陳文葉

(大連冷凍機股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)部，遼寧大連 116033）

海水熱泵機組工作原理及應(yīng)用＊

陳文葉

(大連冷凍機股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)部，遼寧大連 116033）

海水熱泵機組利用海水、污水等可再生能源，可實現(xiàn)冬天供熱、夏天供冷，既節(jié)能又環(huán)保，滿足區(qū)域性居民和商用建筑供暖和供冷的需求，發(fā)展?jié)摿Υ蟆?/p>

海水熱泵;供熱;供冷;節(jié)能環(huán)保

1 海水熱泵的概念

海水熱泵是水源熱泵的一種，是以海水 (生活污水、工業(yè)廢水等）作為提取和儲存能量的基本“源體”，它借助壓縮機系統(tǒng)，消耗少量電能，在冬季把存于海水中的低品位能量“取”出來，給建筑物供熱;夏季則把建筑物內(nèi)的能量“取”出來釋放到海水中，從而達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的目的。海水熱泵雖然是以海水為“源體”，但不消耗海水，也不會對海水造成污染。

2 海水熱泵機組工作原理

2.1 海水熱泵機組結(jié)構(gòu)簡介

海水熱泵機組結(jié)構(gòu)主要由壓縮機、冷凝器、過冷器、經(jīng)濟器、蒸發(fā)器、節(jié)流裝置和閥門等設(shè)備組成。

圖1 海水熱泵機組外形Fig.1 Shape of seawater-source heat pumps

壓縮機是海水熱泵機組的心臟，起著壓縮和輸送制冷劑從低溫低壓處到高溫高壓處的作用;蒸發(fā)器是輸出冷量的設(shè)備，它使經(jīng)節(jié)流閥流入的制冷劑液體蒸發(fā)，以吸收被冷卻介質(zhì)的熱量，達(dá)到制冷的目的;冷凝器是輸出熱量的設(shè)備，從蒸發(fā)器吸收的熱量連同壓縮機消耗功所轉(zhuǎn)化的熱量在冷凝器中被冷卻介質(zhì)帶走，達(dá)到制熱的目的;節(jié)流裝置對制冷劑起到節(jié)流降壓的作用，并調(diào)節(jié)進入蒸發(fā)器的制冷劑流量;經(jīng)濟器可向壓縮機進行補氣，增大制冷量;過冷器可使制冷劑液體過冷，減少制冷劑在節(jié)流過程中產(chǎn)生的閃發(fā)氣體，提高制冷效率。

2.2 海水熱泵機組工作原理

2.2.1 海水熱泵機組設(shè)計工況

海水熱泵機組設(shè)計工況見表1。

表1 海水熱泵機組設(shè)計工況Table 1 Design conditions of seawater-source heat pumps

2.2.2 海水熱泵機組冬季工作流程

通過機組內(nèi)部閥門的切換，兩臺壓縮機串聯(lián)運行，工作流程如下:

制冷劑側(cè):從二級膨脹閥節(jié)流的低溫低壓制冷劑液體，在蒸發(fā)器中吸收熱源 (海水或污水）的熱量氣化為低溫低壓制冷劑氣體，氣化后的低溫低壓制冷劑被低壓級壓縮機吸入，經(jīng)過壓縮后與經(jīng)濟器出來的常溫中壓氣體混合進入高壓級壓縮機，壓縮后變?yōu)楦邷馗邏簹怏w排入冷凝器和過冷器。在冷凝器中，高溫高壓制冷劑氣體將熱量傳給從用戶返回的熱水，熱水被加熱，制冷劑氣體被冷卻成常溫高壓的液體。制冷劑液體經(jīng)一級膨脹閥節(jié)流變?yōu)橹袦刂袎簹庖簝上嘁后w，進入經(jīng)濟器，其中，制冷劑氣體與低壓級壓縮機排出的氣體混合后進入高壓級壓縮機吸氣腔;制冷劑液體經(jīng)過二級膨脹閥節(jié)流變?yōu)榈蜏氐蛪簹庖簝上嘁后w后進入蒸發(fā)器，制冷劑液體吸收海水 (污水）熱量后變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w，進入低壓級壓縮機吸氣腔。

