232浙江舟山市某商务中心海水源热泵项目应用分析

1浙江舟山市某商务中心海水源热泵项目应用分析1青岛理工大学环境与市政工程学院2北海工程设计院李绪泉1胡松涛1施志钢1王刚1霍尚龙2摘要：本文结合浙江舟山海域的特点，针对舟山市某商务中心项目提出了抛管式的闭式海水源热泵方案，分析了该商务中心利用海水源热泵供冷供热的可行性，并对该方案的设备初投资和运行费用进行估算，为海水源的热泵系统的设计、施工提供基础。关键词：海水源热泵塑料盘管换热器运行费用1工程概况舟山市普陀区东港商务中心地处舟山本岛东侧沿海，与其东边的普陀山隔莲花洋相望，莲花洋北口与杭州湾相通，南为朱家尖跨海大桥和普沈水道，该中心用地即是浅滩填埋而成，其新建护岸线距离莲花洋主航道约1200m。一期广场建筑面积约为15万万m2，配套建筑面积为5万m2，共计20万m2；预留建筑面积为30万m2，全部工程建筑为50万m2。本项目的主要内容就是采用海水源热泵系统解决以上范围内建筑物的冬季采暖与夏季制冷及全年供生活热水的问题。2设计条件及负荷确定2.1设计参数(1)夏季空调室外计算干球温度：34.5℃(2)夏季室外计算湿球温度：28.5℃(3)冬季空调室外计算干球温度：-3℃(4)夏季室内计算温度：26℃；冬季室内计算温度：20℃2.2建筑冷、热负荷由甲方提供的资料知，一期工程建筑面积为15万m2，其夏季冷负荷为14300kW；冬季热负荷为9824kW。一期工程预留5万m2，合计一期工程建筑面积为20万m2，二期工程规划预留建筑面积30万m2，一期、二期工程合计建筑面积为50万m2，暂称为整体工程。按照该负荷指标计算冷热负荷，其建筑冷热负荷见表1。表1建筑冷热负荷表名称建筑面积(万m2)冷负荷（kW）热负荷（kW）备注一期工程2019067130992二期工程302860019648总体工程5047667327472.3海水取水温度的确定根据提供的海洋水质、水温资料确定海水的计算温度。夏季水温在28℃左右，冬季在9℃左右，夏季海水的进出口温差取5℃，冬季考虑海水的结冰、防冻问题，海水的进出口温差取5℃，二次媒介质可以考虑采用自来水。2.4海水承担的负荷海水源热泵机组的COP值冬季取3.5（考虑冬季最不利工况），夏季取6.0。计算系统供冷工况下释放到循环水的总热量和供热工况下自循环水的总吸热量。计算结果见表2。表2循环媒水的总吸热量、释放热量表1作为后面选择热泵机组的依据；表.2作为选择海水换热器、水泵等的依据。3海水源热泵空调系统方案本工程拟采用海水源热泵对商务中心供冷、供热。由于在海边打渗水井的方式，虽然具有冬季水体温度高、易处理等优点，但因其具有高污染性及水量不稳定性等原因，因此，在本项目中不推荐使用。故在本文重点对采用高密度聚乙烯塑料管作为热交换器的抛管式海水源热泵系统进行分析。本方案采用的闭式海水源热泵系统，其海水换热器是由一定长度的塑料管圈成盘状的换热器，盘管换热器放于大海中，热泵机组的循环水（热泵工况时为冷媒水，制冷工况为冷却水）在盘管内流动，盘管换热器利用管内外液体的温差进行换热。其原理图如图1所示。塑料盘管换热器的材料为聚乙烯管或聚丁烯管，塑料管的规格为DN20。由于本项目所处的海域为大片浅滩，淤泥较深，取水比较困难，所以本方案采用直接埋管的方式将换热盘管埋在淤泥中，媒介水的热量通过管道壁面与泥浆和流动的海水进行热交换，取热（供热）或释热（制冷）后回到陆域热泵总站。总管与分支管道均接到设于莲花台下的集管间，分4组进行控制、调节与计量。名称循环媒介水（海水）区域供冷工况媒介水吸收的热量（kW）供热工况媒介水提供的热量（kW）一期工程222459356二期工程3336714034全部工程55612233903图.1海水源热泵原理图3.1塑料盘管管壁与流体换热温差的计算考虑塑料盘管换热温差大，冬季媒介水的温度低，防止媒介水出现结冰现象，故需要计算塑料盘管管壁与流体换热温差，确定媒介水的温度。塑料盘管壁温tw=9℃，盘管长度L=100m，盘管内外径分别为20mm/25mm，管壁导热系数λ=0.38W/(m.k)，盘管进出水温差△t=5℃。根据计算可得盘管内的水流速v=0.53m/s。根据管内流速可得管内水流的对流换热系数为h=2052W/(m2.K)，媒介水上岸的温度为5.5℃,根据计算结果，可以考虑不采用防冻剂，而通过完善的自动检测与控制系统，通过系统的运行调节，来达到防冻安全的目的，直接采用自来水作为媒水介质。3.2塑料盘管换热器的长度计算塑料盘管热交换器的长度取决于供冷供况时水环路的最大散热量或者供热工况时水环路的最大吸热量，对于本项目盘管换热器的换热量见表2。夏季海水进换热器的温度为28℃，冬季海水的进水温度为9℃，盘管长度与热负荷的比值为26m/kW计算，对于一期工程总的盘管长度为：Lt1=22245×26=578370m对于二期全部工程盘管总的长度为:Lt2=33367×26=867542m3.3塑料盘管换热器的设计塑料盘管换热器的设计主要是设计热交换盘管的构造和流程。