穆偉建 魯炳良
荏原冷熱系統(tǒng)(中國)有限公司 山東煙臺 264000
因氣候條件的特點所影響,供熱成為了我國北方地區(qū)居民正常生活不可缺少的條件。現(xiàn)如今集中供熱已經(jīng)從城市發(fā)展到了中小城鎮(zhèn)。與此同時,集中供熱消耗的能源也不斷增加,我國目前集中供熱消耗的能源絕大部分都是不可再生的化石能源,利用熱泵技術(shù)使集中供熱更多的利用可再生新能源具有重要意義。
熱泵系統(tǒng)工作原理熱泵系統(tǒng)由熱交換機(jī)、壓縮機(jī)、保溫水箱、軸流風(fēng)扇、過濾器、水泵、儲液罐以及電子控制器和電子膨脹閥構(gòu)成,在系統(tǒng)運行過程中,從自然界獲取低位熱能,進(jìn)而通過電能做功,將低位熱能轉(zhuǎn)換成為高位熱能,以此為熱能用戶提供足夠的熱能供給。熱泵系統(tǒng)在接通電源之后,軸流風(fēng)扇進(jìn)行運轉(zhuǎn),室內(nèi)空氣何以通過蒸發(fā)器與室外空氣進(jìn)行熱交換,同時通過排風(fēng)系統(tǒng)將降溫后的空氣排除。與此同時,蒸發(fā)器內(nèi)的工質(zhì)通過吸熱之后進(jìn)入壓縮機(jī),從而將低壓氣體轉(zhuǎn)換成為高壓氣體,進(jìn)而將轉(zhuǎn)換之后的高壓氣體輸入冷凝器,水泵系統(tǒng)循環(huán)中的液體則可以通過冷凝器完成加熱工作,之后送到用戶方以供其利用,在此過程中,熱泵中的工質(zhì)可以冷卻成為液體,進(jìn)而通過降溫后送入蒸發(fā)器進(jìn)行循環(huán)利用[1]。
熱電廠蒸汽資源充足,可采用節(jié)能效果較好的蒸汽吸收式熱泵機(jī)組。根據(jù)熱泵機(jī)組在熱網(wǎng)中位置的不同,分為分布式熱泵供熱方式和集中式熱泵供熱方式,由于循環(huán)水供回水溫差小,無法實現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送,因此選用集中式熱泵供熱方式。集中式熱泵供熱方式又可分為以下幾種。
熱泵產(chǎn)生的熱水,送出電廠進(jìn)入熱用戶,降溫后返回電廠進(jìn)入熱泵加熱,如此循環(huán)。該方式產(chǎn)生的熱水溫度相對較低,末端用戶一般只能采用低溫供暖方式,且無法實現(xiàn)遠(yuǎn)距離供暖為集中式熱泵與熱網(wǎng)換熱器相結(jié)合的供熱方式,特點是熱泵作為1級加熱器,傳統(tǒng)熱網(wǎng)換熱器作為級加熱器,即采暖抽汽一部分驅(qū)動熱泵回收循環(huán)冷卻水?dāng)y帶的余熱初步預(yù)熱供暖回水,另一部分進(jìn)入傳統(tǒng)熱網(wǎng)的汽—水換熱器繼續(xù)加熱供暖回水直至滿足熱網(wǎng)需求。該方式能產(chǎn)生符合傳統(tǒng)熱網(wǎng)需求的高溫?zé)崴?/p>
特點是在電廠內(nèi)采用熱泵和傳統(tǒng)熱網(wǎng)的汽—水換熱器相結(jié)合的加熱方式,產(chǎn)生的高溫?zé)崴腿霟峋W(wǎng),在末端采用熱水吸收式熱泵和水—水換熱器相結(jié)合的換熱方式,實現(xiàn)大溫差換熱。
該供熱方式使高溫?zé)崴a(chǎn)生了大溫差,提高了熱網(wǎng)的輸送能力,延長了輸送距離,且由于回水溫度低、無保溫和熱力補(bǔ)償問題,供熱成本低。但由于該方式系統(tǒng)流程復(fù)雜,設(shè)備初投資比傳統(tǒng)集中供熱方式高,調(diào)節(jié)控制的難度增大。綜合比較以上各種循環(huán)冷卻水熱泵供熱方式的優(yōu)缺點、設(shè)備投資成本及系統(tǒng)管理成本、難易程度,表示的集中式熱泵與熱網(wǎng)換熱器相結(jié)合的供熱方式。
