伊春市热泵技术的应用

所属栏目:城市规划论文 发布日期:2010-08-20 11:04 热度:

  内容提要:
  本文主要通过对热泵技术的工作原理与发展趋势的介绍;以及规划工作中基础设施尤其是采暖系统对规划建设的局限性,阐明热泵技术在自然及地理环境相对特殊的伊春推广应用在当今这个大力提倡节约能源,减少污染,合理利用可再生能源,提高能源利用率的环境下的深远意义。
  
  一、技术概况及发展趋势
  我国是能源消费大国,单建筑能耗这一项就超过全国能耗1/2。从可持续发展的角度看,利用可再生能源、提高能源利用效率是贯彻落实科学发展观、走可持续发展道路的唯一途径。
  地下水及土壤中蕴含的热能是典型的可再生能源。“水中央空调”作为热泵系统的一种,是可再生能源的一种利用方式,同时具有节能、环保意义的绿色供热制冷空调系统。我国地源辽阔,地下水储藏量丰富,一些经济发展较快,环保意识较强的城市已开始尝试利用地下水源及土壤源热泵空调系统为建筑提供冷、热源,并取得了理想的效果。
  从50年代,天津大学的一些学者已开始从事热泵的研究工作到1966年原哈尔滨建筑工程学院与哈尔滨空调机厂研制成功LHR-20恒温恒湿热泵式空调机,首次提出冷凝废热用作恒温恒湿空调机的二次加热的新流程,到2004年11月,我国首部直接以海水作为热源的“海水中央空调”在威海国际游艇俱乐部成功安装,热泵系统经历了半世纪的研究和完善,已经是一项成熟可靠的技术。目前我国严寒及寒冷地区供暖主要仍靠燃煤、燃油锅炉等传统的方式,这不仅局限城市的整体规划建设,同时更增加了污染的排放,也加剧了能源供应结构与需求的矛盾。
  据业内人士透露,近年来我国建筑业得到了快速的发展,需要大量的建造和运行使用能源,尤其是建筑的采暖和空调耗能。据统计,在一些严寒地区,城镇建筑能耗高达当地社会能源消费的50%左右,而商场和综合大楼达到60%以上。与此同时,由于建筑供暖燃用大量煤炭等矿物能源,使周围的自然与生态环境不断恶化。我国每年由于燃烧矿物燃料向地球大气排放的二氧化碳仅次于美国居世界第二,预计到2020年,中国将取代美国成为世界二氧化碳排放第一大国。运用热泵技术,这些建筑物比采用传统采暖制冷技术可以节省3/5左右的能源、减少1/2以上的排放。
  在大力提倡节约能源,减少污染,建设原生态城市的前提下,黑龙江省伊春市城乡规划局率先在地理条件较特殊、地下水温不足7℃的伊春地区成功试验了水源热泵供暖技术。经过一个采暖期的数据监测和统计,水源热泵在地下水源不足7℃的条件下仍然能达到预期的节能效果,采用该技术的电能耗不到普通空调的1/4。试验结果证明:热泵技术的成功不仅是一次建筑采暖革命的开始;也是节能环保的里程碑;更是城市规划的新起点。
  
