洪順軍 杜 衛(wèi) 李志鵬 劉永紅 何敬行 金 羿

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水源熱泵技術(shù)在某可再生能源項目中的應(yīng)用研究

洪順軍1杜 衛(wèi)1李志鵬2劉永紅1何敬行1金 羿1

（1.中節(jié)能先導(dǎo)城市節(jié)能有限公司 長沙 410208;2.長沙理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 長沙 410114）

以水源熱泵技術(shù)在某項目中的應(yīng)用為例，詳細(xì)介紹了水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計過程中的負(fù)荷分析、技術(shù)方案、取退水及供能管網(wǎng)方案，對某項目采用水源熱泵技術(shù)的節(jié)能效果及投資進(jìn)行了分析，并對取退水口處水流影響情況作了模擬分析。分析結(jié)果表明：退水水流不會對取水及河流水溫產(chǎn)生影響；供能管網(wǎng)水力損失較小；水源熱泵系統(tǒng)減排、節(jié)能效果十分明顯。通過介紹水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用，對節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域的發(fā)展具有一定推動作用。

水源熱泵；負(fù)荷分析；技術(shù)方案；數(shù)值模擬；節(jié)能

0 引言

目前，隨著《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》的出臺，我國可再生能源項目迎來了良好契機。進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，風(fēng)能發(fā)電、光伏發(fā)電、核能、生物質(zhì)能、區(qū)域能源等可再生能源項目在我國廣泛布局，在國家有關(guān)政策的大力扶持下，未來我國可再生能源項目發(fā)展前景十分廣闊[1,2]。在區(qū)域供能領(lǐng)域，水源熱泵技術(shù)得到了較為廣泛的應(yīng)用，其能效比高于空氣源熱泵，尤其是使用水源熱泵技術(shù)能夠降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，能源利用率得以提高[3,4]。水源熱泵能效比高于空氣源熱泵，尤其是使用水源熱泵技術(shù)能夠降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，能源利用率得以提高[5-7]。

某項目臨近河流，占地面積約99萬m2，總建筑規(guī)模接近400萬m2，其中，建筑業(yè)態(tài)有公寓、商業(yè)、寫字樓等。項目總供能面積為41.3萬m2。項目建設(shè)內(nèi)容主要包括了取退水、能源站及室外供能管網(wǎng)工程。

1 負(fù)荷分析

1.1 供能面積

某項目供能范圍一共包含2個區(qū)域，總占地面積約為13.88萬m2，供能面積為41.3萬m2。2個區(qū)域詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1所示。

表1 供能區(qū)域數(shù)據(jù)表

1.2 設(shè)計日冷熱負(fù)荷

該項目所在地區(qū)空調(diào)運行時間：供冷季5月1日至10月1日；供熱季11月1日至2月28日。選取該地區(qū)典型建筑負(fù)荷模擬軟件進(jìn)行全年負(fù)荷模擬計算，類型為寫字樓、商業(yè)建筑及酒店。通過模擬計算，該地區(qū)典型建筑峰值負(fù)荷指標(biāo)見表2所示。

表2 典型建筑峰值負(fù)荷指標(biāo)

1.3 總冷熱負(fù)荷

根據(jù)模擬計算得到的典型建筑峰值負(fù)荷指標(biāo)及逐時冷熱負(fù)荷指標(biāo)，計算出各供能建筑逐時負(fù)荷及供能數(shù)據(jù)。該項目設(shè)計日逐時冷負(fù)荷及逐時熱負(fù)荷見圖1（a）及（b），單位為MW。

（a）設(shè)計日逐時冷負(fù)荷

（b）設(shè)計日逐時熱負(fù)荷

圖1 設(shè)計日逐時負(fù)荷圖

Fig.1 Hourly load on design days

從圖1可以看出，該項目供能建筑設(shè)計日最大冷負(fù)荷出現(xiàn)在15:00，總供冷負(fù)荷為39MW；設(shè)計日最大熱負(fù)荷出現(xiàn)在8:00，最大熱負(fù)荷為22MW。

根據(jù)《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》（第二版），需考慮各供能建筑的同時使用系數(shù)，結(jié)合本項目區(qū)域建筑類型，采用綜合使用系數(shù)0.8。該項目修正負(fù)荷見表3所示。

