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武汉地区水源热泵系统应用前景分析
作者:管理员    发布于:2016-12-10 08:28:57    文字:【】【】【

  武汉建筑设计院陈焰华祁传斌武汉地质工程勘察院茅贵文北京捷联发展有限公司陈睿水源热泵系统是利用地球表面浅层水源如江、河、湖、海水和地下水吸收的太阳能和地热能而形成的低位热能,通过少量的高位电能输入,经过逆向热力循环,将其提升为高品位热能的一种热力系统。地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器,而且是一个巨大的动态能量平衡系统,地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散的相对的均衡。水源热泵系统的基本工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到水源中,而冬季通过逆向热力循环,从水源中提取热量。水体的温度一年四季相对稳定f其波动的范围远远小于空气温度,特别是地下水温度能保持常年恒定,是很好的空调冷源和热泵热源。因为水体温度的恒定,使得水源热泵系统运行稳定可靠、不受外界气候变动的影响,高效节能,且不存在空气源热泵冬季除霜的难点问题。因之,水源热泵系统是值得深入研究和积极推广应用的一项以节能和环保,可再生能源利用为特征的21世纪的先进技术。这项起始于1912年的技术,近10年在欧美工业发达国家取得了迅速的发展,已成为一项成熟的应用技术。在我国,水源热泵技术的研究在上个世纪九十年代末己成为空调界的热门话题,相关的产品开发应用和工程实践也掀起了一股"水源空调“的热潮。

  二、水文地质况及水资源分布武汉市位于江汉平原东部,属平原边缘隆起带。区内总体地形南高北低,东高西低,高点为南部武昌境内的顶冠峰,高程197.7米。属亚热带气候,气候温和,雨量充沛,四季分明,夏炎冬寒,具湿润性季风气候特征》7°C,多年低月为一月,平均气温2.64. 6°C;高月为七月,平均气温28.831. 4°C.多年年平均降水量1284.0毫米,降水多集中于每年的4-9月,尤以六月降水多,大月降水量71毫米。

  区内地表水系发育,河湖密布,沟渠纵横,长江、汉水为区内主要干流,在区内流经长度分别为51千米和19千米,高水位分别为29.73米和30.19米,大流量分别为5. 99万立方米/秒及1.46万立方米/秒。区内湖泊密布,其中大部系河床摆动后形成的壅塞湖,部分湖泊属于构造湖。长江武汉段常年平均水温1619°C,略高于武汉年平均温度16. 3°C.湖泊平均水深在12米,以东湖为例>平均水深2米,大水深6米,年平均水温为表层18.区内地貌形态,明显地表现为两种基本类型,其一是以内动力构造运动并经外动力的剥蚀作用形成的构造剥蚀地貌形态;其二是挽近期构造运动以及外动力共同作用所形成的剥蚀堆积和侵蚀堆积地貌形态。在区内不同地貌单元内,水文地质条件显示出明显差异。根据含水介质空隙类型和地下水的嬴存条件,将区内地下水划分为松散岩类孔隙水、碎肩岩裂隙水及碳酸盐岩溶裂隙水,其中松散岩类孔隙水根据其水力性质可进一步划分为松散岩类孔隙承压水及松散岩类孔隙潜水两个亚类。各类地下水分布情况及特征见表1.地下水基本特征一览表地下水类型松散岩类孔隙水碳酸盐岩岩溶裂隙水碎屑岩裂隙水孔隙潜水孔隙承压水分布范围主要分布于长江一级阶地前缘及江心滩广泛分布子长江、汉水一、二级阶地裸露型:零里分布于武昌九峰山、石灰洞等地覆盖型:分布于武昌蛇山、喻家山、南湖、关山、白沙洲、鹉洲及滠口道赏泉一带主要分布于阳逻以东、滠口道贯泉以北等地含水层厚度一般在40-45米左右|周部大一级阶地一般20-40米,二级阶地一般10-30米含水层顶板埋深一般为10-20米,上覆孔隙含水层的地段可达40米以上地下水水力性质及水位变化情况无压:水位埋深一般在0.5-1.5米,年变幅5米承压:一级阶地区水位埋深一般卜3米,二级阶地分布区一般2-5米,沿江地段丰水期水位高出地面0.1-1.2米,年变幅通常1-4米不等承压:水位埋深一般5-20米左右,局部地段高出地表,年变幅一般1-2米不等,低水位期多在每年2月,篼水位期多在每年的7-9月承压:局部裸露型为无压,水位:埋深。5-30米,地区差异大,动态变化明显。地下水补、径、贿征补给:以降水入渗为主,其次为河流水侧向补给,径流缓慢。洋泄:主要向地表水体排M,或补给相邻含水层补给:湖泊垂向入渗补给,河流水渗补给及相邻含水层侧向径流补给径流缓慢:主要排泄江河水体。

