水源热泵系统节能示范项目设计与改造

杨婧文

(南京交通职业技术学院,南京211188)

1 概 述

近年来,财政部、住房城乡建设部组织实施了可再生能源建筑应用示范工程,中央财政将给予一定数量的示范项目补助资金,有利于发挥地方政府的积极性和主动性,加强技术标准等配套能力建设,有利于形成推广可再生能源建筑应用的有效模式。

虽然我国一些城市已建成了地源热泵示范工程,但由于现在对地源热泵系统的应用研究、分析还不完善,尤其是对实际工程设计、安装、运行的研究及其工程实例的经济分析较少,这在很大程度上制约了地源热泵的推广应用。还有部分建筑早期已安装了锅炉或传统的风冷机组供暖,虽然节能效果不佳,但找不到经济又合理的改造方案。鉴于以上情况,本项目中的建筑就是采用了浅层地下水式水源热泵供暖/供冷系统的一项节能示范项目。本文将对某建筑的地下水源热泵系统进行分析研究,设计并改造了部分系统以便提高其节能效果,并与其他冷热源进行技术经济性比较,让投资者对地下水源热泵系统的设计与经济性有更进一步的了解。

2 工程概况

本项目为地下水式水源热泵供暖/供冷系统节能示范项目,位于新疆自治区北部的阿勒泰地区,地下水资源丰富。建筑类型为城镇中心地区住宅建筑与公共建筑 (包括酒店、商场、学校、办公楼、医院等),项目总建筑面积93.40万m2。项目建设分一期工程和二期工程,一、二期工程均为可再生能源利用—地下水式水源热泵技术利用示范工程。

3 主要示范内容

可再生能源利用节能示范。利用当地丰富的地下水资源条件和有利的地质构造特点,进行布尔津县城镇地区地下水式水源热泵供暖/供冷系统节能示范。冬季利用浅层地下水作为热源直接进入热泵系统的蒸发器放热从而完成高效的空调供暖;夏季利用浅层地下水作为冷源直接进入热泵系统的冷凝器吸热从而完成高效的空调供冷。

用户需求侧节能示范。新建/既有建筑物本身的节能设计/改造与示范,包括墙体节能设计/改造与示范、屋面节能设计/改造与示范、门窗节能设计/改造与示范等;供暖/供冷需求的分户计量设计/改造与示范;采暖某端方式节能设计/改造与示范等。

节能示范方案的供暖/供冷年总节约标煤量10700.00吨,其中,一期节标煤量4947.88吨,二期节标煤量5752.12吨。

4 技术方案

4.1 围护结构改造

本项目建筑类型为居住建筑和公共建筑,均为多层砖混建筑。总建筑面积93.403万m2,其中既有建筑的建筑面积73.60万m2,新建建筑的建筑面积19.80万m2。2006年前的建筑外墙未做保温,建筑面积55.803万m2;2006年后的建筑外墙已做保温,建筑面积37.6万m2。

本工程围护结构体系设计,严格按照 《民用建筑节能设计标准》(采暖居住建筑部分)(JGJ26-95)、《公共建筑节能设计标准》(50189-2005)执行。屋顶均加贴2×50厚苯板保温层。外墙已做保温 (已外贴100厚苯板)的建筑,经热工计算可达到节能50%标准;对于外墙未做保温的建筑,选取适合的外围护保温形式 (外墙加贴80厚苯板,外窗由钢窗换为PVC塑钢窗)进行节能改造,使其满足指标限值:建筑物耗热量指标 qH＜21.8 W/m2,采暖耗煤量指标qC＜18.2 kg/m2。

4.2 示范技术设计方案

本项目100%的建筑需冬季供暖、有24.68%建筑需夏季空调供冷。既有建筑目前采用分散式多容量多锅炉采暖和分散式低能效比的分体空调机空调降温,能效比较低。本项目按照现有供热状况,将所有建筑划分为17个区,重新进行热源配置和供暖/供冷,并进行分户计量。对于本项目的所有宾馆,15区 (兴居名筑机房供暖/供冷所覆盖的区域)中的新建住宅,17区 (行政中心机房供暖/供冷所覆盖的区域)中的办公楼,考虑夏季采用风机盘管末端进行供冷[1]。

本项目坐落的地区是全国旅游强县和国家级旅游县,该县城镇用能发展应与友好环境发展相协调。因此,利用可再生能源,对项目的供暖/供冷方式进行改造,具有十分重要的示范意义。

1)冷热源方案的论证:

热泵技术是应用低品位再生能源的重要技术。本工程区域内地下水类型主要为松散岩类孔隙潜水,含水层以卵砾石为主,其富水性程度丰富,渗透性良好,开采回灌便利。

2007年,在布尔津县城镇地区体育馆进行了地下水源热泵系统试点工程。馆内冬季采暖方式为地辐射采暖,热源采用地下水式水源热泵机组1台,机组标准制热量352kW、输入功率80.7kW,制冷剂为R134a,机组COP=4.36。2007年11月至2008年4月进行了供热间歇式试验运行,机组制热运行满足馆内采暖要求。2008年6～8月,在城镇地区旅游宾馆1#热力站进行了水源系统勘察井试点工程,并完成了取水与回灌试验运行。由上述试点工程和水井实验可知,该地区具有较良好的水源和回灌性能。

