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2019年10月22日 星期二
技術論壇
海水源熱泵技術的研發和應用———————國家示范項目總結報告
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一、海水源熱泵技術的應用
1、海水源熱泵技術發展現狀
     海水源熱泵技術始于20世紀70年代,是在水源熱泵技術的基礎上發展而來的,具有可利用資源豐富、高效節能、經濟環保、安全可靠等特點。
其基本原理是:利用海水作為熱泵的冷、熱源進行冷熱交換。冬季以海水為熱源,將海水中的熱量取出來,給建筑供暖;夏季以海水為冷源,將建筑內熱量取出來,釋放到海水中。
     海水源熱泵技術是一項較為成熟的技術,在我國尚處于起步階段。但因其符合國家可持續發展戰略要求,在解決臨海建筑冬季供暖、夏季制冷,以及節能環保方面,比傳統的空調系統優勢明顯,因此發展潛力巨大。
2、 海水源熱泵技術在大連市的應用
     2006年6月,大連市被國家建設部列為全國唯一的海水源熱泵技術規?;τ檬痙凍鞘?。
     2007年,大窯灣集裝箱碼頭三期工程輔建區單體海水源熱泵暖通工程、2010年長興島公共港區1~3#通用泊位,獲評國家可再生能源示范項目。
3、海水源熱泵技術在大連港大窯灣港區的應用
     大連港大窯灣港區是大連港建設東北亞區域性的航運中心的核心港區之一,海水源熱泵技術在港口建筑供暖和制冷方面的開發和應用,開創了我國北方沿海港口采用空調采暖節能環保新技術的先河。
海水源熱泵技術在大連港大窯灣港區應用起步最早,且空調系統整體技術水平處于國內領先地位。

大窯灣港區海水熱泵應用案例

     2004年6月,大連港三十萬噸礦石碼頭建筑面積2萬平方米的生產輔助建筑成功運行海水熱泵空調系統,該項目是當時國內第一個,也是面積最大的海水熱泵系統。
                       

                   大連港大窯灣礦石碼頭辦公樓

     2004年11月大連港散糧碼頭4800平方米業務樓成功應用海水源熱泵,該項目的特別之處是由燃油鍋爐供熱改造實施的。同比節能達2/3以上。
 
               大連港大窯灣散糧碼頭辦公樓

     2005年6月,大連港集裝箱二期碼頭5600平方米業務樓成功運行海水熱泵空調。該項目在總結上述工程經驗基礎上,對海水井壁腐蝕、自吸泵替代潛水泵、設置裝機容量不等的兩臺機組等專業課題進行了創新研究,進一步完善了海水熱泵系統,提高了使用壽命;減少了維護費用;降低了電能損耗。
 
             大連港大窯灣集裝箱二期碼頭業務樓

     2007年10月大連港集裝箱三期輔建區單體,共五個單體成功運行海水熱泵空調。總建筑面積16000平方米,項目在儀表安裝改進、自動化控制、過濾器研制、回灌水截流等內容上取得了一系列創新成果。被國家批準為示范工程。
 
   大連港大窯灣集裝箱三期輔建區單體DPCE、機修車間
 
           大連港大窯灣集裝箱三期輔建區單體侯工樓

     2008年10月大連港集裝箱碼頭三期業務樓成功運行海水熱泵空調,建筑面積5000平方米。該項目在合理分配地下海水資源,軟啟動解決水錘效應,監測水泵電流防止潛水泵空載及變頻技術等方面取得突破性進展。
 
              大連港大窯灣集裝箱三期業務樓

 2009年11月開始施工的大連長興島公共港區1#~3#通用泊位海水源熱泵空調工程。總建筑面積21800㎡。該項目因海水細泥砂層較多,設計在豎井壁上安裝60目過濾網,并密封泥砂層等方面取得了一定實效。本項目仍被國家評為示范項目。
 
         大連長興島公共港區1#~3#通用泊位辦公樓

                       機房設備圖片
 
 大窯灣集裝箱碼頭三期輔建區單體侯工樓機房水泵群
 
 大窯灣集裝箱碼頭三期輔建區單體侯工樓機房鈦板換熱器
 
大窯灣集裝箱碼頭三期輔建區單體侯工樓機房專用除砂器


大窯灣集裝箱碼頭三期輔建區單體侯工樓機房水源熱泵機組
各項目情況詳見應用實例一覽表:


