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水源熱泵與未利用能
在全國(guó)的總能耗中，民生用采暖、空調(diào)耗能比例逐年增長(zhǎng)。目前，采暖、空調(diào)存在能效低、惡化城市大氣環(huán)境質(zhì)量等問(wèn)題，以低溫、空調(diào)方式，具有耗能少，不污染利用方式，如水源熱是一種較理想的采暖、空調(diào)方式，具有耗能少，不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。中國(guó)工程院能源與礦業(yè)學(xué)部，東北電力集團(tuán)總工黃其勵(lì)院士提出了《關(guān)于城市小區(qū)熱、電、冷三聯(lián)供技術(shù)》咨詢項(xiàng)目。通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證了以熱電廠冷卻循環(huán)水、礦井水為熱源的水源熱泵采暖空調(diào)系統(tǒng)的可行性，經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性；提出了發(fā)展熱、電、冷三聯(lián)供的咨詢報(bào)告。一、未利用能及利用方式
《未利用能》指的是還沒(méi)有利用的能，它不等同于余熱、廢熱。表1為未利用能的分類。未利用大至分為自然類和城市基礎(chǔ)設(shè)施（人工類），若按溫度高未利用能的分類表1
能源
溫度分類
自然類
地?zé)?br />
中溫-高溫
溫泉
中溫
河水、海水、湖水、地下水
低溫
城市基礎(chǔ)設(shè)施（人工類）
清掃工廠、工業(yè)廢棄物、下水污泥
高溫
工場(chǎng)、發(fā)電廠
低溫-高溫
下水、變電站
地下送電電纜、地下鐵
地下室、冷凍倉(cāng)庫(kù)、游泳池
冰場(chǎng)、公共浴室
低溫
低區(qū)分，可分為低溫、中溫和高溫。低溫指的是數(shù)℃～40℃接近環(huán)境溫度的熱源，可利用的能量是溫差顯熱。中溫是從數(shù)拾℃的燃燒氣體等的熱源，可利用發(fā)生蒸汽的潛熱。圖1表示低溫?zé)嵩吹睦梅绞�。民用設(shè)施上利用低溫?zé)崮艿姆绞酱笾路譃�，（a）熱泵，（b)直接利用，采暖、生活熱水需要40℃以上溫度的熱能，因此，必須采用熱泵，除使用制冷機(jī)（或熱泵）制冷之外，直接將冷水流過(guò)空氣冷盤管也可實(shí)現(xiàn)制冷，此時(shí)，由于冷卻盤管出日空氣的溫度為16~19℃，因此，可利用的最高溫度為15一18℃，它比空調(diào)用冷水（5一7℃）高，其除濕能力較小，為了擴(kuò)大低溫?zé)岬睦秶�，在使用熱泵的條件下，有時(shí)還必須投入補(bǔ)助能源。因此，評(píng)價(jià)其節(jié)能效果時(shí)，不僅要了解貯存熱量的多少，還應(yīng)符合熱力學(xué)第二定律。圖2表示直接或間接利用中溫?zé)徇M(jìn)行采暖、生活熱水的方式，制冷使用吸收式制冷機(jī)。利用中溫?zé)崮軙r(shí)，貯熱量直接和一次能的減少率相關(guān)，因此，僅用熱量就進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖3表示垃圾焚燒：熱等的高溫?zé)崮芾梅绞�。即，首先利用高溫高壓蒸汽發(fā)電，然后，直接或間接地利用抽氣或排氣蒸汽進(jìn)行采暖、行活熱水和空調(diào)。
地球環(huán)境問(wèn)題，城市大氣環(huán)境污染問(wèn)題，能源供應(yīng)不足問(wèn)題等可持續(xù)發(fā)展促進(jìn)了國(guó)家和各級(jí)政府關(guān)心、重視未利用能源的問(wèn)題。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高，民用能源的需求量不斷提高，大部分民用能源并不要求高溫?zé)嵩�。這就為未利用能源的利用提供了機(jī)會(huì)。
現(xiàn)在，未利用能源的利用是大家經(jīng)常討論的課題、國(guó)家的有關(guān)法律，如節(jié)能法都予以支持、鼓勵(lì)。
二、以電廠冷卻循環(huán)水為熱源的水源熱泵采暖空調(diào)系統(tǒng)。
1、水源熱泵系統(tǒng)