隨著熱泵系統(tǒng)及其應(yīng)用技術(shù)的不斷完善,熱泵系統(tǒng)基于其制冷、制熱功能兼具的優(yōu)點,在城市集中供熱中獲得了廣泛應(yīng)用,并且利用熱泵系統(tǒng)可以實現(xiàn)冷熱聯(lián)供,從而將多余熱量進(jìn)行有效利用,提高能源利用率,提高經(jīng)濟(jì)發(fā)展的效益。熱泵系統(tǒng)中冷熱聯(lián)供的工作原理是逆卡諾循環(huán),在冷熱聯(lián)供的過程中,制冷設(shè)備的工作原理也是逆卡諾循環(huán),但是制冷設(shè)備的工作目的是降低工作對象的溫度,而熱泵的工作目的則是提高工作對象的溫度,因此熱泵系統(tǒng)與制冷設(shè)備的工作范圍是不同的。眾所周知,在高溫區(qū)和低溫區(qū)之間的熱量傳遞是非自動的,
因此通過熱泵系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)可以有效實現(xiàn)從低溫區(qū)到高溫區(qū)的熱量傳遞。根據(jù)能量守恒定律可知,能量在自然界之中是恒定不變的,因此在這一熱量傳遞的過程中,高溫能量等于熱泵利用能量和低溫能量的總和[2]。
結(jié)合城市供熱管網(wǎng)可擴(kuò)大污水源熱泵規(guī)模,優(yōu)化效益,促進(jìn)污水余熱回收項目的建設(shè)。將污水源熱泵應(yīng)用到城市供熱管網(wǎng)中,可顯著擴(kuò)大項目規(guī)模,提升項目價值。延長污水源熱泵年利用時長,充分發(fā)揮設(shè)備價值。與城市供熱管網(wǎng)結(jié)合后,污水源熱泵在夏季回收的余熱也能得到充分的回收利用,提高污水源熱泵的設(shè)備使用率。污水源熱泵是一種有效的回收余熱方式,目前的污水源熱泵利用方式分為直接利用和間接利用兩種。直接利用即讓污水直接進(jìn)入熱泵系統(tǒng)內(nèi)換熱而后將冷熱能傳至室內(nèi),間接利用則在污水經(jīng)污水換熱器換熱后讓熱泵將冷熱能傳至室內(nèi)。直接換熱對換熱面積和換熱池容積的要求較高,需要的投資高,且運行效果差,維護(hù)成本高。相比之下,間接利用方式在初投資、運維成本、風(fēng)險性都具有明顯的優(yōu)勢。
除了冷熱聯(lián)供和污水源熱泵應(yīng)用之外,在地?zé)崮茇S富的地區(qū)可以利用地巖熱泵系統(tǒng)有效提高供熱能力,從而解決供熱中的能源短缺問題。不同于污水源余熱能源的是,地?zé)崮軐儆谛滦偷目稍偕鍧嵞茉?,因此可以在一定程度上取代化石能源,以此為城市發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供能源支撐。長期以來,我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展過于依賴化石能源,但是化石能源的不可再生性導(dǎo)致我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨嚴(yán)重的能源短缺問題,這一點也深刻體現(xiàn)在城市集中供熱中,因此采取地巖熱泵系統(tǒng)提高集中供熱效率,可以有效緩解能源短缺問題,促進(jìn)節(jié)能環(huán)保建設(shè)。
總之,熱泵系統(tǒng)的有效應(yīng)用可以提高集中供熱的效率,并且通過冷熱聯(lián)供、污水源熱泵系統(tǒng)、地巖熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用,可以有效減少集中供熱造成的環(huán)境污染,從而促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展,同時有效促進(jìn)節(jié)能環(huán)保建設(shè),提高城市發(fā)展的效率。