表3 該項目總供能負(fù)荷

2 水源熱泵技術(shù)方案

2.1 能源站規(guī)模

該項目臨近河流，可采用河水源熱泵技術(shù)進(jìn)行供能，總供能冷負(fù)荷為31.2MW，總熱負(fù)荷為17.6MW。因為冷熱負(fù)荷不同，為了兼顧水源熱泵系統(tǒng)能效率以及投資經(jīng)濟性，根據(jù)總熱負(fù)荷數(shù)據(jù)配置水源熱泵機組裝機容量，并為夏季供冷，不足冷負(fù)荷部分配置冷水機組。該項目水源熱泵系統(tǒng)配置見表4所示。

表4 系統(tǒng)主機配置情況

2.2 能源站選址

根據(jù)規(guī)范，能源站位置盡量遠(yuǎn)離居住用房，可考慮采用地下建筑，對地面的整體規(guī)劃影響較小。能源站盡量布置在供能區(qū)域的中心位置，有利于供能管網(wǎng)的合理設(shè)計[8-9]。該項目能源站的供能直徑最大為1.5km，可將能源站布置與供能區(qū)域一商業(yè)建筑的地下室。該項目能源站由水源熱泵機房、值班室、會議室、辦公用房、控制室及高低壓配電室組成。能源站總建筑面積為2105m2。

2.3 主要設(shè)備配置

由于選用了4臺水源熱泵主機及3臺冷水機組，根據(jù)主機配置主要設(shè)備，具體見表5所示。

表5 系統(tǒng)設(shè)備配置表

3 取退水及供能管網(wǎng)方案

3.1 取退水方案

由該項目臨近河流為水源熱泵能源站供水，根據(jù)對河流近50年水量的分析結(jié)果，其可以滿足能源站夏季供水水量1.4m3/s的需要。取退水工藝流程圖見圖2所示。

圖2 取退水工藝流程圖

圖3 取水頭部平面圖

如圖2所示，該項目從臨近河流經(jīng)取水頭部取水，采用負(fù)壓引流取水方式，負(fù)壓引流罐設(shè)置于防洪大堤靠近河流側(cè)，在此處把河水輸送至水源熱泵機組，經(jīng)水源熱泵機組處理后就近退水至河流中。

3.2 格柵設(shè)置

設(shè)計流量：1=1.4m3/s，進(jìn)水孔設(shè)計流速：2=0.5m/s，格柵條采用扁鋼材料，厚度：=10mm，柵距：=50mm，格柵阻塞系數(shù)取1=0.78，則由格柵導(dǎo)致的面積減少系數(shù)為：

進(jìn)水孔總面積為：

=1.4/(0.78×0.83×0.5)=4.4m2

箱式取水頭從側(cè)面進(jìn)水，設(shè)兩格，單格設(shè)置一個格柵，正面設(shè)置一個。則格柵單格面積1=2.2m2。格柵尺寸選用：×=1700mm×1300mm。

3.3 管道設(shè)計

（1）取水管道設(shè)計

設(shè)計流量：1=1.4m3/s，取水管道長度為290m，為了確保取水過程的順利進(jìn)行，共設(shè)計2根取水管道，每根管道按總流量的68%設(shè)計，原水輸送管道管徑DN800，設(shè)計流速2≥0.6m3/s，管道設(shè)計流速：

3=41/(3.14×2)2.8m3/s≥0.6m3/s

如果其中1根輸水管道出現(xiàn)問題，另外1根在滿足水源熱泵機組68%流量的前提下流速大于0.6m3/s。

（2）排水管道設(shè)計

設(shè)計流量：1=1.4m3/s，退水管道長度為350m。管徑DN800mm，設(shè)計流速為2.8m3/s，退水管道連接該項目臨近河流。

3.4 取退水對河流影響分析

在分析該項目能源站取退水對臨近河流的影響時，重點考慮兩個方面，一是退水水流是否會對取水口取水產(chǎn)生影響，二是退水口水流對整個臨近河流水溫的影響。

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，人為造成的環(huán)境水溫變化應(yīng)限制在：周圍平均最大溫升 ≤1℃。周平均最大溫降≤2℃。根據(jù)《全國地表水水環(huán)境容量核定》，污染帶長度小于500～1000m，且污染面積不得超過1/3河寬。

采用Fluent軟件對項目能源站系統(tǒng)取退水靠近河流段進(jìn)行模擬分析，通過建立模型模擬計算水流溫度場，分析了夏季取退水口分布及退水口溫升對河水的影響。

（1）夏季取退水影響分析

夏季取退水參數(shù)見表6所示，夏季退水口河面水溫分布云圖圖4所示。

表6 夏季取退水口參數(shù)