水源熱泵是一個(gè)雙管封閉的水系統(tǒng)，并聯(lián)連接住宅建筑中每戶的熱泵機(jī)組，從而構(gòu)成一個(gè)中央采暖和空調(diào)系統(tǒng)。這個(gè)水源熱泵系統(tǒng)的理想正常運(yùn)行溫度（指熱泵進(jìn)水溫度）為15℃到35℃之間。冬天，如果水源的水溫低于15℃時(shí)，則必須由輔助和熱器向系統(tǒng)加入熱量，以維持水溫達(dá)到最低溫度15℃。反之在夏季，當(dāng)水系統(tǒng)水溫升達(dá)35℃以上時(shí)，多余的熱量需要通過(guò)排熱設(shè)施或冷卻塔排放到室外。綜上所述，水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)一般由開(kāi)式冷卻塔、換熱器、雙管封閉水系統(tǒng)、熱泵、循環(huán)和補(bǔ)助熱裝置等組成。
2。電力大廈采用水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的有利條件及優(yōu)越性
大連發(fā)電總公司擬建電力住宅大廈，是由發(fā)電總廠、大連電業(yè)局、東電二公司和大連電力工業(yè)學(xué)校四家聯(lián)合投資共建。占地面積約為2880平方米，距發(fā)電總廠約6oo米，地下兩層，地上三十層（三層以下是公建，四層以上為住宅）。住宅總建筑面積44000平方米，公建8000平方米，地下部分2000平方米。
�、儆欣麠l件
大連地區(qū)氣象條件：冬季采暖室外計(jì)算溫度一11℃，采暖期131天，采暖期室外平均溫度一14℃。夏季室外空調(diào)計(jì)算溫度28.5℃，空調(diào)期約為90天。電力住宅大廈室內(nèi)氣象條件：冬季，室內(nèi)溫度18℃，相對(duì)濕度40一50%；夏季，室內(nèi)溫度26℃，相對(duì)濕度60一70%。
大連第一發(fā)電廠循環(huán)水溫度統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表2。從表中可知，冬季以循環(huán)水出口水為熱泵供水，夏季則以循環(huán)水人口為熱泵供水一
表2大連第一發(fā)電廠循環(huán)水溫度統(tǒng)計(jì)值
項(xiàng)目
1月
2月
7月
8月
9月
入口水溫℃
25.7
25
27.6
31.7
29.1
出口水溫℃
34.4
32.4
37.2
38.9
36.8
由于大連發(fā)電總廠冷卻循環(huán)水冬季（11月、12月、1月、2月）水溫約25℃，熱泵冬季運(yùn)行時(shí)，可以用循環(huán)水作熱源，水設(shè)輔助加熱裝置；夏季水溫約為30℃，低于熱泵機(jī)組要求的35℃，故夏季運(yùn)行時(shí)，也可以不設(shè)冷卻塔。
�、趦�(yōu)越性
A、可降低供熱空調(diào)系統(tǒng)初投資。由于系統(tǒng)采用電廠冷凝循環(huán)水作為水源熱泵的熱源，水溫在熱泵系統(tǒng)需要的正常范圍之內(nèi)，與一般的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)相比，可不設(shè)冷卻塔和補(bǔ)助加熱裝置，初投資約降低10％。
B、節(jié)約了采暖耗能
節(jié)能的原因在兩方面，一是冬季循環(huán)水溫約保持在25℃，這樣熱泵機(jī)組的COP值穩(wěn)定在4．2（當(dāng)EWT＝25℃時(shí)，cop=2.7/0.64=4．2；當(dāng)EWT=15℃時(shí)，cOP=2.2/0.6=3．6）c0P值較高且穩(wěn)定，說(shuō)明節(jié)能好，二是不需輔助熱源，節(jié)能量的計(jì)算見(jiàn)表3：
表3水源熱泵與熱電聯(lián)產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性比較
方案
采暖期需熱量
（Kwh/m2a）
采暖期需熱量(Kg標(biāo)煤/m2a)
節(jié)煤量
(Kg標(biāo)煤/m2a)
水源熱泵
99.63
9.7
5.7
熱電聯(lián)產(chǎn)
99.63
15.4
電力大廈4．2萬(wàn)m2每年節(jié)煤量為239t標(biāo)煤／a。
C、降低運(yùn)行費(fèi)用
