水源热泵及辅助热源.doc

水源热泵及辅助热源摘要：主要介绍关于国内外的水源热泵应用情况，并提出关于水源热泵应用差异的集中性分析，然后以沈阳市为据点，实际分析关于地表水源热泵和地下水源热泵的适应性研究，在第三部分对沈阳市东北大学游泳馆的地源热泵的能效比进行实测和实际分析，最后把国内目前存在的各种问题进行综述，并提出可能的解决的方法。关键词 沈阳市水文地质情况 地下水源热泵 地表水源热泵 COP（能效比）1 国内外的地源热泵的应用情况分析1.1 欧洲与美国的水源热泵发展情况美国从 80 年代初开展对地源热泵的大规模研究，其商业应用从 1985 年开始每年以 9.7的速度稳步增长，到 1998 年，其商业建筑中地源热泵系统己占空调总保有量的 19%，其中新建筑中占 30。热泵在欧洲、日本及其他发达国家也得到了广泛的应用，并形成了欧洲以发展大型热泵机组或热泵站为重点，美日则以中小型热泵领先的格局 。同时，中、北欧海水源热泵的研究和应用也比较多。俄罗斯根据自身的具体情况，有两项新技术值得介绍，一是利用天然气输送途中的减压发电驱动热泵供冷和从城市污水、河水和电厂冷却水中回收废热用于供热;二是利用水电站下游河水作为低温热源进行热泵供热。从下图可以看出2005到2014年这十年间，欧洲累计安装740万台机组，欧洲擅长使用大型机组。 1.2 国内的水源热泵的发展情况 2009年我国地源热泵工程应用面积1.007亿m2，至2014年已达约3.6亿m2，近5年内平均年累进增长为27%，国产品用了83%，另有17%用了进口品牌。中国的27%仍然是一个相当于一倍半的世界增速。 2005 年，中国建设部和国家质量监督检验检疫总局联合发布了地源热泵系统工程技术规范，为国内地源热泵系统的设计施工提供了科学的标准依据和强制性的法律规范。对于水源热泵技术的研究，国内目前集中在机组热力学分析，系统控制策略，经济性分析，地下换热的数值模拟，适用范围等方面。与国外相比，我国在水源热泵机组的优化设计和工程应用方面还有很大差距。在已经建成的水源热泵系统中，很多都存在着回灌不足甚至不设回灌井，对地下水造成污染等情况。1.3 国内的水源热泵技术与国外的区别 （1）欧洲与美国对地源热泵制定了严格的标准，中国目前没有一家权威管理机构 （2）地源热泵不仅仅是暖通空调技术，而是与地质水文与暖通空调的综合应用。 （3）由于我国未对地下换热技术的深入研究，对地下热能采用非技术的开发，致使节能效果未达到设计效果，甚至很多项目的节能效果不如传统空调。 （4）国内关于施工设备、钻孔技术，包括设计手段已及后期监测系统与国外相差甚大。 (5）中国厂家更加强调热泵主机在地源热泵中的作用，而忽落地下换热系统。 所以，虽然中国地源热泵发展迅速，但是只能应用于公共事业单位，而缺少市场活力。“环保不节能”已及初投资较高使中国地源热泵推广阻力较大。2 沈阳市地表水源热泵与地下水源热泵的适宜性研究2.1 水源热泵的简介 地下水源热泵空调系统，也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统，利用地下浅层地热资源(地下水)，通过输入少量的高品位能源(电能)，实现低位热能向高位能的转移。地下水一般取自于地层的恒温带，水温恒定，比当地年平均气温约高出 14左右。一个典型的地下水源热泵系统如图 2-1 所示：图 2.1地下水源热泵系统流程图地下水从抽水井中抽出进入板式换热器，采取小温差换热的方式，与冷却循环水系统的水换热，再通过回灌井排到地下。冷却循环水系统经水源热泵产生热水(冬季)或冷水(夏季)送入末端装置，满足供热或供热的要求。2.2 沈阳市地质情况地下水源热泵系统所用水源多位于地壳常温带含水层，水温范围一般在 1022之间且常年稳定。地下水在循环运动中不断与空气、土壤和岩石等环境介质接触、互相作用，使其具有复杂的水质。地下水水质直接影响地下水源热泵系统的使用寿命和制冷(热)效率，水质太差会造成管路、设备结垢、腐蚀，流动阻力增大甚至产生堵塞，如果添加水处理设备又会大大增加初投资和运行费用，使系统经济性和节能性下降。因此，在应用地下水源热泵时，除应关心水源水量外，还应关注地下水的温度、化学成分、浊度、硬度、矿化度和腐蚀性等因素。水源热泵系统对地下水水质的基本要求是：澄清、水质稳定、不腐蚀、不滋生微生物或生物、不结垢等。地下水中对水源热泵机组的有害成分有：溶解氧、氢离子、碳氧化物、氢的硫化物、氨、氯离子、硫酸根离子等。2.3地下水源热泵的要求目前对于地下水源热泵所用水源的水质还没有制定相关规范，根据冷却循环水的水质标准和某些地区地下水回灌水质的有关规定，结合地下水水化学特点，得到水源热泵用地下水水质参考标准如下：2.4 地表水源热泵的要求 水量得足，若低温热源很低，能量采集必须要考虑结冰防冻问题，同时由于地表水温度过低，热泵系统的能效比（COP值）降低并同时影响其额定热输出功率。一般地表水温度在5度以上地区可以考虑实施。