熱水側(cè):在設(shè)計工況下，用戶回水溫度為55℃的熱水進入過冷器、冷凝器，經(jīng)過高溫高壓制冷劑加熱后，溫度升至65℃，用于供暖。

海水 (污水）側(cè):在設(shè)計工況下，經(jīng)過處理的3℃海水 (7.5℃污水）通過蒸發(fā)器把熱量傳給低溫低壓的制冷劑，溫度降至0.5℃ (2.5℃），之后排入大海 (污水處理廠）。

圖2 海水熱泵機組流程圖Fig.2 Flow chart of seawater-source heat pumps

2.2.3 海水熱泵機組夏季工作流程

通過機組內(nèi)部閥門的切換，兩臺壓縮機并聯(lián)運行 (每臺壓縮機也可獨立運行），工作流程如下:

制冷劑側(cè):低溫低壓制冷劑液體吸收用戶空調(diào)回水的熱量后，變成低溫低壓的氣體，被壓縮機吸入，壓縮為高溫高壓氣體排入冷凝器。制冷劑連續(xù)經(jīng)過冷凝器和過冷器，被海水 (污水）冷卻后變?yōu)槌馗邏阂后w，經(jīng)過一級膨脹閥節(jié)流變?yōu)榈蜏氐蛪簹庖簝上嘁后w，進入蒸發(fā)器后，制冷劑液體吸收冷水熱量變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w，被壓縮機吸入。

冷凍水側(cè):在設(shè)計工況下，用戶回水溫度為10℃的冷水進入蒸發(fā)器，經(jīng)過低溫低壓制冷劑冷卻后，溫度降為3℃。

海水 (污水）側(cè):在設(shè)計工況下，經(jīng)過處理的23℃海水通過過冷器、冷凝器，吸收高溫高壓制冷劑的熱量后溫度升高至33℃。

3 海水熱泵機組的現(xiàn)狀及應(yīng)用

國外有很多應(yīng)用海水做熱泵冷熱源的實例，如20世紀(jì)70年代初建成的悉尼歌劇院，日本20世紀(jì)90年代初建成的大阪南港宇宙廣場區(qū)域供熱供冷工程等。北歐諸國在利用海水熱源方面具有豐富的實踐經(jīng)驗，其中瑞典就是一個典型應(yīng)用海水源熱泵集中供冷供暖的國家。瑞典首都斯德哥爾摩建設(shè)了總能力為180 MW的世界上最大的海水熱泵站，用于區(qū)域供熱供冷，占城市中心網(wǎng)輸送總量的60%。

我國第一個海水源熱泵項目于2004年在青島發(fā)電廠建成使用，該項目建筑面積為1871 m2。目前，國內(nèi)最大海水源熱泵項目大連星海灣商務(wù)區(qū)(Ⅰ期工程）區(qū)域供熱供冷站已成功運行了四年。大連星海灣Ⅰ期工程采用3臺離心式海水熱泵機組，每臺機組設(shè)有兩臺不同型號的壓縮機，在冬、夏季按照兩種模式運行。冬季海水作為熱泵的熱源，由海水提取泵供到熱泵機組的蒸發(fā)器，海水被冷卻后排至熱泵機房旁的馬欄河河道，然后流入大海。來自海水的熱能經(jīng)過熱泵機組提升后，在冷凝器端產(chǎn)生高溫?zé)崴?，與每個建筑物內(nèi)分站的板換換熱后送至建筑物內(nèi)的末端設(shè)備。夏季熱泵機組轉(zhuǎn)換為冷水機組使用，海水按照與冬季同樣的方式循環(huán)，不同的是海水進入冷凝器用于冷卻熱泵 (冷水）機組。海水作為熱泵機組的排熱體，經(jīng)冷凝器被加熱后排入大海。同時，蒸發(fā)器產(chǎn)生低溫冷水，與分站的板換換熱后送至建筑物內(nèi)的末端設(shè)備。

系統(tǒng)參數(shù)如下:冬季供回水溫度:65/56℃，制熱量:23 000 kW;夏季供回水溫度:3/10℃，制冷量:30 000 kW。實際運行表明，機組完全滿足了三座建筑 (建筑面積為25.6萬m2）的供暖供冷需求。

