水源热泵技术的工程应用及探讨

袁建一

（重庆华兴工程咨询有限公司，重庆 400010）

引言

能源与人们生活息息相关，是工农业、国防、科技的物质基础。现代文明消耗能源的速度远远大于能源的再生能力。一次性能源消耗结构中，煤炭占27.5%。天然气占22.9%，有专家预言，石油、天然气资源将在30年，最多50年内消耗殆尽。为保证人类能源供应的可持续性，一是大力开发新能源，二是大力提倡节约能源（节能）。在我国，建筑能耗占到能源消耗总量的25%以上，传统的冷热空调系统的能耗占建筑总能耗的50%上下，消耗了不可再生能源并排放了温室气体。水源热泵利用可再生能源，高效节能，环保，能减少有害物质排放，减轻环境污染，有利于城市生态环境的改善。

水源热泵技术是把水作为低温热源，向供热房间传送热量，像泵那样把低位热源的热能转移到高位热源，此时我们把整个系统称为热泵。热泵的供热量永远大于消耗的作功量，建立热泵系统可以更有效地开发利用新能源、节约不可再生能源。

我们可以充分利用江河、湖泊、海洋、城市污水等作为冷热源，建设水源热泵能源站，实现城市建筑集中供冷供热，达到节约能源、减少污染的目的。

本文选择重庆市江北嘴CBD区域集中供冷供热2号能源站工程，介绍其技术原理、设计工况、主要设备、工艺流程、系统能耗等，供设计、研究参考。

1 工程概况

江北嘴CBD区域江水源热泵集中供冷供热工程2号能源站从嘉陵江取水，该系统经过引水、沉砂、加药、灭藻，二次提升至主机进行制冷、制冰或制热后送至各用户，供冷供热面积约185万m2。其中制冷量308MW，制热量150MW，制冰量256MWh，这里主要运用了江水源热泵技术。

2 水源热泵工艺流程框图

2.1 2#能源站系统原理图（图1）

图1 2#能源站系统原理图

2.2 系统工艺流程示意图（图2）

图2 系统工艺流程示意图

3 水源热泵系统的主要设备

3.1 制冷制热主机

配置九台美国特灵公司（Trane)离心式冷水主机。其中，三台为制冷制热热泵机组（编号L-7～9），单台制冷量7034kW/制热量7700kW，这三台主机兼作供冷基载主机；两台为制冷/制冰/制热三工况热泵机组（编号L-5～6），单台制冷量7386kW/制冰冷量4580kW/制热量7867kW；四台为制冷制冰双工况机组(编号L-1～4)，单台制冷量7386kW/制冰冷量4580kW（其中一期工程完成L-8、L-9两台主机及辅助设备安装，已投入运行）。

3.2 换热设备

换热设备作用:主机制冷时由蒸发器输出乙二醇溶液，乙二醇溶液不直接输出到室外管网，而是通过机房内换热器与室外管网的冷冻水进行热交换，将冷量传递给室外管网冷冻水，室外管网冷冻水再与各建筑大楼的二次水通过换热器进行热交换，进而把冷量传递给空调末段设备达到制冷目的。

2号能源站-1层配置12台瑞典阿法拉伐（Alfalaval）公司生产的板式换热器，包括7台主机供冷换热器、3台主机制冰环路融冰供冷换热器，2台基载主机环路融冰供冷换热器。

3.3 自动控制系统

（1）自动控制系统由管理中心集成控制管理平台（系统数据库服务器、监控中心操作站远程监控软件、优化控制软件、负荷预测软件、能源管理软件）、各设备控制子系统、通讯网络等组成。

（2）集成控制管理平台软件是远程监视、控制、数据处理和管理的中心。采用中文三维图形管理界面，具有良好的易操作性；采用常用的操作系统和数据库，具有通过表格、图形的趋势数据浏览、查阅一个或多个数据组合的功能，并提供详细的数据源信息，支持多级密码保护和冗余备份。

4 环保节能的综合分析与评价

4.1 能耗和环境比较

与各建筑单独设置中央空调相比，电力设备装机容量减少52009kW，用水节约148万m3/年，机房建筑面积减少2.3万m2，CO2排放减少4万t/年，SO2排放减少786t/年，NOx排放减少393t，消灭冷却塔噪音、飘雾、热岛效应。每年节省运行费用2155万元。

