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  • 海水源热泵系统在天津滨海度假山庄中的应用
  • [2013-08-02]
  • 海水源热泵系统在天津滨海度假山庄中的应用

     

    罗迎宾     刘长明

    浙江思科国祥制冷设备有限公司    江苏普斯新能源科技有限公司

     

    摘要:文章通过在分析介绍海水源热泵系统在天津滨海度假山庄中成功应用,重点探讨了海水源热泵系统的防腐蚀工作;同时,综合对比其它中央空调系统运行模式,结果显示,在系统运行的两个季节中,该系统运行平稳,节能效果显著,具有突出的环保性。

    关键词:海水源热泵     防腐蚀

     

    The Application Of Seawater Source Heat Pump System In Tianjin Seaside Resort

    Abstract: The article analysis the successful application of seawater source heat pump system in Tianjin seaside resort, focusing on the anticorrosion work of seawater source heat pump system; at the same time, comprehensive comparison of other central air-conditioning system operation modes, and the results show that: in the two season of the system running stable, energy-saving effect of significant, outstanding environmental protection.

    Key words: Seawater Source Heat Pump   Corrosion


    前言

    地表水源热泵系统,是指以地表水作为空调系统的冷/热源,通过水源热泵机组,给建筑物提供冷/热量的空调系统。系统主要由地表水取水系统、水源热泵主机、室内管网系统等三部分组成。通过少量的高位电能输入,实现低位热能向高位热能转移的一种技术.地表水水源包括江水、湖水、海水、水库水、工业废水、污水处理厂排出的达到国家排放标准的废水、热电厂冷却水等。海水源热泵,正是这样一种利用海水作为中央空调系统冷热源的节能型空调系统。

    项目情况介绍

    天津市滨海度假山庄,位于天津市滨海旅游区,建筑面积约23000平米,夏季空调负荷为2695KW,冬季采暖负荷为2116KW;项目紧邻渤海,从设计之初决定采用海水源热泵空调系统。机组采用台湾国祥满溢式水源螺杆热泵机组,同时,为满足度假山庄的生活热水需求,每天生活热水量约50吨,温度不低于55℃.

    图1 天津滨海新区发展规划图

    天津滨海地区海水资源

    渤海是中国的内海。三面环陆,在辽宁、河北、山东、天津三省一市之间。具体位置在北纬37°07′~41°0′、东经 117°35′~121°10′。渤海水温变化受北方大陆性气候影响,2月在0℃左右,8月达21℃。 3月初融冰时还常有大量流冰发生,平均水温11℃。由于大陆河川大量的淡水注入,又使渤海海水中的盐度仅为30PSU(Practical salinity unit),是中国近海中最低的。渤海海域面积77284平方公里,大陆海岸线长2668公里,渤海地处北温带,夏无酷暑,冬无严寒,多年平均气温10.7℃,降水量500~600毫米。

    渤海海底平坦,多为泥沙和软泥质,地势呈由三湾向渤海海峡倾斜态势。海岸分为粉沙淤泥质岸、沙质岸和基岩岸三种类型。渤海湾、黄河三角洲和辽东湾北岸等沿岸为粉沙淤泥质海岸,滦河口以北的渤海西岸属沙砾质岸,山东半岛北岸和辽东半岛西岸主要为基岩海岸。大量泥沙的堆积使渤海深度变浅,平均水深18米,全海区50%以上水深不到20米,只有辽东半岛南端有一水深 70 多米的凹地。另一方面,海水热力动态深受陆地的影响,表层水温季节变化明显。夏季水温可达24~25℃,冬季水温在 0℃左右,除秦皇岛、葫芦岛一带外,普遍有结冰现象,但冰层不厚,一般为15~30厘米,冰期1~3个月不等。渤海盐度较低,大部分海区均低于30。海面风浪较小,沿岸平均波高0.3~0.6米。

     