4 淺析海水熱泵機組經(jīng)濟性和環(huán)保性

海水熱泵機組 (3臺）主要經(jīng)濟指標(biāo)見表2，單位面積經(jīng)營成本比較見表3。

表2 海水熱泵機組 (3臺）主要經(jīng)濟指標(biāo)Table 2 Major economic indicator of 3 sets seawater-source heat pumps

海水熱泵系統(tǒng)單位面積投資為234元/m2，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)單位面積投資為197元/m2，增量投資可以在不到6 a時間內(nèi)收回。

我國一次性能源消耗中煤占68.7%，工業(yè)鍋爐每燃燒1 t標(biāo)準(zhǔn)煤，就產(chǎn)生2620 kg CO2，8.5 kg SO2，7.4 kg氮氧化物。燃煤造成的CO2、SO2、氮氧化物等污染性氣體已對我國的自然資源、生態(tài)系統(tǒng)和公眾健康構(gòu)成了威脅。尤其是CO2，產(chǎn)生溫室效應(yīng)，導(dǎo)致氣候變暖和生態(tài)惡性發(fā)展?，F(xiàn)以耗電量和燃煤消耗量進行比較。計算條件:發(fā)電煤耗折算系數(shù)為0.3619 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/(kW·h），電的輸配效率為95%，常規(guī)系統(tǒng)的供熱效率取70%，煤的運輸和排渣損耗為10%，標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為8.14(MW ·h）/t。由表4可知，海水熱泵機組能源利用率是很可觀的。

表3 單位面積經(jīng)營成本比較Table 3 Compared with unit areamanagement cost

表4 折合一次能源消耗量對比表Table 4 Combined primary energy consumption comparison table

5 結(jié) 語

海水熱泵機組合理利用海水、污水等可再生能源，大大提高能源利用率。海水熱泵機組在區(qū)域供暖、區(qū)域供冷系統(tǒng)中的應(yīng)用推廣，能夠打破傳統(tǒng)以煤炭、石油、天然氣等不可再生能源為燃料的采暖方式，減少CO2和SO2等污染物的排放，既節(jié)能又環(huán)保，符合我國長期的能源發(fā)展戰(zhàn)略。

我國海岸線總長約3.2萬km，海水是取之不竭的可再生能源。東部沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達(dá)，人口密集，建筑物集中，能源消耗量大。海水熱泵技術(shù)應(yīng)用將大大緩解沿海地區(qū)的空調(diào)用電壓力。與水源熱泵空調(diào)相比，海水熱泵可節(jié)約大量的淡水資源，這一點對于淡水匱乏的我國而言意義重大。隨著國家對環(huán)保的重視，以及目前大力倡導(dǎo)的環(huán)保減排、節(jié)能高效政策，海水熱泵機組將有很好的發(fā)展空間。

［1］吳業(yè)正．制冷原理及設(shè)備 ［M］．西安:西安交通大學(xué)出版社，2010．

［2］馬最良，姚楊，等．熱泵技術(shù)應(yīng)用理論基礎(chǔ)與實踐［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010．

［3］化學(xué)工業(yè)出版社．暖通空調(diào)常用資料備查手冊［G］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011．

［4］李芳芹，等．煤的燃燒與氣化手冊［G］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1997．

［5］馬寶岐，等．煤焦油制燃料油品［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011．

W orking Principle And Application of Seawater-Source Heat Pum ps

CHENWenye
(Dalian Refrigeration Co．，Ltd．，Dalian 116033，China）

Seawater-source heat pumps using seawater，sewage and other renewable energy，can supply heat in winter and cool in summer．It can meet regional residents and commercial building heating and cooling demand，and it＇s both energy saving and environmental protection．The development potential is too be big．

seawater-source heat pumps;supply heat;supply cool;energy saving and environmental protection

TB65

B

1007-7804(2011）04-0012-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2011.04.003

2011-06-14

陳文葉 (1975），男，2001年畢業(yè)于吉林大學(xué)機械制造及自動化專業(yè)，現(xiàn)主要從事活塞和螺桿壓縮機組及壓力容器產(chǎn)品設(shè)計工作。