場采用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組燃燒沼氣發(fā)電；唐山海水源熱泵能源站采用某電廠的廢水作為熱源水，采用電制冷熱泵機(jī)組+冰蓄冷技術(shù)實施區(qū)域供冷供熱。

6 結(jié)語

新能源開發(fā)、節(jié)能減排已經(jīng)成為各國政府的頭等大事，能源爭奪戰(zhàn)日趨白熱化，能源供應(yīng)更是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈。在政府的大力引導(dǎo)和扶持下，全國各地相繼建設(shè)了一些水源熱泵或冰蓄冷能源站，有的已經(jīng)投入使用，運行效果良好?？偨Y(jié)成功的工程建設(shè)經(jīng)驗和教訓(xùn)，搞好今后的新能源工程項目建設(shè)，進(jìn)而開發(fā)新的技術(shù)、研制新的設(shè)備，是非常有意義、有價值的課題。

[1]龍恩深.冷熱源工程[M].重慶:重慶大學(xué)出版社，2002.

[2]劉偉.江水源熱泵在空調(diào)工程中的應(yīng)用分析[J].暖通空調(diào)，2010（12）.

[3]吳榮華.過流式污水源熱泵技術(shù)的工程應(yīng)用[J].暖通空調(diào)，2010（12）.