结合本工程水源热泵系统水源水量的要求,经计算得,对应于冬夏两季最大释热量、吸热量所需的地下水量为6386t/h,单井小时持续涌水量约为80m3/h,共83口抽水井,水温为12℃。所以地下水的持续出水量满足水源热泵系统最大吸热量或释热量的要求。

综上所述,该地区地下水资源充足、水温适当、供水稳定、回灌可靠,本项目建设的确适宜采用地下水源热泵技术对该居住小区进行供暖/供冷。

2)既有建筑供暖/供冷系统的节能改造设计方案[2]:

①对于既有建筑供暖/供冷的节能改造设计方案,其基本原则是,尽可能充分利用原有室外供热管网和室内供暖散热器末端。为此,提出系统改造设计方案如下:a)冷热源采用地下水式水源热泵机组 (制冷剂为R134a高温型机组);b)用户侧室外管网原则上采用原有管网并进行必要的改造;c)末端散热设备,住宅/办公用地辐射采暖盘管或散热器、宾馆用风机盘管,其中末端为散热器的需要核算改造;d)运行参数:冬季供暖室外管网的供水温度tg,d=60℃,末端为散热器的供回水温差取△t=10℃,地辐射采暖盘管的供回水温差取△t=10℃,风机盘管供回水温差取△t=10℃;夏季空调室外管网的供水温度为tg,x=7℃,宾馆用风机盘管供回水温度为7/12℃,供回水温差取△t=5℃。

②对于新建建筑的供暖/空调设计方案:a)冷热源采用地下水式水源热泵机组 (制冷剂R22);b)室内末端住宅采用地辐射采暖盘管、办公楼用风机盘管;c)运行参数:冬季住宅用地辐射采暖供水温度50℃,供回水温差△t=10℃,办公用风机盘管供水温度50℃,供回水温差△t=10℃;夏季办公用风机盘管供水温度7℃,供回水温差△t=5℃。还应指出的是,对于既有建筑供暖节能改造设计,需要进行室外供暖管网及室内供暖散热器两方面的校核性计算。

③既有建筑室外供暖管网的校核性计算。计算条件:a)建筑采用围护结构保温改造后的节能建筑,达当地50%的节能标准;b)供暖运行参数:供水温度60℃,供回水温差△t=10℃。以主要承担公共建筑供暖的原一号锅炉房 (11号机房)和承担民用住宅供暖的原二号锅炉房 (12号机房)为例,进行室外管网校核计算。

通过对最不利环路的水力计算,可以明显看出,在新的负荷条件下,原一、二号锅炉房室外管网所需的管径大部分小于原有室外管网,只有少量管径和原管径相同。

结论:现有室外供热管网能够满足节能改造后对室外供热管网的需求,但为保证各支路间的水力平衡需加装平衡阀。

④既有建筑室内供暖散热器的校核性计算。计算条件:a)建筑采用围护结构保温改造后的节能建筑,达当地50%的节能标准;b)供暖运行参数:系统改造前,供水温度95℃,供回水温差△t=25℃;系统改造后,供水温度60℃,供回水温差△t=10℃;c)散热器采用四柱760型铸铁散热器;d)散热器安装方式:水平并联管的散热器安装;e)保温改造前的建筑面积热负荷指标为70W/m2,改造后的热负荷指标为45W/m2。

四柱760型铸铁散热器单片散热量,经计算,改造前单片散热量为133.3W,改造后单片散热量为64.1W。改造前单位建筑面积所需的散热器为0.525片,改造后单位建筑面积所需的散热器为0.7片。

结论:运行参数变化后,为保证采暖室内设计温度,每10片需加装3片。

3)检测预留方案:

布尔津县集中供热系统共设17个供热站,为了降低能耗、提高管理的自动化水平、保障系统工作的可靠性、并能有效实时的进行远程监控,设计了一套集散型监控管理系统(DCS),用于对17个热力站的监控管理。可进行电力输入消耗功率、主机系统输出制热(冷)量、主机系统运行参数和系统运行状况的检测,并通过上述检测接口计算系统COP值。

每个热力站配备一套基于西门子S7系列PLC的控制系统,完成现场数据采集、控制管理、数据上传;监控中心采用全图形化操作的西门子WinCC大型监控管理系统,实现集中管理;借助于运营商的公网,利用ADSL技术完成监控中心和热力站的通讯。