     海水源热泵项目设计方案

    海水源热泵取水管网设计

    由于海水具有潮汐特点,而且渤海临海区域地势较缓,因此,传统的筑堤引渠提水模式不太适合该项目。而利用海底地势平缓的特点,往往可以利用海底敷设管网的取水模式,从而可以避免诸多筑堤取水的困扰。

    首先自海岸线贯升至海底约1公里,沿海底敷设两根DN200的高密度聚乙烯PE管道,管道间距≧30米;同时,在海底预先每隔20米浇灌一座5米深(长宽分别为0.35米×0.35米)的混凝土基础,同时以铁锁固定管道于其上。

    其次,在取水口采用PVC材质过滤网焊接固定于供/回水管道口;管道口垂直竖起,高度不低于1米,以防止取水过程中吸取大量海底泥沙,阻塞供水管道。同时,供回水管道在近海岸附近,通过阀门进行联通,以便于间歇性的冲洗清洁抽水管道。

    再次,考虑到项目为度假山庄,因此在冬季肯定为营业的淡季,必然使得整套系统存在着间歇性的停机。在此期间,管道内部的水无法排空防冻,因此,水平管网系统的进机房的沿途中,水平埋深为3.2米(该区域冻土层1.6米),不仅低于冻土层的深度,而且还避开了该区域的市政管网系统。同时,PE管道的上部和下部均敷设了30公分的黄沙层,且间隔5米设计断层性支撑座,以防止破坏管道。

    最后,机房内,取水管道进水源热泵主机之前,离心泵之前安装高精度水质过滤器,以减少海水中的沙砾等对主机换热器的堵塞问题。

    图2 海底管道固定

    图3 水平管道敷设

    图4 水平取水管道敷设

    图5 取水管道敷设

    海水源热泵系统的防腐蚀工艺处理

    海水源热泵系统防腐是该项目的核心。系统防腐主要包括水源热泵机组、换热器、管道及泵等,总体原则为直接接触海水的部件均应采用有效防腐措施。热泵机组换热器水侧采取了防腐措施后,海水可以直接进入机组,与通过板式换热器与热泵机组进行热交换的海水源热泵系统相比,降低了设备投资费用,提高了机组效率,节约了运行费用。

    目前, 应用在海水源热泵系统中的水源热泵机组均设计使用满溢式结构,传统的干式蒸发器热泵机组绝对无法应用在开式海水源热泵系统中。海水源热泵机组其基本防腐措施为:

    ①.考虑到海水的腐蚀性,目前常用镍白铜、海军铜或者B10铜作为换热管:海军铜是一种锌锡铜的合金,通常含有70%Cu、29%Zn、1%Sn。此种合金在海水中具有很好的抗腐蚀性。B10也为铜镍合金,也具有很好的耐NaCl腐蚀的性能。此种合金在海水中具有很好的抗腐蚀性。

    ②.蒸发器及冷凝器管板采用复合材料,管板水室侧采用抗腐蚀材质(锡黄铜等);

    ③.蒸发器及冷凝器水室封头内镀锌处理;

    ④.水室封头内下部放水堵头设置牺牲锌块,以加强水侧材质的防腐效果,牺牲锌块可定期更换。
        ⑤.靠近海边的热泵机房和设备、管道以及金属结构,应涂刷防腐涂料,如环氧富锌、防锈环氧云铁、环氧沥青等。

     

    系统设计方案选型

    根据设计方案,该项目夏季空调负荷为2695KW,冬季采暖负荷为2116KW;每天需要提供生活热水量约50吨,温度不低于55℃,因此,选择台湾国祥满溢式水源螺杆热泵机组两台,一台机组为标准热泵机组,制冷量2040KW,输入功率313KW,制冷COP为6.51;制热量2180KW,输入功率400KW,制热COP为5.45.另一台机组为全热回收机组,制冷量685KW,输入功率111KW,制冷COP为6.17;制热量为736KW,输入功率为136KW ,制热COP为5.4;全热回收量为780KW。