從圖4可以看出，退水口水流會引起上游河水0.6℃以下溫升，但影響長度為95m左右，且影響區(qū)域為河流對岸，而取退水口距離是230m，所以退水水流不會對取水溫度產(chǎn)生影響。在排水口處，出水溫度比河水高6℃，在設(shè)計日最大負(fù)荷情況下受影響區(qū)域平均溫升約為0.6℃，溫升超過1℃的污染帶寬度約為整個河面寬的11.8%，長度約為22m。

圖4 夏季退水口河面水溫分布云圖

夏季取水口速度場分布云圖見圖5所示。

從圖可以看出，取水全部來自河流上游，所以取水不受下游退水的影響；此外，根據(jù)退水口速度場云圖結(jié)果，在退水口處河流對岸會形成局部小范圍的環(huán)流，但距離取水口有一定距離，環(huán)流不會對取水口處溫度場產(chǎn)生影響。

圖5 夏季取水口速度場分布云圖

3.5 供能管網(wǎng)方案

（1）敷設(shè)方式

該項目室外管網(wǎng)主要為用戶端輸送冷熱量，夏季管網(wǎng)供冷回水溫度為5/12℃，冬季供熱溫度為46/39℃。

供能管網(wǎng)敷設(shè)方式有：地上架空敷設(shè)及地下敷設(shè)。地上敷設(shè)通常是架空敷設(shè)，而地下敷設(shè)包含了地溝敷設(shè)和直埋敷設(shè)。根據(jù)該項目現(xiàn)場情況，均采用地下敷設(shè)方式，采用鋼制預(yù)制保溫管道。

（2）水力損失計算

供回水溫差：7℃，局部阻力損失系數(shù)ξ=0.28，設(shè)計比摩阻：30～70Pa/m，管道絕對粗糙度為0.18mm。該項目室外供能主管道水力損失見表7所示。

根據(jù)水力計算，供能區(qū)域最大管徑為700mm，供能半徑約325m，供回水管最不利環(huán)路管網(wǎng)水力損失為0.74m。

表7 室外供能主管道水力損失表

4 節(jié)能及投資分析

水源熱泵技術(shù)是近年來在全世界備受關(guān)注的新能源技術(shù)之一，其節(jié)能效果十分明顯[10-12]。通過計算，該項目采用水源熱泵系統(tǒng)可以減少標(biāo)煤排放423.41噸/年，減少SO2排放33.45噸/年、CO2排放1198.76噸/年、煙塵排放317.75噸/年、氮氧化物排放17.47噸/年。

該項目投資估算范圍包括能源站建筑，設(shè)備采購及安裝工程，配套管網(wǎng)及取退水工程。通過估算，該項目建設(shè)靜態(tài)投資總額為12136.45萬元。

5 結(jié)論

目前，水源熱泵技術(shù)得到了較為廣泛的應(yīng)用，水源熱泵系統(tǒng)在具體項目中的應(yīng)用涉及到多個方面，比如用能面積統(tǒng)計、冷熱負(fù)荷計算、技術(shù)方案、取退水方案、供能管網(wǎng)方案、運行費用及經(jīng)濟性分析等。在具體項目中如何更好的采用水源熱泵技術(shù)、突出該技術(shù)在節(jié)能方面的優(yōu)勢成為了一項重要的研究課題。通過分析該技術(shù)在某項目中的應(yīng)用情況為后續(xù)的研究及應(yīng)用提供了一定參考，在一定程度上能夠推動節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域的快速發(fā)展。

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Research on Application of Water Source Heat Pump in a Renewable Energy Resources Project

Hong Shunjun1Du Wei1Li Zhipeng2Liu Yonghong1He Jinghang1Jin Yi1

( 1.Cecep & Cpih City Energy Conservation Co., Ltd, Changsha, 410208;2.College of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha, 410114 )

By taking the application of water source heat pump in one project as an example, detailedly explains the load analyses, technical proposal, water intaking and draining scheme and pipe network scheme of energy supply, analyses the energy conservation effect and investment of using water source heat pump in the project, and simulates the influence of flows near the water intake and outlet on the river flow and water intake and outlet. The analyzed results shows that the drained flow will not have influence on temperature of water intake and river flow; the hydraulic loss of energy supply pipe network was quite small; the pollution emission reduction and energy conservation effect was very obvious. By introducing the application of water source heat pump, the development of energy conservation and environmental protection field can be prompted.

water source heat pump; load analysis; technical solution; numerical simulation; energy saving

1671-6612（2017）03-286-06

TK79

A

洪順軍（1988-），男，碩士研究生，E-mail：hongshunjun@126.com

2016-04-29