水源熱泵運(yùn)行費(fèi)用是由熱泵機(jī)組用電費(fèi)，循環(huán)水系統(tǒng)電費(fèi)，維修費(fèi)和管理費(fèi)組成。其運(yùn)行費(fèi)為14元／m2.a，而熱電聯(lián)產(chǎn)每年每m2收18元／m2。因此水源熱泵年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)為4元／m2.a，電力大廈年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)16．8元／a。
D、占地少，主要表現(xiàn)：不設(shè)空調(diào)機(jī)房，不設(shè)豎井，不占居室平面面積。
E、安裝、維修方便，調(diào)節(jié)控制簡(jiǎn)便易行。
3、水源熱泵模擬運(yùn)行的測(cè)試與分析
為考證熱泵特性及制熱、制冷能否滿足需要，大連總廠于98年12月刀日至2月3日和99年7月20日至8月4日在廠內(nèi)新建綜合樓專設(shè)熱泵試驗(yàn)房間，分別進(jìn)行了熱泵特性模擬試驗(yàn)。對(duì)熱泵采暖、制冷8項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)房間位于三樓西側(cè)，在容積為6．95x6．35x3.15m2的室內(nèi)安裝了一臺(tái)HW一123R型水源熱泵，循環(huán)水熱源利用供暖水經(jīng)表面式加熱器換熱，使供水度加熱至20-23.5℃，以模擬設(shè)備冬季運(yùn)行的實(shí)際條件；夏季，有工業(yè)水（水溫在18℃）作為循環(huán)水。熱泵由一臺(tái)流量0．6m3／h循環(huán)水泵，保持該水加熱系統(tǒng)的運(yùn)行。冬季采暖期共運(yùn)行了331小時(shí)（最大不間斷連續(xù)運(yùn)行72小時(shí)），夏季制冷過(guò)行72小時(shí)。對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行了全測(cè)試，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
測(cè)試結(jié)果說(shuō)明：
（1）供熱能力：計(jì)算的試驗(yàn)房間設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為3057W，試驗(yàn)期間，冬季室溫為18℃，夏季
室溫為26℃，冬季水源熱泵COP為4．0。
（2)經(jīng)濟(jì)性（見(jiàn)表4)
�。�3）節(jié)能性（見(jiàn)表4）
表4水源熱泵的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性
1Kwh供熱量運(yùn)行費(fèi)
1Kwh供熱量耗能
水源熱泵（供熱）
0.122元/1Kwh
0.105Kg標(biāo)煤/1Kwh
低溫循環(huán)（供熱）
0.181元/1Kwh
0.154Kg標(biāo)煤/1Kwh
從表4可知，電力大廈采用水熱源泵供熱后，每1m2每采暖期約節(jié)約運(yùn)行費(fèi)5元，節(jié)標(biāo)煤5gk。噪音為41～55分貝，室內(nèi)中間距熱泵1．5m處為37-42分貝，均低于住宅建筑設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定值50分貝。
三、以礦井水為熱源的水源熱泵采暖空調(diào)系統(tǒng)
充州隆莊礦是我國(guó)先進(jìn)礦區(qū)之一，設(shè)計(jì)年產(chǎn)煤量3m萬(wàn)噸。實(shí)際年產(chǎn)煤已提高到500萬(wàn)噸。礦區(qū)有豐富的地下水，現(xiàn)建有水井18座，取水量26717,m3／d，水溫：冬季15℃，夏天19℃，水質(zhì)可飲用。礦區(qū)的礦井水也十分豐富，水溫19℃�，F(xiàn)己投資lm萬(wàn)元對(duì)礦井水進(jìn)行水質(zhì)處理。興隆礦擬對(duì)十八層單身職工公寓和新建三角地住宅小區(qū)實(shí)施聯(lián)供方案，由單純供暖改造成熱冷聯(lián)供。為提高工程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)先進(jìn)性和運(yùn)行可靠性，咨詢組共提出四個(gè)方案進(jìn)行比較，見(jiàn)表
