地表水水源熱泵系統(tǒng)取用水量計算及產(chǎn)業(yè)政策符合性分析

曾才茂，高運(yùn)法

（貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司,貴州 貴陽 550002）

1 概況

貴陽樂灣國際城位于貴陽市烏當(dāng)區(qū)東風(fēng)鎮(zhèn)月亮河畔,項目兩邊緊挨國家4 A級風(fēng)景區(qū)漁洞峽和情人谷 ,地理位置為東經(jīng)106 °52′~53′,北緯26 °45′~46′。

樂灣國際城大一期可再生能源供能系統(tǒng)采用“水源熱泵+燃?xì)忮仩t”系統(tǒng)供暖；大二期供能方式采用“水源熱泵+燃?xì)忮仩t”系統(tǒng)供暖,水源熱泵供冷。大一期、大二期冬季總?cè)∷?fù)荷為67.7 MW,大二期夏季總?cè)∷?fù)荷為36.4 MW。

樂灣國際城大一期可再生能源供能系統(tǒng)供能面積為189.65 萬m2,1 號能源中心站設(shè)計總熱負(fù)荷為64.57 MW。冬季采用“水源熱泵+燃?xì)忮仩t”聯(lián)合供暖。其中熱泵承擔(dān)負(fù)荷為32.64 MW,鍋爐承擔(dān)負(fù)荷為31.93 MW。系統(tǒng)配置6 臺單臺制熱量為5440 kW的離心式熱泵機(jī)組+4 臺單臺制熱量8400 kW的真空熱水鍋爐機(jī)組。另外本工程還設(shè)有取水泵房、換熱站及配套設(shè)施用房。

樂灣國際城大二期可再生能源供能系統(tǒng)供能面積為156.55 萬m2,設(shè)計總熱負(fù)荷為67.3 MW,其中熱泵承擔(dān)負(fù)荷為35.06 MW,鍋爐承擔(dān)負(fù)荷為32.24 MW；設(shè)計總冷負(fù)荷36.4 MW。冬季采用“水源熱泵+燃?xì)忮仩t”系統(tǒng)供暖,夏季采用“水源熱泵”系統(tǒng)供冷。系統(tǒng)配置6 臺單臺制熱量為5840 kW的離心式熱泵機(jī)組+4 臺單臺制熱量8400 kW的真空熱水鍋爐機(jī)組,還設(shè)有換熱站及配套設(shè)施用房。

項目取水口位于干流南明河上,取水口以上流域集水面積為835 km2,分析范圍以上流域集水面積為1253 km2。

2 水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)簡介

（1）系統(tǒng)簡介

水源熱泵是以水為介質(zhì)來提起能量實現(xiàn)制熱和制冷的一個或一組系統(tǒng),是利用地球表面淺層的水源、河流和湖泊中吸收的太陽能和地?zé)崮芏纬傻牡推肺粺崮苜Y源,采用熱泵原理,通過少量的高位電能輸入,實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。其系統(tǒng)原理和流程見圖1、圖2。

圖1 熱泵原理圖

圖2 集中供能系統(tǒng)流程示意圖

項目從南明河提取的水量在熱泵機(jī)組中與系統(tǒng)介質(zhì)實行冷熱能量交換后即退回南明河,整個用水過程全封閉,不消耗水量,僅損失部分冷熱能。系統(tǒng)流程圖見圖3。

（2）系統(tǒng)構(gòu)成

河水源熱泵集中供能系統(tǒng)由取水退水管網(wǎng)系統(tǒng)、主機(jī)房系統(tǒng)、室外管網(wǎng)系統(tǒng)、空調(diào)采暖末端系統(tǒng)及自動控制系統(tǒng)構(gòu)成。項目從南明河提取的水資源在熱泵機(jī)組中與系統(tǒng)介質(zhì)實行冷熱能量交換后即退回南明河,整個用水過程全封閉,不消耗水資源,僅損失部分冷熱能。其構(gòu)成見圖3。

圖3 地表水水源熱泵系統(tǒng)示意圖

（3）取退水工藝流程

建設(shè)項目取水構(gòu)筑物主要由進(jìn)水間,泵房兩部分組成,在構(gòu)筑物內(nèi)靠南明河的一側(cè)修建河水進(jìn)水間,以便南明河河水通過濾水墻的進(jìn)水孔在重力的作用下自流到進(jìn)水間,進(jìn)水間由縱向3 級過濾網(wǎng)分成進(jìn)水室和吸水室。進(jìn)水室外壁設(shè)置進(jìn)水孔,在進(jìn)水孔上設(shè)置格珊,用于攔截水中粗大的漂浮物,以減輕水處理設(shè)備的壓力。在進(jìn)水室與吸水室間設(shè)置3 級過濾網(wǎng),有效過濾掉河水中的細(xì)小漂浮物和雜質(zhì)以及沉淀大量泥沙。吸水室與集污溝底成30°斜坡,集污溝上下游成15°斜坡,讓沉淀的泥沙在水流的帶動下匯集到集污溝下游,然后在集污溝底安裝泥漿排污反沖泵,排污泵定時間開啟通過排污管將泥漿排到南明河中。

由于本項目熱泵技術(shù)是采用熱泵原理,通過少量的高位電能輸入,實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。取水及退水過程消耗水量極少,主要為輸水管道損失、旋流除砂、機(jī)械過濾等消耗極少水量,整個取水用水環(huán)節(jié)是合理的。其流程圖見圖4。