通过上述各方案论证,本工程最终采用资源节约、环境友好的可再生能源利用技术—地下水式水源热泵技术,为该县城镇地区93.403万m2建筑进行冬季供暖和23.06万m2建筑进行夏季供冷,替代原有分散式多容量多锅炉采暖和分散式低能效比的分体空调机空调降温。

4.3 主要设备及性能参数

本项目系统设备主要包括三大部分:用户系统设备、水源热泵主机系统设备、水源系统设备。用户系统设备中的采暖系统采用散热器采暖系统及地辐射采暖系统,空调系统采用双管制风机盘管闭式系统,空调水每户入户安装计量表,实行分户计量[3]。

冬季采暖时,由水源热泵机组制取50～60℃/40～50℃的热水,作为用户采暖的热媒。夏季供冷时,由水源热泵机组制取7/12℃的冷冻水,作为用户空调的冷媒。

水源系统设备由水源取水装置、取水泵、水处理设备、输水管网和阀门配件等组成。本项目水源井总数为237口,其中抽水井83口,回灌井154口。所有井井身结构设计相同,井深10～15米左右,井径 1.5m,抽水管径 125mm,回灌管径100mm。根据场地条件,抽水井间距50m,回灌井间距25m,井位距建筑物距离大于5m。设计单井出水量为80m3/h,设计单井回灌量为44m3/h[4]。

4.4 系统能效计算分析

由于负荷的变化,机组运行参数随之变化,系统能效比不同,因此采用加权平均的方法计算系统能效比。经计算得:虽然个别区水源热泵机组冬季系统能效比略低于申报项目规定的限值3.5,但是各个区热泵系统制热时的平均性能系数 (COP)为3.61,热泵系统制冷时的平均性能系数 (EER)为4.28,均不低于3.5,满足申请项目要求。

5 效益及风险分析

5.1 投资效益分析

地下水源热泵系统项目总投资15361.89万元,可再生能源应用投资增量成本6190.08万元,单位面积投资增量成本为66.3元/m2。水源热泵的供热供冷能耗计算依据前面所选设备实际耗功率数据进行。煤价以全国平均价格进行计算,取800元/tce。地下水式水源热泵系统比常规能源方案年节约标准煤10700t,节省运行耗能费用为856万元/年。节能方案比常规能源方案年节省运行管理费用81.55万元,节省总运行费用937.55万元/年。

按照投资增量回收年限的静态计算法:可再生能源投资增量回收年限=投资增量/运行费用节省=6190.08/973.55=6.6年,因此,投资增量成本不到7年的时间就能够回收回来[5]。

5.2 运行风险分析

由于本工程的现状及所处的地理位置,冬夏季的负荷不匹配,因此水源热泵的吸热量与放热量不平衡。经热平衡计算,冬季制热工况下系统从地下水体中的吸热量大于夏季制冷工况下系统向地下水体中的排热量,不平衡率为75.9%。本项目所在区域的第四系松散岩类为粗颗粒地层,渗透性较好,在开采过程中,布尔津河和额尔齐斯河能及时补充地下水。并且本项目取回水位处于两条河流的上游,冬夏吸放热能够及时被河水带走,不会造成地下水体温度下降。因此,地下水体中的吸热量与排热量基本上可以维持平衡,不会导致地下水温的逐年降低,可以满足本示范工程热泵机组长期稳定运行。

5.3 示范项目推广前景分析

新疆等严寒地区热力供应普遍技术落后,管理粗放,资源消耗大,造成经营成本不断上涨,热力公司普遍经营亏损。如何通过新技术的应用,通过精细化管理,降低资源消耗,降低运行成本,实现热力供应的盈利运行,实现热力公司的自我良性发展,是本项目的核心战略目标。

本项目建成后,依据其低廉的运营成本、显著的节能效益、完善的环境保护效益、良好的社会效益等优势将在整个新疆地区形成巨大的示范效应。冬季采暖季使用地下水式水源热泵中央空调的费用为20.32元/m2,低于原有分散锅炉运行费用 (22.5元/m2),能为普通消费者所接受,市场前景广阔。

6 结束语

本示范项目属可再生能源利用技术,高效节能、运行费用低,一机多用、初投资费用增加相对较低,环境效益显著。积极采用地下水式水源热泵等可再生能源利用技术对建筑的供热/冷系统进行设计和改造,是提高系统能效,最大限度减少常规能源消耗的手段之一,该项技术将会为国家建设节约性住宅起到一定的参考价值及推广应用作用。

[1]赵军,戴传山.地源热泵技术与建筑节能应用 [M].北京:中国建筑工业出版社,2007:11-12,74-75

[2]马最良,吕悦.地源热泵系统设计与应用[M].北京:机械工业出版社,2007:136-138

[3]陈超.地表水源热泵在吉林市应用的实验研究[D].哈尔滨工业大学,2010

[4]美国ASHRAE学会著,徐伟等译.地源热泵工程技术指南 (第1版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2001:14-15

[5]向宏.水源热泵中央空调系统设计及经济性分析[J].建筑节能,2011(11):8-11