地埋管地源热泵系统和燃气锅炉(燃气热水机组) 在天津及北方地区的冬季使用对比分析

在天津及北方地区的冬季使用对比分析

北方地区大型建筑设计在冬季供热方式上的选型取决于:1、初投资2、建筑的绿色LEED认证机构认可;3、可靠性;4、稳定性;5、运行费用;6、维护容易。

尽管有很多方式可用来提供冬季供热,但是北方地区超大建筑一般选择水源热泵空调和燃气锅炉这两种供热模式。

下面就这两种供热形式在这几个方面做出分析。

一、选型

1、水源热泵空调

1.1概述

水源热泵空调基于节能的理念被设计和使用,其实是夏季能供冷、冬季能供热的特殊制冷机,主要适用于有自然江河湖泊的温热带地区,取水口在江河湖泊的深处,受环境温度影响小, 制冷制冷效果好,实现节能减排。地埋管热泵是水源热泵的拓展使用,分为地埋管地源热泵,土壤源热泵、大地耦合式热泵

  ①竖直埋管式地源热泵,

  ②水平埋管式地源热泵;

  ③竖直埋管+水平埋管式地源热泵。

1.2工作原理

地下水源热泵因地下水位不稳定、沉降问题以及回灌井问题,越来越被限制使用。而地埋管热泵越来越得到推广和使用,其工作原理为:

地埋管热泵是地下水热泵在中国地区使用的一个创新,在许多间距为5~8m,深度约为100m~300m左右的井孔中埋入∮32mm的PE管(竖直埋管式);PE管与机房中的设备相连接,循环水经PE管系统与地层岩土的热交换实行夏供冷、冬供热。理想状态下,夏季供冷时,地源水做为热泵机组的冷却水进出冷凝器,把冷凝热带回地下的PE管换热器中的循环水,使之与PE管周围的土壤进行热交换,实现冷却塔的散热功能。因为不受室外温湿度影响,夏季制冷效果良好。冬季供热时,地源水则做为热泵机组的热源水进出蒸发器,由于放出热量而降低了温度的地源水又回到地下PE管换热器中,并使之与PE管周围的土壤进行热交换,因受地面环境温度影响少,热泵机组的冷凝器会产出45℃~60℃的热水进行供热。

1.3容易出现问题

因地埋管热泵的环保性和节能性,在很多项目上得到推广和使用。然而,由于地埋管系统采用地耦井铺设循环水管路,存在以下工程隐患:

1)施工人员的技术水平与新国标《地源热泵系统工程技术规范》的规定相差甚远,基本只是简单地打压检漏。在使用过程中地耦井内的PE管一旦破裂,地层泥沙渗进来,影响系统使用。维修地耦井中的PE管,成本非常高昂。

2)设计方和建设方对于地耦井铺设区域地质结构和热平衡问题缺乏专业的技术支持,简单划片施工,在施工过程中因地质问题地耦井经常无法按设计间距施工,地耦井内PE管散热效果会受到影响。

3)缺乏有效的施工管理措施也决定了地埋管施工是否能够达到设计标准。

4)在地埋管系统使用过程中,PE管内循环水厌氧菌和厌光菌的存在会产生管内生物污垢膜,影响换热效果(肉眼观察,白色的PE管逐渐变黑)。热泵使用效果逐年衰减已经是不争的事实。

5)地埋管热泵系统要求夏季向土壤中散热冬季从土壤中吸热达到平衡,才能不影响土壤的热平衡。这就要求在热泵使用过程中,控制冬季和夏季的使用时间基本持平。

6)地埋管热泵系统对于用户侧循环水流量要求非常严格,任何微量增大或减少都需经过生产厂家和设计单位详细计算才能实行,在天津地区出现过很多因为用户末端空调设备改造需要水量调整而水(地)源热泵厂家不同意的纠纷,越来越多的建设方发现了地源热泵的使用限制。

但是因为热泵生产厂家因为商业利益驱动采用多种营销方式进行推广,所以水地源热泵在北方地区还是出现了很多初次使用的用户。

2、燃气锅炉(或燃气热水机组)

锅炉供热是北方地区传统的供热方式,中小型燃气锅炉类型及结构如下:

燃气热水锅炉是指以天然气,液化气等可燃性气体为燃料,全自动供应热水以满足人们的采暖、洗浴等生活需要的锅炉。随着环境保护与节能减排意识在全社会的不断深入,锅炉及采暖系统的能源结构也呈现出相应的变化。燃气热水锅炉因其具有的节能,环保.安全与自动运行等特点受到了广泛的关注,目前已逐步取代传统的燃煤锅炉,成为了城市的主要供暖方式。

有效利用节能技术降低锅炉的运行成本,在安全运行的前提下,尽可能延长其使用寿命,是锅炉选型的重要内容。 

一般说来,燃气热水锅炉的种类很多,如按用途可分为采暖型与洗浴型;按构造可分为常压式和承压式;按结构可以为分为立式和卧式等,各种类的燃气热水锅炉虽然在其构造与外形上有一定区别,但其工作原理和运行模式大体一致,因此其节能技术也相对具有普遍性。