圖4 水源熱泵取退水工藝流程圖

3 取用水量計算

依據(jù)可研設(shè)計成果,項目低位冷、熱源（即地表水加再生水）所承擔(dān)的負(fù)荷為：

式中：Q放為夏季主機(jī)向河水中釋放的熱量負(fù)荷；Q冷為夏季供能冷負(fù)荷；Q吸為冬季主機(jī)從河水中吸收的熱量負(fù)荷；Q熱為冬季供能熱負(fù)荷；P機(jī)為主機(jī)供冷/供熱工況下電功率負(fù)荷。

主機(jī)在供冷/供熱工況下制熱量、電功率及COP見表1、表2。

表1 大一期1號站熱泵主機(jī)參數(shù)表

表2 表2大二期2號站熱泵主機(jī)參數(shù)表

《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施 暖通空調(diào)·動力（2009）》5.8.2節(jié),計算管段的水量應(yīng)按下式計算：

式中：G為計算管段的水量,m3/h；Q為計算管段的負(fù)荷,kW；Δt為供回水溫差,℃。

將式（3）等式兩端同乘以小時數(shù),可得：

式中：G量為計算管段的水量,m3；Q為計算管段的負(fù)荷量,kW·h； Δt為供回水溫差,夏季為5 ℃,冬季為3 ℃。

按式（1）~式（4）計算夏季、冬季設(shè)計河水取水量及日均河水取水量見表3、表4。

表3 夏季、冬季設(shè)計取水量

表4 夏季、冬季日取水量

大一期1號能源站冬季負(fù)荷最大取水量為2.12 m3/s,日取水量為16.27 萬m3/d；大二期2 號能源站冬季負(fù)荷最大取水量為2.27 m3/s,日取水量為16.87 萬m3/d,因此冬季日取水量為33.2 萬m3/d；夏季負(fù)荷最大取水量為2.05 m3/s,夏季日取水量為7.76萬 m3/d。

依據(jù)可研設(shè)計成果及《貴陽市城市區(qū)域性集中供熱用熱管理辦法》等相關(guān)規(guī)程規(guī)范。本項目水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時間為：夏季制冷時期為6 月1 日～9 月30 日,冬季供暖時期為11 月15 日～3 月14 日,總運(yùn)行期為8 個月。年供冷期120 天,年供暖期120 天。項目提出的夏季日需水量為7.76 萬m3/d,冬季日需水量為33.2 萬m3/d,依據(jù)相關(guān)規(guī)范,管道輸水損失率取3‰,輸水長度3.2 km,以此計算項目水源斷面年取水量為：W=（120×7.76+120×33.2）/（1-3‰）3.2= 4967萬m3/a。

4 項目與產(chǎn)業(yè)政策符合性分析

項目建設(shè)符合《中華人民共和國可再生能源法》中可再生能源利用,符合國家產(chǎn)業(yè)政策,滿足資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的建設(shè)要求,符合《貴陽市可再生能源建筑應(yīng)用城市示范》的相關(guān)要求,同時也符合符合清潔環(huán)保、高效節(jié)能的要求,體現(xiàn)建設(shè)低碳、環(huán)保、綠色國際新城的理念。

《貴陽市城市區(qū)域性集中供熱用熱管理辦法》中規(guī)定,將按照“區(qū)域集中、新區(qū)先行、熱源多元、市場運(yùn)作、規(guī)范管理” 的原則,逐步推進(jìn)城市區(qū)域性集中供熱。《辦法》規(guī)定,將在城市綜合體、大型公共建筑、城市新區(qū)和國家機(jī)關(guān)辦公、醫(yī)院、學(xué)校、托幼機(jī)構(gòu)等建筑以及20 萬m2以上大型住宅小區(qū),重點(diǎn)規(guī)劃集中供熱,其他住宅小區(qū)逐步發(fā)展。集中供熱應(yīng)當(dāng)合理配置熱源、熱網(wǎng),優(yōu)先利用地表水、污水、土壤源等淺層地?zé)崮芎颓鍧嵞茉础⒖稍偕茉吹裙?jié)能環(huán)保的供熱技術(shù),鼓勵采用冷熱電三聯(lián)供的分布式能源方式進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計。此外,《辦法》中明確禁止新建使用燃煤、重油等高能耗、高污染的供熱項目。

貴陽樂灣國際城大一期、大二期可再生能源集中供能工程符合國家及地方相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)及政策。從系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)性、合理性方面分析,該系統(tǒng)高效節(jié)能、環(huán)境效益顯著。

5 結(jié)語

水源熱泵系統(tǒng)的基本工作原理就是在夏季將建筑物中的熱量轉(zhuǎn)移到水源中,而冬季通過逆向熱力循環(huán),從水源中提取熱量。水體的溫度一年四季相對穩(wěn)定,其波動的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣溫度,水體是很好的空調(diào)冷源和熱泵熱源。

項目取水量通過水源承擔(dān)的負(fù)荷以及取水回水溫差,并結(jié)合各地供熱、制冷時段進(jìn)行計算。項目利用南明河地表水冷/熱源,采用水源熱泵技術(shù),向項目區(qū)供暖、供冷,節(jié)能效果明顯,減少了化石能源的消耗,減輕電網(wǎng)負(fù)荷的壓力,提高了能源的使用效率,降低了對大氣環(huán)境的影響,對貴陽市創(chuàng)建國家環(huán)境保護(hù)模范城市具有積極的意義。