4.2 社会综合评价

2号能源站2009年3月建成一期示范工程，包括渗渠取水工程、能源站机房、两台制冷制热主机、水泵、管网等系统设备安装，供冷供热对象为重庆大剧院，示范面积为8.26万m2。经四川省建科院测定，系统能效比COP值夏季制冷为3.6，冬季制热为3.1，节能减排效果显著，运行效果良好；普通中央空调系统（带冷却塔）COP值为2.8～3.0左右。

2号能源站一期示范工程建设成功，取得了良好的经济效益和社会效益，获得了重庆市建委和国家建设部的充分肯定，为其它兄弟省市建设水源热泵能源站提供了宝贵的经验，参观、考察的单位和人员络绎不绝，水源热泵空调技术也成了江北嘴CBD中央商务区招商引资的一张名片，社会效益显著，社会各界给予了高度评价和赞扬。

5 水源热泵技术的应用推广

以水源热泵技术为基础，结合其它新能源技术和建筑技术，我们认为可以将污水源热泵、沼气和燃气发电技术结合应用，并进行相关工艺技术和设备的研发。

每个大中型城市都有不少污水处理厂，污水包括工业污水和生活污水，其蕴含的热能是很可观的，特别是电力企业、冶金企业、石化企业的工业废水，温度较高，许多热能没有利用就排放掉了。污水处理厂在生产过程中会分离出不少沼气，城市的大型垃圾填埋场也会产生大量沼气。沼气主要是由甲烷（含量大约40%～50%）、二氧化碳（含量大约35%～45%）、氮气（含量大约5%～15%）组成的，它的能量大约为5kwh/m3，是燃气内燃机高价值的燃料，可有效地用于发电。

根据以上条件，可以建立燃气发电机组+电制冷污水源热泵机组+吸收式制冷机组构成的能源站。工艺流程为如下（图3）。

沼气发电工艺流程:

图3 工艺流程图

主要设备有燃气发电机组、电制冷热泵机组、溴化锂吸收式制冷机组、热水机组、过流式污水换热器，可以实现冷热电三联供，通过发电机组燃烧沼气发电驱动制冷机组，多余电能输送给电网；通过电制冷热泵机组制冷制热，吸收式热泵机组利用发电机组烟气余热制冷制热和制备热水 （可研制以沼气为燃料的直燃空调机组），为酒店等公用建筑提供空调冷热源和卫生热水（24h供应）。该系统具有以下优点:

（1）将有害气体变废为宝，转化为能源发电、制冷制热。

（2）减少甲烷排放，降低温室效应，甲烷的温室效应是二氧化碳的21倍。

（3）采用溴化锂吸收式制冷机组，使用水作为制冷剂，不使用氟利昂作为制冷剂，不破坏大气臭氧层。

能源站的气源可采用垃圾填埋场沼气、污水处理厂沼气、煤层伴生气、页岩气、天然气等等，热泵冷热源可选取江水、原生污水或污水处理后的中水、工业废水等。类似工程有弹子石CBD能源站，采用天然气发电+电制冷热泵机组+溴化锂制冷机组；长生桥垃圾填埋场采用燃气发电机组燃烧沼气发电；唐山海水源热泵能源站采用某电厂的废水作为热源水，采用电制冷热泵机组+冰蓄冷技术实施区域供冷供热。

6 结语

新能源开发、节能减排已经成为各国政府的头等大事，能源争夺战日趋白热化，能源供应更是我国经济发展的命脉。在政府的大力引导和扶持下，全国各地相继建设了一些水源热泵或冰蓄冷能源站，有的已经投入使用，运行效果良好。总结成功的工程建设经验和教训，搞好今后的新能源工程项目建设，进而开发新的技术、研制新的设备，是非常有意义、有价值的课题。

[1]龙恩深.冷热源工程[M].重庆:重庆大学出版社，2002.

[2]刘伟.江水源热泵在空调工程中的应用分析[J].暖通空调，2010（12）.

[3]吴荣华.过流式污水源热泵技术的工程应用[J].暖通空调，2010（12）.