2.5 沈阳市气候及地下水条件概述 沈阳市的极端最低温度低于5度的月份有九个月，而且水资源贫乏，通过计算可得全年降水量为689.8mm，低于全国主要城市平均降水量，部分河流成为污水沟，才能、常年水流量维持不变。水质污染较严重，所以地表水泵实施较不合理。沈阳市有很好的水文地质条件，有较大河流 26 条。降水和地表水补给条件优越，地下水资源比较丰富，单井出水量大约 3000m3/d。水的比热较大，导热率低，水温的升降变化比较缓慢，温度相对稳定。沈阳市地下水综合补给量 23.68 亿m3，可开采量 19.34 亿 m3，排除地表水重复利用量，水资源总量为 32.27 亿 m3。地下水环境污染较轻，从监测结果来看，除硝酸盐超过类水质外，其余指标均在一类水质之间，超标段多分布于市区及县镇。地下水微量组分污染物为 COD、氰酸、六价铬、铝、锌等，具备地下水源热泵系统使用条件。3、利用实例对地源热泵进行能效分析3.1 能效分析的重要性高效节能是地下水源热泵系统的主要优点之一，也是其能否得到推广应用的关键因素。前面几章从理论上对地下水源热泵的节能性作了简单分析，但是一个系统的节能与否会受到很多因素的影响，不同地区和环境的系统的节能性是不一样的，只有对系统在实际运行中的能耗情况进行研究分析，才能准确判断其节能性。本课题通过对沈阳市几个典型地下水源热泵系统的冬季运行情况进行 24 小时连续监测，获取了大量实时数据，下面选取其中一处具有代表性的系统进行能耗分析，以评估系统在实际使用中的节能性。3.2工程实例该工程为东北大学游泳馆供热、制冷，泳池加热以及卫生热水工程。占地积4015.45 ，建筑面积 6774.86 ，游泳区面积 2936 ，主体高度 22 米，于 2005 年10 月建成并投入使用。该游泳馆夏季供冷、冬季供暖以及生活热水和泳池水加热都由地下水源热泵提供。热源系统采用 7 台 HE450 热泵机组（额定制热量 455kw、功率 100kw；额定制冷量 380kw、功率 80kw），其中 3 （1#、2#、3#）用于游泳馆池水和淋浴热水加热，4 台（4#、5#、6#、7#）用于游泳馆供暖制冷，我们取其中的一台全天运行的热泵机组进行测量和计算。温度的记录与分析该机组负责游泳馆空调及采暖，从 9:00 开始测试。热水出回水和地下水出回水温度都比较稳定。地下水出水温度稳定在 15.2，空调侧热负荷有微小波动，到早上 7：00 左右，热水回水温度达到全天最低点。电耗的记录与分析从早上 9:00 开始测试，全天连续运行时间 24 小时。机组随空调负荷的变化变工况运行。3.3 制冷工况及供热工况的能效性计算： 热泵机组将热量 QL 从低温热源取出，同时整个循环要消耗能量 Wnet；性能系数表示为制冷量Ql与输入循环功Wnet的比值，也可用制冷系数表示 COP=Ql/Wnet热泵机组将热量 QH 传递给高温热源，性能系数表示为制热量 QH 与输入循环功Wnet 的 比值，也用供热系数表示。理想状况下，热泵制热量 QH 等于从低温热源吸收的热量（也可视为制冷机的制冷量 QL）与输入循环功 Wnet 之和，所以供热系数可表示为： COP=QH/Wnet=(Ql+Wnet)/Wnet=1+ 其中QH = L C p (Tout Tin )其中，L水流量，kg/s（根据实测水源侧为32.3m3/h,空调侧为57.9m3/h） Cp水的定压比热容，通常取 4.19kj/(kg)根据公式计算得到热泵机组一天的供热量已及一天的COP 因此，此热泵机组的日平均能效比为3.35。4.1 地下水源热泵存在的问题（1）地下水源热泵系统对于地下水环境的影响：虽然地下水回灌率理论上可以达到 100，在设计精确施工合理的情况下不会对地下水资源造成破坏，但是目前的研究仅限于短期内对地下水质的抽样分析，而长期的抽水换热对于整个地下生态环境的影响并没有得到很好的重视，这真正关系到地下水源热泵技术的应用前景，是今后研究的重点；（2）地下水井群分布优化的研究：这里面包括对于地下水热迁移的研究，回灌井温度场的数值模拟，井群流场及其热贯通影响的分析等等，这些对于地下水源热泵系统的建井以及地下水温度场、流场、换热特性的研究具有很好的指导意义。（3）水源热泵系统的优化控制：本文只对系统进行了数学建模和仿真，得出了系统的响应曲线，没有研究系统的优化控制方法，对大滞后非线性系统的控制一般需要采用模糊控制的方法，针对水源热泵系统设计合适的模糊控制器也是今后研究的重要方面。4.2 应对措施（1）完善相应的标准和发律法规（2）建立统一的管理体系即有效的激励体制（3）运行商一定要对地下情况充分了解分析运行可行性（4）在设计阶段不仅仅局限于性能试验与数值模拟，实地测量更可靠（5）在设计阶段相关人员就应安装地下监测装备参考文献1 龙惟定试论我国暖通空调业的可持续发展暖通空调，1999, 29(3): 25-302 江亿, 清华大学DeST开发组建筑节能技术与实践丛书北京：中国建筑工业出版社，20063 李吟天改善我国大气环境加快开发利用天然气资源中国能源，1997(7): 35-404 倪龙，封家平地下水源