2.1实现燃气热水锅炉的节能运行,

首先必须提高锅炉组(群)的运行效率,组(群) 的运行效率首先是由每台锅炉的平均运行 效率决定的,因此应选配比例调节燃烧机, 并保证其安装规范、到位,确保在30% ~ 100%负荷工况下,锅炉平均运行效率接近 额定效率。

其次,由于每次锅炉启、停都要经过吹扫,消耗燃气;而待机时间内,锅炉要面临较大的热量损失,因此应尽可能减少供暖期内各锅炉的启、停次数和待机时间,以提高群(组)的季节效率。

此外,还应考虑以下几方面的问题:燃气锅炉的非机械故障抢修相对简单,因此可不设备用锅炉; 由于燃气锅炉在满负荷状态下具有较高的排烟温度,因此应避免其在此状态下工作, 以减少不必要的热损失;多台锅炉运行时, 应采用集控系统进行统一的监测和管理。 在提高管网输送效率方面,由于外管网的水平失调和室内供暖系统的垂直失调损失的热量所占比例很大,因此应采用水力平衡系统和室温调控系统。

2.2选型中的节能问题 

在锅炉的选型中,应首先对用户进行实际热需求量进行调查,并掌握相关地区的锅炉排放要求。在热需求量确定后,按不同型号锅炉的标准蒸发量进行选择,并考虑不同气源条件下锅炉的热值与压力等参数。选型环节中的节能关键在于:应使锅炉在组合后具有良好的可变负荷调节能力并使其最低负荷与最小出力相匹配。

2.3运行中的节能技术

目前较常见的燃气锅炉供热节能技术常由气候补偿系统、烟气冷凝热回收系统、 水力平衡系统、 气候补偿系统是由两级泵系统和电动三通阀、直供系统混水器、间供系统换热器以及气候补偿器所组成的。该系统可根据室外温度的变化控制和调节供水温度,避免用户室温过高,能耗增加,并能实现对运行曲线的自动分段调整;根据每个锅炉房的设备和围护结构状况,随时调整二次用户的供水温度,并使锅炉在较高的回水温度下运行,避免冷凝水的出现,防止锅炉腐蚀。烟气冷凝热回收系统则通过烟气系统、水系统与烟气冷凝热能回收装置将锅炉的排烟温度降至70℃ 以下,数据显示,通过降低烟温并将水蒸气冷凝成水,可综合提高锅炉效率的3% ~ 8%,使其热效率高达95%以上。燃气锅炉房供热集控系统是通过对每台锅炉的各种参数和整个供热系统参数的计算,得出理论锅炉负荷值,并以此为依据调整锅炉的实际负荷数以及开启锅炉。通过微机对锅炉实施集中控制,使锅炉房内的每台锅炉循环运行,根据系统的负荷率自动、定时切换运行锅炉,从而在节能运行的基础上,延长锅炉使用寿命。

综上所述,有效利用燃气资源,应首先从认识燃气锅炉的工作规律入手,对其选型、设置、运行等诸多环节进行科学合理的规划,并采取有针对性的节能处理方法,增加烟气流动性,降低设备的腐蚀风险,以减少资源的消耗与大气的污染。

    锅炉热水系统因其腐蚀和溶氧问题的存在,造成锅炉系统寿命降低,国内采用了软水设备和脱氧设备以及其他水处理设备来延缓腐蚀。

二、初投资

1、地埋管地源热泵

工程打孔数量多,孔深度约100-300m,打孔费用每延米约50~80元,地埋管部分前期投入成本较高。 对于大型建筑,如会展中心,规划设计2600眼地耦井,按照每眼地耦井100米深,施工成本50米的最低造价,地埋管部分的工程成本为:2600X100X50=1300万。

设备采购成本根据品牌不同而有高低差异,这里不做论述。

2、燃气锅炉

燃气锅炉房的设计和建造构成了工程成本,但无论在设计、施工及管理方面都很成熟,成本容易控制。

燃气锅炉生产厂家很多,选型及采购都比较简单。进口品牌和国产品牌以及结构、效率不同,价格差距在3~5倍不等。

三、运行费用

地埋管地源热泵系统在大型公建项目冬季供热时与燃气锅炉的运行费用,在初期使用时基本持平。五年以后,地源热泵系统因地埋管侧水质形态发生变化(水垢、微生物污泥附着在PE管内壁,PE管内循环水与土壤岩石换热效率降低,制冷量和制热量会出现大幅度衰减,运行费用反而出现增高。

所谓的地源热泵节能是和其他电制冷取暖形式比较,从原理上应该比较节能,但因为地源热泵受机组以外因素影响太多,所以是否能够实现理论上的节能还有待于更多工程用户的反馈信息。

