地源熱泵

地大熱能:發展熱泵技術,實現節能環保

雙碳”目標是我國能源發展的巨大機遇與挑戰。實現碳中和就必須推進能源轉型,推動能源系統從以化石能源為基礎的碳基能源轉為以可再生能源為基礎的零碳能源熱泵作為一種由電力驅動的可再生能源設備,獲取環境介質、余熱中的低品位能量,提供可被利用的高品位熱能熱泵每消耗1份能量,可以獲得3倍甚至更多的熱量,很大程度上提高了能源的利用效率,是一種高效節能清潔能源產品。另外,采用熱泵技術進行熱回收,以及采用不同的技術余熱熱源進行充分利用,可為國家有效節約大量能源資源。熱泵不僅能夠同時兼顧夏季制冷冬季供暖以及熱水制取,還可以在工農業生產、國防建設等國民經濟的諸多領域發揮作用,應用潛力巨大。



熱泵機組的應用

 

熱泵機組是以水/土壤/空氣/工業余熱/污水熱源進行熱泵型制熱的空調裝置,熱源可以是江河湖水等地表水以及地下水和土壤等。熱泵作為一種節能環保的解決方案,一定能夠發揮應有的積極作用,為國家的環境保護和民生保障做出更多的貢獻。

 

工業生產方面,大量的輕工業生產,包括紡織業、食品、皮革等利用熱泵機組替代工業生產中的燃煤鍋爐,可有效實現低碳生產。

 

工業領域中的干燥環節,熱泵也可以在其中制備所要求的熱量。如農副產品干燥、彩色印刷品的油墨快速干燥等。使用熱泵作為熱源,提高了工藝控制精度、環境的潔凈度和產品質量,且其運行費用接近燃煤鍋爐,綜合經濟效益優于燃煤

 

還有一些肉類加工廠,可以回收冷庫制冷余熱,再通過熱泵提升溫度,制備生產用熱水和蒸汽;食品加工廠可以提取產品冷卻過程中的排熱,利用熱泵升溫,制備生產用蒸汽;還有印染業、紡織業、制革業、造紙業、制藥業等都有可能利用熱泵從排出的熱濕空氣或熱水中提取熱量,制備生產較高溫的熱量。

 

建筑用能方面的應用,北方城鎮建筑冬季供暖的熱量需求每年大約在50億吉焦左右,目前主要由燃煤燃氣熱電聯產和燃煤鍋爐(占比約80%)提供,還有各類燃氣鍋爐及電動熱泵(占比約5%)。隨著城鎮化的發展,供熱負荷飛速提升,電動熱泵的應用還有很大的增長空間。

 

同時,熱泵還可以為集中供熱無法抵達的地區提供供暖熱源,尤其是長江以南,一年需要供熱的時間只有兩三個月,不適合建立龐大的集中供熱管網,熱泵就是解決冬天供熱的最好方式之一。尤其是建筑保溫性能不斷改善,需要的熱量越來越少,集中供熱可能并不經濟,電動熱泵分布式供暖便能發揮其優越性。在農村分散的低密度建筑中,用地源熱泵,以“部分時間、部分空間”的方式來供暖最合適。

 

生活熱水制備。生活熱水一般在50攝氏度左右,這是電動熱泵的適用范圍。當COP值(通過熱泵一度電能提升多少度熱量)等于3時,電價為0.90元/千瓦時,其能源費用低于燃氣3元/標立方米的燃氣熱水器


 

水(地)源熱泵具有能效高、運行穩定的特點。對于地下水地表水和土壤等不同熱源的機組,具有不同的優點和缺點。

 

1) 地表水源熱泵

地表水源熱泵一般僅適合靠近水源的需求場合,地表水源熱泵根據水源的不同,可以分為海水源、江湖水源等。就海水源熱泵來說,海水的腐蝕性比較強,換熱器需要采用特殊的材料,并且海水源距離使用場合一般都比較遠,需要解決長距離輸送的問題。針對江湖水源熱泵,根據《中華人民共和國水法》和各地方的《城市用水管理條理》,均要求調用水審批,用水收費,有些地方將水源的抽取和排放兩次收費,導致水費偏高,使得水源熱泵的運行節能費用不足增加的水費。水源熱泵的推廣需要政府從可持續發展的角度,綜合能源、環保和資源各個方面的考慮,調整地表水源熱泵水源使用的政策,需重新確定水源如何管理和收費;同時江湖水源熱泵應用還涉及規劃、市政、航道、海事等多個部門,涉及眾多的審批環節,需要建立相應的協調聯動機制,才能促使其進一步發展。

 

2) 地下水源熱泵

對于地下水式的水源熱泵,需要大量集中開采地下水,一般地下水埋藏深度大、取水成本高,同時地下水在利用過程中還需要防止遭到污染以及地下水水位下降造成地面沉降回灌技術同時也具有如下缺點和問題:回灌地質條件密切相關,建造合適的回灌井有難度、費用高;回灌壓力高;地下水污染和回灌流體泄漏到地表面;生產井化學性質的改變等。目前,地下水使用受到國家的嚴格管制,例如北京市先后出臺了《北京市實施<中華人民共和國水法>辦法》、《北京市水污染防治條例》等政策,嚴格限制地下水的開采和使用。

 

3) 污水源熱泵

近年來,污水源熱泵的發展在國內也有了長足的進步。污水源的水溫適合熱泵,但是污水成分復雜,需要解決換熱器臟堵的問題,并且系統容易滋生細菌,需要長期的監測,污水源熱泵機房也需滿足衛生防疫要求。

 

4) 土壤源熱泵

對于地埋管土壤源熱泵,在北方地區供熱為主,存在土壤源熱泵長期熱不平衡問題,冬季的取熱量大于排熱量,這樣會導致土壤溫度的長期持續下降,造成系統性能的衰減甚至無法運行。目前對于熱不平衡所采取的措施主要就是通過減少取熱或者輔助設備進行補熱,例如鍋爐補熱、太陽能補熱及空氣源熱泵補熱方式。另外,地埋管方式需要占用大量的空間,在制定系統方案之前需要對項目進行地質勘察,以確保有足夠的空間進行地埋管的鋪設,同時也應考慮土壤源熱泵的初投資成本較高的問題。

 

未來發展展望

熱泵作為制冷空調行業一個新興的產品類別,通過最近幾年的國家和地方政府的大力支持和激勵,在替代傳統燃煤供暖等場合的應用越來越多。根據目前熱泵應用的經驗來看,根據用戶的供暖、供熱水和制冷空調的各種需求,結合建筑特征、氣候環境變化以及熱泵的節能環保優勢,配合系統、末端進行綜合改造治理,提供合適的綜合技術解決方案具有極大的節能價值和潛力。而未來清潔供熱之路,更需要統籌進行規劃管理,因地制宜地選擇可再生能源作為熱泵的熱源,重視和推廣各種能源的綜合利用,把空氣源污水源、海水源、江湖水源、余熱和廢熱、太陽能等適當的組合利用,克服熱源單一的缺點,從而充分提高供熱供冷的綜合集成效率,取得最佳的節能效益。