  裸露型:主要接受大气降水入渗补给。

  覆k型:在丘陵区主要搂受基岩裂隙水侧向补给,垅岗平康区以径流补给为主,被孔隙含水层所覆地段则得孔隙水越流补给;被河谷切荆地段,可直接得到河水渗入补给s径流特征取决子岩溶发育程度,枯水期主要向地表水体样泄或越流补给上覆孔献水裸兹型:接受大n降水补给;覆盖型则主要靠径流补给以及上覆含水层的越流补给;径流缓慢:其梓泄方式以补给相邻含水层为主,含水层富水性(单井涌水里按口径203奄米降深,统一算)水量丰富,单并涌水黧―般大于1500立方米/曰山-徐家拥、汉口及汉阳鹗鹉洲等地单涌水1―般大于1000立方米/日,五通口-界埠及一级阶地中部,单并涌水ft多在500-1000立方米/日之间,一级阶地后缘及二级阶地,单并涌水量小于500立方米/日富水性差异较大。棵猓型:泉流*一肢为20.08-2.00立方米/日,个别达3U.00立方米/日;覆慎型:单并涌水置多在500-2000立方米/曰之间,覆盖梨:单并涌水s为U地下水水化学类型及地下水水质评价一级阶地主要为重磙酸钙、镁型水,二级阶地区则以碳酸钙、钠型水为主,局部地段为重碳酸钙、钠、镁型水。

  一般符合生活饮用水标准。但铁、锰、呻、总硬度等较普遍超标,使用时,应适当处置:适:!:作农业灌溉用水,对金无腐蚀性,对砼件亦无侵蚀性。

  以重碳酸钙型水为主,局部点为重碳酸化物钙型水和硫酸重碳酸钙型水,符合生活饮用水标准,仅局部地段铁、锰超标;适宜作农业灌溉用水,对金属无腐蚀性,对砼件亦无侵蚀性。

  以重碳酸钙或钙镁型水为主,局部点为硫酸化物钙、钠型水。符合生活饮用水标准,局部地段铁、锰超标,R作农业灌概用水,对砼件无侵蚀性。

  不论是地表水还是地下水的质量,对于水源热泵的各种系统在技术上和经济上都会带来很大的影响,所以充分地了解和掌握水的物理性质及化学性质,保证水的质量是十分重要的。

  对于水源热泵机组来说,影响其正常使用和使用寿命的因素主要有。温度、含砂量、浑浊度、矿化度、硬度、腐蚀性等。如果水源的水质不适宜水源热泵机组使用时,就必须采取相应的水质处理措施,使其满足机组的使用水质要求。

  武汉地区江、河、湖温度等随气候变化较迅速,矿化度低,但含泥沙等固体颗粒物、胶质悬浮物及藻类等有机物较多,浑浊度较高,不宜直接作为开式地表水水源热泵机组的水源,须经过处理后才能利用。地下水质比地表水好,水温随气候变化比地表水小,是较为理想的水源热泵机组水源。

  经过地处汉口香港路香谢里花园抽水试验井的取水实测,该处地下水无色、无味、无肉眼可见物,水温18.5C,属重碳酸配中等矿化偏硬水。其PH值为7.2,c为I69.7mg/L,Mgt为为0.44mg/L,总硬度39.69mg/L;含砂量小于1/20万,浑浊度小于20mg/L.含砂量和浑浊度高容易造成机组和管道阀门磨损,回灌时会造成含水层和管井滤水管堵塞,影响供水系统的稳定性和长期使用。管井滤水管和过滤网设计时完全可以达到水源含砂量小于1/20万,如果含砂量较高,可在水源管路上设置除砂沉淀池或旋流除砂器。对混浊度大的水源,宜安装过滤净水器。

  武汉地区地下水矿化度较篼,对金属的腐蚀较强,直接进入水源热泵机组会严重影响机组的使用寿命,宜采用板式热交换器的间接供水系统,虽然会降低水源热泵系统的能源利用效率,但能够保证机组和系统管路的长期正常使用。使用板式热交换器的间接供水系统,悬浮物的含量应为3060mg/L,悬浮物颗粒粒径宜小于0.15mm.水源热泵系统运行时冷凝器中的循环水温度较高,特别是在冬季运行时,冷凝器侧热水温度通常在5r左右,水中的钙、镁离子容易析出结垢,影响水源热泵系统的换热效果。因此,应在冷凝器循环水管路中装设电子水处理仪,防止管路结垢,影响正常使用,从水质分析资料还可看出,水源中铁、锰含量较高,若水源热泵机组利用热回收供应生活热水时,亚铁(Fe2+)离子遇空气氧化,极易形成红色水锈。因此,从抽水井将水从地下含水层中抽出直至回灌回到含水层的循环中,好在密闭的管道系统中运行。当水中含铁量大于0.3mg/L时,应在水系统中安装除铁处理设备。