大連港大窯灣港區海水源熱泵技術應用實例一覽表


二、海水源熱泵技術簡介
1、海水源熱泵技術基本原理
     水源熱泵技術是利用少量的電能,將低位熱能向高位熱能轉移的一種技術,其工作原理就是熱力學上的“逆卡諾”循環原理。水源熱泵機組就是利用這一循環原理設計而成。
     制冷時,從取水井取出的水做為冷卻水,流經冷凝器,帶走熱量,溫度升高后,排至回水井;空調系統循環水流經蒸發器,溫度降低后,流向空調系統。
     取暖時,從取水井取出的水做為熱源水,流經蒸發器,釋放熱量,溫度降低后,排至回水井;空調系統循環水流經冷凝器,溫度升高后,流向空調系統。


 
水源熱泵原理及流程圖


     水源熱泵制熱的能效比COP值可以達到4,即消耗1KW的電能可以產生4KW的熱量。制冷時COP值則更高。
2、海水源熱泵系統基本原理
     海水源熱泵技術是水源熱泵技術的發展,其工作原理與水源熱泵技術基本相同,不同之處在于使用的是地下海水。由于淺表層地下海水溫度與氣溫的相關性較大、海水的腐蝕性及生物滋生的影響,海水不能直接進入空調機,致使海水源熱泵系統的設計更具有特殊性。
     設計前提:通過水文地質勘察,以獲取供暖項目周邊半徑500m范圍內的水文地質情況,包括含水層地質構造、水深、水量、水溫、水質等,以此作為判斷能否采用海水源熱泵技術。
     海水源熱泵系統,采用鈦板換熱器換熱,組成一個取排海水的載冷系統;由一個水源水系統通過換熱后的淡水與機組換熱器交換,組成一個水源水載冷系統;通過熱泵機組的制冷系統將空調水系統排入末端設備組成空調水載冷系統。
     海水源熱泵系統由四部分組成,即取排水系統,水源水系統、主機系統和末端系統。
 