5，比較結(jié)果見(jiàn)表6。
表5采暖空調(diào)方案比較
序號(hào)
方案
采暖空調(diào)方式
備注
方案1以地下水為熱源的水源熱泵（水-空氣),冬天：熱泵產(chǎn)生熱風(fēng)送至戶內(nèi)夏天：熱泵產(chǎn)生冷風(fēng)送至戶內(nèi)每戶設(shè)熱泵一臺(tái)將風(fēng)送至各房間
方案2
以地下水為熱源的水源熱泵（水-水）
冬天：熱泵產(chǎn)生熱水送至風(fēng)機(jī)盤管夏天：熱泵產(chǎn)生冷水送至風(fēng)機(jī)盤管
熱冷源集中、每戶設(shè)風(fēng)機(jī)盤管
方案3
電制冷+電廠采暖
冬天：熱電廠蒸汽+汽氣換熱器夏天：中央空調(diào)機(jī)送冷水至風(fēng)機(jī)盤管
熱冷源集中、每戶設(shè)風(fēng)機(jī)盤管
對(duì)比方案
分體空調(diào)+鍋爐房采暖
冬天：鍋爐房（熱電廠）供熱、戶內(nèi)散熱器夏天：每戶安裝分體空調(diào)機(jī)
熱源集中、冷源分散、空調(diào)品質(zhì)較差
表6備方案綜合比較
方案項(xiàng)目
單位供熱（冷）量的能耗（kg標(biāo)煤/m2年）
單位供熱（冷）量的系統(tǒng)投資（萬(wàn)元/kw)
單位供熱（冷）量設(shè)備全年運(yùn)行費(fèi)（萬(wàn)/kwh)
方案1
0.057
0.414（進(jìn)口）
0.07
方案2
0.057
0.053（進(jìn)口）
0.415（國(guó)產(chǎn)
0.07
方案3
0.133
0.421
0.12
對(duì)比方案
0.148
0.455
0.11
興隆礦實(shí)施水源熱泵采暖空調(diào)方式，以方案為最佳。雖然方案：水源熱泵（水一空氣）和方案2水源熱泵（水一水），都是在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)可采用的方案，但方案2中大型熱泵是一種集中冷（熱）源的方式，目前，國(guó)內(nèi)尚元大型水源熱泵廠家，進(jìn)口設(shè)備較貴，而國(guó)產(chǎn)水源熱泵系列不全，單臺(tái)容量較小。只能將多臺(tái)設(shè)備集中放置機(jī)房時(shí)，才能形成中冷（熱）源形式，這給安裝運(yùn)行維護(hù)均帶來(lái)不便。采用方案1無(wú)論是從單位供熱（冷）量所需能耗，還是從投資和運(yùn)行費(fèi)上看都具有明顯優(yōu)越性。其中進(jìn)口熱泵機(jī)組的價(jià)格與方案2中的國(guó)產(chǎn)投資相近，但比方案2進(jìn)口設(shè)備造價(jià)得多，且不要另建機(jī)房”因此推薦十八層單身宿舍角地住宅小區(qū)采用方案：作為實(shí)施方案。至于兩個(gè)分工程用什么水源作為熱泵的冷（熱）源，需根據(jù)三種水源的施工方便及水量保證情況，靈活選擇。目前，業(yè)主已按方案1進(jìn)行設(shè)計(jì)。
四、小結(jié)
從以上敘述可知，利有用未利用能進(jìn)行民生用采暖、空調(diào)的熱源是可行的，與其它采暖、空調(diào)方式比較，這種方式具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)能效益和環(huán)境效益，在有條件的地方，應(yīng)積極宣傳和推廣。在表1的未利用能項(xiàng)目中，有許多適合作采暖、空調(diào)熱源的種類。為此，希望繼續(xù)開(kāi)發(fā)，在更大的范圍內(nèi)使用未利用能，為空調(diào)、采暖、供熱的可持續(xù)發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。
本文敘述內(nèi)容、計(jì)算數(shù)據(jù)可能有誤，請(qǐng)批評(píng)指正。
參考文獻(xiàn)
1、成田樹(shù)昭關(guān)于寒冷城市未利用能和區(qū)域供熱的研究
2、黃其勵(lì)等關(guān)于城市小區(qū)熱。電冷三聯(lián)供技術(shù)的研究1”9．12
3、大連發(fā)電廠綜合樓循環(huán)水水源泵試驗(yàn)報(bào)告1999，9
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