水源热泵技术在给水工程中的应用

孙 鹏

水源热泵系统是一种利用地下浅层的可再生地热资源或污水废热资源,通过消耗少量的高品位能源(如电能),将低位热源的低品位能转换为高品位能,以实现建筑供热或制冷的高效节能系统。由于利用了低位热源中的能量,从而达到了节省高品位能的效果。水源热泵的工作过程遵循逆卡诺循环原理,即从外部供给热泵较少的耗功,同时从低温环境中吸收大量的低温热能,热泵就可以输出温度高得多的热能,并送到高温环境中去,从而达到将不能直接利用的低温热能回收利用起来。现有水源热泵技术是利用地表水、地下水和污水水温相对稳定的特性,通过消耗电能,在冬季把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方,在夏天将室内的余热转移到低位热源中,达到降温或制冷的目的。水源热泵不需要人工的冷热源,可以取代锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。

当今世界,油、电、煤、气的价格不断攀升,能源短缺成了摆在全人类面前的难题。我国作为一个能源基础并不雄厚的发展中国家,以可持续发展为目标,制定了节约资源基本国策。2005年2月28日第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过了《中华人民共和国可再生能源法》,明确将太阳能、地热能、风能等可再生能源的开发作为国家增加能源供应,改善能源结构,

保障能源安全,保护环境,实现经济社会可持续发展的重要举措。水源热泵技术作为开发地热能的重要途径在我国东北、华北、华东地区得到了广泛的应用。

山西省作为我国主要的能源重化工基地,为国家的快速发展做出了巨大的贡献,但是同时也形成了大量的污染物,严重影响了本省乃至国内、国际周边地区的环境。自2006年始,我省境内也陆续建成了一批利用地下水低温热能和污水废热能的水源热泵中央空调项目,在建筑节能领域应用了水源热泵技术,实现了可再生能源(热泵技术)应用方面的突破。但多以零星单个项目出现,难以形成规模化和区域化,对改善山西省建筑节能的严峻状况作用不大,推广形式仍不乐观。

由于山西省水资源匮乏,推广水源热泵技术的自然条件与华北、东北推广较好的省份相比并不占优势,同时水源热泵项目开展的时间也较晚,要想在较短的时间内赶上东部省市的发展水平,在绿色节能可持续发展的新一轮竞争中不被甩在后面就必须走一条不同于以往的、更适合我省自身特点的发展道路。利用城市自来水推广水源热泵技术,建设区域集中供热站(或供冷站),实现大面积区域集中供热(制冷)不失为一条快速推广水源热泵可再生能源技术,解决建筑节能减排问题的新思路、新方法。

山西省207个饮用水源地共划分保护区300个,其中地表水源地保护区26个;地下水源地保护区274个。虽然“引黄入晋”工程已经投入使用,但是在较长的一段时间内,地下水依旧是山西人民最为安全、可靠、便捷的饮用水源。

作为城市自来水供给的深层地下水,水量充沛、较之各项目自行开采的浅层地下水保证率高,不必担心水量衰减的问题;同时为了保证水质的优良,深层地下水井的取水点均在数百米甚至千米以下,水温较高,通常均在20℃以上,比深仅100 m左右的浅层地下水水温通常高10℃以上,用于采暖取热时效率更高。所以,深层地下水是优良的水源热泵冷热源,我省具备在拥有深层地下水井的各城镇推广自来水水源热泵技术,促进建筑节能工作大范围开展的条件。

在山西推行自来水水源热泵系统可以将建设主体由各开发商变为各城市自来水公司,利用既有的深层地下水井,减少了对本已脆弱的地下水资源的开采,避免了地下水回灌对原有地下水环境的影响,节省了取水工程的建设投资;将水源热泵热力站由中小型自用热力站改为大型市政集中供热站,总体上节省了水源热泵项目的建设投资,提高了水源热泵系统的运行效率;降低了供暖、制冷用户采用可再生能源——地热能的难度;降低了绿色节能技术普及的难度,可以大量减少建筑物对环境排放的温室气体和有害气体。

某市自来水厂采用400 m以下深层地下水作为城区自来水源,现日供水2万t。为减少城市污染物排放,自来水厂进行了水源热泵城市集中供热系统改造。选用3台大型水源热泵机组,总制热量达5 940 kW。

改造工程充分利用自来水厂既有设施,节约改造成本。将8 000 m3储水池作为水源热泵系统备用水池,当供水量低于热泵机组最小进水量时,自动对机组进水量进行补充。将热源水循环泵设置在自来水加压泵房内,其进水管与自来水加压水泵进水总管连接,并直接从吸水井中抽取自来水向水源热泵机组供水。经水源热泵机组取完热的自来水经热源水回水管流入蓄水池进水总管,并进入蓄水池。

水源热泵系统仅对自来水进行取热,不改变自来水供水水量,不会影响城市供水安全。为了加强对自来水水质的保护,热源水循环泵供给的自来水不直接进入水源热泵机组,而是在水源热泵机组进水端增设的板式换热器中与水源热泵机组二次换热水进行热交换,换热后的自来水流回自来水蓄水池。自来水与热泵机组不发生直接接触,杜绝了污染自来水的可能。

水源热泵采暖系统改造工程投资约650万元,可以获得国家专项补贴约420万元。系统运行费用约为1.9元/(月◦m2),远远低于传统集中供热收费标准,可以为自来水公司每年创收100余万元,水源热泵采暖系统改造工程投资可在3年内收回。

系统投入使用后,可以解决周边12万m2以上建筑的供暖问题,与传统锅炉采暖系统相比节约一次能源3.55×1010kJ,可减少燃煤消耗1 212 t,减少CO2排放3 175 t,减少SO2排放36 t,减少粉尘排放8.5 t。

2010年山西省各市及县城规划总人口为1 500.8万人,用水量为18.4亿m3。按地下水供水比重60%计算(绝大部分地区地下水供水比重均大于60%),深层地下水开采量约为11亿m3,每日采深层地下水约300万t。全省每日用于饮用的深层地下水可满足1 800万m2以上建筑的冬季采暖需求。全年可节约标煤181 800 t,减少CO2排放476 250 t,减少SO2排放5 400 t,减少粉尘排放1 275 t。因此利用城市自来水推广水源热泵技术适合山

西实际情况,尤其在充分利用我省有限的地下水资源所蕴藏的低温热能方面前景广阔。

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