        根据现场监测数据,该系统取水口布置在渤海水面下约12米;夏季取水温度在24℃左右;冬季取水温度在5.7℃左右,极端气候条件下,冬季取水温度为5.1℃。夏季该系统的运行工况较好,优于传统的冷却塔及地埋管系统工况;冬季该区域水温较低,无法按照传统设计的5℃满足换热器设计,因此,在机房内部增加了一台变频调温泵,在冬季的时候通过控制水流量的大小,实现小温差的利用。一般回水温度控制在2.8~3℃以上,此时,水流量为传统标准机组流量的140%,基本上满足系统运行的最大条件。

    空调系统运行模式为:夏季两台热泵机组共同制冷,以满足山庄的建筑冷负荷(冷负荷为2695KW,机组总制冷量为2725KW,满足空调需求);冬季标准机组单独供暖(热负荷为2116KW,机组总制热量为2180KW,满足采暖需求)。

    热水系统运行模式:夏季优先开启全热回收机组制取生活热水;春秋季及冬季单独开启全热回收机组制取生活热水。生活热水加热时间为:

    热水吸热量:

    夏季热水加热时间:

    过渡季节及冬季加热时间:

    满溢水源螺杆热泵机组一般工作时间30分钟内频繁开关机会导致系统出现无法完成自动回油程序,出现跑油现象,影响机组的稳定运行;该设计无论是夏季还是冬季均能够保持在开机稳定运行3小时以上,因此,系统设计方案合理。

    4 系统运行费用分析

    系统自2009年8月份完成调试以来,至今已经稳定运行了近两年半;稳定度过了三个采暖季以及两个制冷季。总体来讲,系统的设计达到了初期的设计思想和宗旨,操作维修方便,具有较高的节能性。下图为该系统与其它系统全年运行费用的对比,海水源热泵系统全年节约空调采暖费用约76~86万元。

    综合考虑生活热水系统,对比较传统的燃气热水器、电热水器以及燃油锅炉,可以发现,在加热等量热水的前提下,水源热泵系统每吨水的加热成本比传统设备低60~80%以上;尤其在夏季生活热水费用完全免费。

    山庄夏季制冷季节120天,过渡季节及冬季240天,据不完全统计,全年节约生活热水费用相比较最初设计方案(电热水器),全年节约运行费用大约600840元,具有巨大的经济性价值。

    结论

    该项目从项目设计初期即考虑了系统的稳定性,尤其是海水对系统的腐蚀性问题,冬季海水温度偏低、以及管网系统的取水布置问题,因此,在后期的运行中系统体现出了卓越的性能,基本达到了设计的初衷,实现了系统的节能目的,降低了系统的维护费用。但是,实际运行过程中还是发现,渤海水质中的微生物对系统的影响还是存在,尤其在季节交替之际,需要拆开容器的端盖以清洗换热铜管,否则极容易导致容器内部淤积的微生物杂质转换到室内末端系统,从未导致系统的彻底失败。

    总体来说,地表水源热泵技术在对项目的基本情况进行分析的前提下,还是具有较大的经济性和环保性价值,值得推广。

     

    参考文献:

    【1】吴元纬.中国的热泵技术和应用   第五届国际热泵技术能源会议论文集

    【2】地下建筑暖通空调设计手册编写组,地下建筑暖通空调设计手册,中国建筑工业出版社,1983年7月第一版

    【3】贺平,孙刚, 供热工程[M],北京:中国建筑工业出版社,1997

     

     

    作者简介:

    • 罗迎宾,男,江苏泰州人,工学硕士,

    浙江思科国祥制冷设备有限公司,销售中心总工程师,

    电子邮箱:payless@vip.163.com  手机:13814000313

    通讯地址:浙江省东阳市经济开发区城北工业新区长松岗功能区

    • 刘长明,男,江苏普斯新能源科技有限公司,总工程师

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