三、海水熱泵系統的應用和創新
     實際上,只要滿足了海水源的各項充要條件,也即保證了熱泵系統的正常運行。但是由于淺層地下海水在熱泵系統的應用中涉獵較多技術領域,例如:傳熱技術、熱功技術、制冷技術、氣象資料、潮汐變化、絕熱技術、流體力學、防腐技術以及水文地質資料等,在相當浩繁的技術領域里,如何針對各種復雜的技術難題攻關克難,已經成為我們必須正視而不容回避的重要課題。
     幾年來,我們在海水熱泵技術領域,從理論到實踐,深入研發了十余項創新成果。
     1、確立了海水源熱泵技術的最佳應用方式—海水+地溫耦合式海水熱泵系統。經過九年的工程實踐,充分證明了其科學性、先進性、合理性、經濟性、可靠性及可復制性。
     2、它是集水文地質、海洋微生物、耐海水腐蝕、傳熱學、空調熱泵及系統自動化等各學科之大成,為寒冷地區推廣應用海水熱泵技術提供了通過整合形成的一整套可資借鑒的成功經驗。
     3、明確了淺表層回灌海水是地下熱資源的主要組成部分。即滿足海水用量應以淺表層水為主,從而打破了以往水文地質專業的傳統觀念。
     4、建立分析模型,解析回填層深度與相對海岸的井距對應井水溫度的關系,為方案的立項和擴初設計提供理論依據。
     5、成功地研發了新型海水專用除砂器,提高了濾砂效果,榮獲國家發明專利。
     6、成功地采用間接式測壓方式,解決了海水對測試元件的腐蝕難題。
     7、成功地研發了海水井專用井壁,改善了井水質量,提高了井的使用壽命。
     8、成功地采用自吸技術,簡化了海水的提取過程。
     9、成功地實施了海水“直供”系統,取得事半功倍地制冷奇效。
     10、成功地實施了對地下熱資源的?;?,將供暖初始相對溫度較高的海水截流回灌,防止熱資源前期無端地消耗和浪費。
     11、成功地研發了排水井雨水大線的止回閥(榮獲國家專利),有效阻隔了冬季低溫海水倒灌影響取水井的海水溫度。
     12、成功地運用自控技術,在海水流量的控制,海水溫度的保持,克服“水錘”效應,規避海水泵空載,“機泵”聯動設計,GPRS遠程監控,防凍報警裝置等方面取得多項創新成果。
     鑒于以上成果的取得,從而使海水熱泵空調系統在大連港六個碼頭成功運行了九年之久。其中兩個碼頭被國家認定為示范項目,并在國內首次通過國家驗收。
四、國家示范項目專家組驗收意見
     2009年12月9日,大連市財政局、城鄉建設委員會在大連市召開由大連港集裝箱股份有限公司承擔的大連港大窯灣港區三期集裝箱碼頭輔建區單體海水源熱泵可再生能源建筑應用示范項目驗收會。專家組聽取了示范項目申報單位對項目實施情況、實施質量、實施效果的工作匯報,查閱了中國建筑科學研究院出具的該項目能效測評報告,同時進行了實地考察和質詢。經過充分討論,形成以下驗收意見:
     1、 該項目是國家第二批可再生能源建筑應用示范項目,建設程序合法、資料齊全、數據詳實、符合驗收要求,項目實施情況達到申報要求,建筑節能率超過《公共建筑節能標準》(GB50189),實施量1.6萬平方米,系統能效比均達到了申報指標,部分參考指標超過了申報要求。
     2、 該項目從設計、施工、調試、試運行、系統維護運行各階段遵守了國家規范和規程,同時采用了施工單位自主研發的專利技術,如海水除沙、排水管防海水倒灌措施等,保證了冬季系統的正常運行;夏季部分時段采用了海水直接供冷等技術,節省能源顯著。
     3、 該項目對于遠離熱源、近海邊、低密度建筑的類似工程具有推廣意義及可復制性。
     4、 該項目對于財政部下發的中央財政專項撥款實現了專款專用。
專家組一致認為該項目完成了財政部、住房和城鄉建設部下達的任務,同意通過大連港大窯灣港區三期集裝箱碼頭輔建區單體海水源熱泵可再生能源建筑應用示范項目的驗收。
五、海水熱泵技術的經濟、環境和社會效益
     1、經濟效益:以示范項目為例,采用海水源熱泵機組在供熱方面運行費用是油鍋爐的1/3;是電鍋爐的1/4;與煤鍋爐相同。例如:國家示范項目——大窯灣三期集裝箱碼頭,總建筑面積16000㎡,每年采暖所需熱負荷180萬KWh,僅耗電80萬KWh,折合標煤291噸。在供冷方面運行費用是電制冷的50%;是吸收式制冷的40%。其中三期業務樓整個夏天全部用海水直供,節能超過正常電制冷的63%,足見其節能的可觀效益。
     2、環境效益:采用海水源熱泵機組供熱制冷最重要的意義在于節能減排的社會效益。海水熱泵空調系統不消耗一次性不可再生能源(如煤、油、天然氣等);有害物質為“零”排放,不污染生存環境,不污染海水,不產生溫室效應。因此是一項節約能源、?;せ肪車穆躺繁<際?,其無可估量的社會效益將對現實乃至今后相當長時間內產生深遠的積極影響。
     3、社會效益:海水源熱泵技術在大連港大窯灣港區應用起步最早,且空調系統整體技術水平處于國內領先地位。其在港口建筑供暖和制冷方面的開發和應用,開創了我國北方沿海港口采用空調采暖節能環保新技術的先河。在能源供應成為制約發展的瓶頸,環境?;こ晌笠檔納緇嵩鶉問?,海水源熱泵技術較好地解決了節能和環保的實際問題,足見采用海水源熱泵技術從節能環保的意義上講,對于建設資源節約型和環境友好型的港口,具有功在當代利在千秋的不可估量的深遠意義,為我國沿海發達地區的可持續發展提供了可行的成功經驗。

海水熱泵介紹.ppt

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