  四、水资源利用及水源热泵系统我国的水资源并不丰富,污染的防治和合理的开发利用还有大量的工作要做。水资源的合理利用,长期开发必须严格按照国家颁布的有关法规执行,确保水源不受污染,不对生态造成破坏;地下水的利用还必须保证回灌,不至对地质造成灾害。2000年11月24日国务院发布的《要求加强城市供水节水和水污染防治工作的通知》进一步明确要求:要重点加强地下水资源开发利用的统一管理,加强对地。下水资源的保护;新建、改建、扩建的建设项目需要取用城市地下水的,建设单位在报送建设项目计划的任务前,取水许可预申请必须经城市建设行政主管部门审核同意并签署意见之后方可向水行政主管部门提出。取用城市地下水的单位和个人,应当按照国家现行规定向城市建设行政主管部门缴纳城市水资源费。武汉市政府也于2001年4月30日下发了《武汉市水资源费征收使用和管理暂行规定》。

  武汉地区地表水的能源利用曾进行过相关分析研究,得出的有关结论是:a、武汉地表水在空调系统中利用的节能条件是作<(2829)X:;b、长江水温符合节能条件,用于全年空调作冷却水和热源有很大利用:c、东湖等浅水性湖泊夏季水温高于空气湿球温度,无利用,冬季水温略高于气温,可用作热源水;d、在区域供冷供热系统中应用长江水有助于减轻城市热岛效应;e、长江水在空调系统中利用后引起的微小温升,不足以引起有害影响。从以上结论可以看出,长江水具有较大的潜在的利用,但由于长江夏冬季节水位落差较大和防洪的限制。实现长江水能量的实际利用还是极其复杂和困难的。

  相对于地表水的利用,武汉地区地下水的利用则更大,技术上、经济上也更易实现。

  早在上世纪70年代末,我院就尝试利用深井水作为直接冷源通过嗔淋室进行影剧院的空调降温,在当时的条件下,取得了较好的节能和经济效益,也积累了地下水利用的丰富经验。随着技术的进步和发展,水源热泵系统的应用为地下水的合理开发利用提供了更先进的技术支持。

  水源热泵在我国目前还没有制订出相应的生产制造和评价标准,美国制冷学会(ARI)“地下水源热泵”(Ground工况对地下水侧规定①制冷(篼温/低温)工况,进入水温70*F/50*F(21.1:/100②供热(高温八氏温)工况,进入水温70* F/50*F(21.rC/l(TC)。而地下水在夏季和冬季的实际需要量,则与系统选择的水源热泵性能、地下水温度、建筑物内循环温度和冷热负荷以及热交换器的型式、水泵能耗等有密切关系。佳的地下水量的确定,应使地下水热泵系统的能效比(EER)和性能系数(COP)达到高。制冷工况时。地下水热泵系统能效比(EER)=冷负荷(KJ/h)/井泵功率(w)+环路功率(w)+水源热泵功率(w);供热工况时,地下水热泵系统性能系数(COP)=热负荷(KJ/h)/井泵功率Cw)+环路功率(w)+水源热泵功率(w)。因此,在实际选用水源热杲系统时,应尽可能加大地下水的使用温差,减少地下水用量,这对提高水源热源系统的能效比(性能系数)和减少地下水量的开采、保护水资源都是极为重要的,如此合理高效利用地下水资源才能产生良好的节能环保效益。据美国环保署EPA估计,设计安装良好的水源热泵系统,平均来说可以节约3040的制冷供热运行费用。

  地下水资源的合理开发和长期利用很重要的一环还有地下水的有效回灌。地下水的过量开采引起的地面沉降、海水入侵和突发性岩溶坊塌等地质灾害时有发生,我国华北地区形成的地下水降落大漏斗总面积己超过4万平方公里。地下水的回灌不慎重,则不但达不到回灌效果,而且极易造成地下水的污染。为使水源热泵系统这项节能环保,可再生能源利用的先进技术长期合理利用,取水后应能够采取切实有效的措施保证无污染回灌,好能做到取水回灌在管道中密闭运行。

  五、结束语水源热泵系统在我国是一项新的技术,它是一项跨专业、跨学科的综合能源利用技术,需要通过相关专业技术人员的通力协作,做好勘测、设计、施工、调试等各项工作才能使系统达到要求的节能环保性能,武汉地区雨量充沛,地表水发育,地下水嬴存丰富,开采条件较好,水源热泵系统在武汉地区应用具有得天独厚的条件和广阔的发展前景。

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