燃气锅炉只要有效解决腐蚀和溶氧问题,运行费用不会出现高低起伏。

四、稳定性

地源热泵系统在多系统运行中,因循环水流量及地耦井施工质量及寿命等原因容易导致运行不稳定;同时,如果不能实现夏季与冬季对土壤岩石的热平衡相对稳定,地埋管热泵就会出现周围土壤岩石板结,出现无法实现向土壤岩石换热的尴尬局面。另外,地耦井施工是很多地面建筑的基础,出现无法检修和维护的困境。

燃气锅炉或燃气热水机组在技术上早就实现了无人值守也能正常运行的瓶颈,不会出现危险及故障,可以稳定运行。

五、可靠性

地埋管热泵如果能有效保持地耦井纯水(很少有用户愿意采用高成本使用纯水)及真空度,同时很好控制冬季和夏季从土壤吸热和散热的平衡,是具有非常高可靠性的系统。

燃气锅炉或燃气热水机组相对来说非常可靠,运行基本不受外界因素的影响,用户可以放心使用。

六、适用范围

6.1地源热泵的适用范围

地源热泵系统对系统全年冷热负荷的平衡有一定的要求。在地埋管地源热泵系统中地下岩土在全年起到蓄热器的作用,对热量夏蓄冬供。但在北方严寒地区,冬季供热的负荷和时间远大于夏季空调的负荷和时间,系统多年运行以后地下的平均温度将逐年降低,影响系统的性能甚至使系统失效。在南方则相反,夏季空调负荷占主导地位,地下的平均温度将逐年升高,同样影响系统的性能。在冬冷夏热的华北地区对供热和空调都有较高的需求,地埋管换热器中全年的冷热负荷比较平衡,具有推广应用地源热泵技术的理想气候条件。对于地下全年冷热负荷不平衡的情况可采用地源热泵复合系统。

由于没有大气污染物排放,各级政府对应用地源热泵实行了多种优惠政策,进一步提高了地源热泵系统的经济性。

应用地源热泵技术的注意事项

由于地埋管地源热泵技术应用于建筑供热和空调时具有节能高效的特点,且对环境友好,特别是不影响地下水资源,因此近年来得到政府的大力提倡,应用规模日益扩大。由于这种供热空调系统在中国还属于新技术,整个产业还处于初创期但是又急速膨胀,因此整个地源热泵产业的技术力量参差不齐,对技术的把握也有较大的差别。这就造成在地埋管地源热泵的应用中也出现了一些不成功的案例。例如,有一些项目第一个冬季运行就出现停机保护而失效;也有一些项目的效率逐年下降,3-5年后不能满足供热空调的需求而失效。出现这样的问题不是因为地源热泵技术本身不成熟,而是这些项目的设计施工和运行管理不到位。一个原因是承包商为了低价竞争,钻孔埋管的数量达不到要求;或者埋管施工中偷工减料,致使系统不能正常工作。另一个原因是对地源热泵系统的特点没有充分的了解。

地埋管地源热泵供热空调系统的工作原理实际上是利用地下岩土作为一个蓄热器,把夏天空调排出的热量蓄在地下土壤中,冬季取出热量给建筑供热;冬季运行时又把冷量蓄在土壤中,提高了夏季制冷时的效率。这种冬夏两用的特点本来是地源热泵系统的一大优点,但也成为它的一个限制条件,就是要考虑地下埋管换热器在全年中冷热负荷的基本平衡。如果全年中从地下取热大于向地下的排热,地下埋管周围的平均温度就可能逐年下降,造成系统在冬季工况的效率逐年下降,最后甚至不能正常工作。反之,在南方气候温暖的地区,如果一年中向地下的排热大于从地下的取热,也可能造成地下温度的逐年升高,影响系统夏季工况的运行。山东省夏天热、冬天冷,供热和空调都需要,本来是应用地源热泵技术的最适合的地区。但是山东的住宅建筑,特别是在像青岛、烟台等夏季较凉快的地方,建筑冬季供热所需的热量还是比夏季空调排出的热量多很多,有一定的冷热不平衡的问题。还有一些开发商希望开发的房子只解决供热问题,把供冷的问题留给住户自己用分体式空调解决。在这样的建筑中采用地源热泵系统就会引起的地下全年冷热负荷严重的不平衡。在山东已经有一些这样的系统在运行几年之后发现性能下降,甚至失效。因此在单供热的建筑中采用地源热泵技术是不经济、不合适的。对地下冷热负荷不平衡度较大的地源热泵项目,现在已经开发了一些技术措施,可以采用例如太阳能或燃气锅炉辅助的地源热泵的复合系统。

总之,采用地源热泵技术时应对建筑负荷和地埋管换热器进行正规的计算和设计,同时应委托有资质和有技术实力的承包商实施地埋管地源热泵供热空调工程。

6.2燃气锅炉或燃气热水机组

唯一担心的问题是燃气供应停止,除此以外,适合所有地区的冬季供热。