(1)等长盘管的数量一期工程等长盘管的数量为：N1=Lt1/100=578370/100=5784个4二期工程等长盘管的数量为：N2=Lt2/100=867542/100=8676个（2）环路集管及环路选型每个环路集管连接10个环路，环路集管采用聚乙烯塑料管，集管的管径为DN80，集管的流量为17.06m3/h，环路的管径为DN32，环路的流量为1.71m3/h。这样，对于1期工程需要241个集管，2期工程需要361个集管。一、二期共602个集管。（3）盘管的占用面积暂按每个盘管的占用面积为2.5m2，一期工程全部采用海水源热泵需要海域的面积为6020m2，二期工程需要海域的面积为9025m2。海域的面积可以根据海水的深度具体调整。考虑到有效换热，设计沿南北方向平行于护岸布置盘管，距离护岸约180m，平均水深-1到-2m，平均埋深3m，表层淤泥覆盖厚度1m。4方案经济性分析4.1投资估算根据设备的选型，估算总投资。本方案一期工程初投资4995.58万元，二期工程初投资为7494万元，合每平方米249.8元，不含室内末端投资。投资详见投资估算表3。表3一期工程设备初投资表单位：万元设备名称型号参数台数单价总价(元)热泵机组VKC0320制冷量：284KW制热量:380KW69463174媒介水循环泵KQL100-160流量:130m3/h，扬程:24mH2O,功率:15.0KW350.621冷冻水循环泵KQL80-160流量:65.4m3/h，扬程:32mH2O350.5820.3冷冻水定压罐NZG（P）-1200调节容积：0.75m312.422.42冷冻水补水泵KQL20-160流量:2.5m3/h扬程:32mH2O,功率:1.1KW10.120.12冷却水定压罐NZG（P）-1200调节容积:0.75m312.422.42冷却水补水泵KQL20-110流量:2.5m3/h扬程:15mH2O,功率:0.18KW10.110.115冷冻水补水箱1000mm×100mm×1000mm11.51.5冷却水补水箱900mm×900mm×900mm11.51.5电子水处理仪功率:240W经济流量:1500T/H21.32.6杀菌祛藻装置WL1000Ⅱ额定有效氯产率500g/h52.512.5冷冻水定压罐NZG（P）-1200调节容积：0.75m319.89.8取水部分、其它管件等1707.311707.31合计4995.584.2运行费用计算4.2.1计算依据制冷期4个月，制热期2个月，每天运行10小时，机组的开停比为0.7，电费按0.8元/度。建筑物各负荷比例的天数见表4。表4建筑物各负荷比例的天数负荷百分数夏季运行的天数冬季运行的天数0-25%401025%-50%402050%-75%202075%-100%20104.2.2运行费用计算一期工程热泵主机的功率：夏季：4416kW，冬季4472kW；水泵的功率：914kW表5一期工程热泵主机夏季的运行费用项目计算过程计算结果(万元)制冷负荷率100%2020×10×4416×100%×0.7×0.849.46负荷率75%2020×10×4416×75%×0.7×0.837.09负荷率50%4040×10×4416×50%×0.7×0.849.46负荷率25%4040×10×4416×25%×0.7×0.824.73合计120160.746表6一期工程热泵主机冬季的运行费用项目计算过程计算结果(万元)制热负荷率100%1010×10×4472×100%×0.7×0.825.04负荷率75%2020×10×4472×75%×0.7×0.837.56负荷率50%2020×10×4472×50%×0.7×0.825.04负荷率25%1010×10×4472×25%×0.7×0.86.26合计6093.9夏季水泵的运行费用：914×10×0.8×120=87.74万元。冬季水泵的运行费用：914×10×0.8×60=43.87万元。全年的运行费用为：160.74+93.9+87.74+43.87=386.25万元。二期工程总的运行费用为579.38万元。每平方米的运行费用为19.31元，不含室内末端耗电。5结论本项目采用一个全新的系统来代替现有的燃煤蒸汽锅炉房，该系统利用海水源热泵系统为用户提供冷量和热量。（1）根据分析和计算可知，利用海水源热泵为舟山市普陀区东港商务中心居住区筑供冷、供热技术上是可行的。（2）若整个工程采用海水源热泵，设备和管线一次投资。每平方米建筑面积的收费标准为19.31元/平方米，不含室内末端耗电和人工、维修等成本。（3）该项目的建成不仅为舟山市普陀区东港商务中心提供生活必备的冷、热水供应，也为房地产项目的发售、运营提供保障。从环境效益来看，海水源热泵系统属于清洁能源技术，采用海水源热泵技术，大大减少了城市对化石燃料的依赖，大量降低了化石燃料对城市环境的破坏，充分体现了绿色可再生能源的利用重要意义。参考文献[1]马最良，吕悦.地源热泵系统设计与应用[M].机械工业出版社，2006.10，1－2.[2]胡松涛，张莉，王刚.海水源热泵空调系统的工程应用[J].能源与发展，2005（3）：26－30.[3]刘东，陈沛霖，张旭.地源热泵的特性研究[J].流体机械，2001（7）：42－45.