  二、城市规划工作中存在的局限因素
  城市规划工作涉及规划学、建筑学、地理学、历史学、社会学、心理学、城市经济、政策管理等多个领域,具有明显的以实证研究为核心的学科,首要任务是对基础资料的收集和分析。城市基础资料包括:城市现状、经济、人口、水文、气象、地质地貌、地震、矿藏等方面历年统计资料与普查资料,城市地名录、城建志、城市历史沿革等方面资料。
  在城市规划工作中需考虑的城市现状的主要内容概括而言是指为城市生产和居民生活提供公共服务的物质工程设施即城市基础配套设施。它是城市赖以生存和发展的一般条件,是社会分工的产物。城市基础设施是一个系统工程,它主要包括六大系统,即能源供应系统、供水排水系统、交通运输系统、邮电通讯系统、环保环卫处理系统、防卫防灾安全系统。
  城市基础设施在不同的历史时期有着不同的内容,它既是城市发展的基础,又必须随着城市的发展而不断变化发展。经济社会的发展、科学技术的进步、人民生活水平的提高,既对城市基础设施提出新的要求,又为城市基础设施发展开辟了新的道路;而城市基础设施的发展、完善、配套,又会进一步推动城市经济的发展,促进科学技术的进步,改善人民的生活条件,反之则能严重限制城市的发展。
  城市基础设施在形态上具有固定性,它们在实物形态上大都是永久性的建筑,供城市生产和居民生活长期使用,不能经常更新,更不能随意拆除废弃。因而,城市的基础设施也在客观上局限了城市的规划建设。所以,在进行城市规划时设计时,必须把当前需要与长期目标结合起来,合理选址并确定适当规模,要避免刚建成的新区因原有基础设施跟不上发展的需要而被限制发展。
  一位搞了多年规划工作的朋友形象的称这些基础设施的主管网为“城市的大动脉”。不难想象一个人的大动脉段了会有什么后果,其实城市也一样。同样这些带给城市活力的“大动脉”也成了限制城市建设发展的重要因素。城市建筑的发展总被限制在某些基础设施所谓的服务半径内。水源净化技术的发展解决了城市发展与供水半径的难题;卫星技术的普及解决了网络电信的问题;罐装液化气站技术的成熟解决了燃气供给的问题……一系类新技术的推广和实施使得这些城市基础设施的设置变的灵活更节约了能源。唯独采暖问题一直没有很好的解决方案,直到热泵技术的成熟才使这一难关得已攻破。
  目前,国内许多城市的规划缺乏深入细致的现场调研和资料收集,是导致许多城市规划成果徒有“量”却缺乏“质”的内容的主要原因,也是许多城市规划偏重于形体设计而忽略实际使用功能的重要因素。特别是针对城市旧城更新的城市规划,除了从城市各相关职能部门收集城市的基础设施资料和宏观的经济信息外,通过对场地的实地踏勘和长期跟踪观察来收集相关数据尤为重要,尤其是涉及基础配套设施的服务半径、负荷系数等方面的研究内容,不实地就近观察很难得出准确的结论。有些规划工作者为了工作业绩,照搬国内外的现成模式再冠以一个动听的口号,成为一些城市规划建设者的常用手法。由于没有充分了解设计对象城市的具体情况,缺乏足够的规划依据,规划方案往往比较生硬,与城市原有的生成形态和文化背景产生较大偏差,由此造成许多城市设计成果徒有美好的设想,却缺乏实施的坚实基础。
  生活在一个现对较老的城区,起初总看到原本平坦整洁的大马路今天挖明天填后天又挖……不明白为什么要这么麻烦。后来一问才知:由于城市的不断建设,不是今天自来水压不够就是明天的供暖负荷不够等等。当然这不完全是规划工作者的责任,各类基础设施都又其特殊性。城市规划不仅要考虑城市的整体和谐和功能的完善,还要考虑各功能建筑对周边环境的影响。比如说城市的发展需要城市居住用地区新建一个50万平方米的大规模住宅区,而城市供暖的半径和负荷已经满足不了新建小区的需求,如何解决采暖问题便成了规划工作的难题。这时就需要一种打破传统的采暖方式:热泵冷暖系统。
  
  
  三、热泵系统的工作原理及技术优势
  在自然界中,水总由高处流向低处,热量也总是从高温传向低温。但人们可以用水泵把水从低处提升到高处,从而实现水的由低处向高处流动,热泵同样可以把热量从低温传递到高温。所以热泵实质上是一种热量提升装置,热泵的作用是从周围环境中吸取热量,并把它传递给被加热的对象(温度较高的物体),其工作原理与制冷机相同,都是按照逆卡诺循环工作的,所不同的只是工作温度范围不一样。热泵这个名称非常形象的比喻了它的原理:即热泵不是热能的转换设备而是热量的搬运设备,它是一台“泵”,这个“泵”所搬运的介质不是水、气或油,而是“热”。也因为这样,它的“效率”不受能量转换效率(100%为其极限)的制约。热泵制热的效率,受到逆向卡诺循环效率的制约,其理论上的最高效率为:(工作温度+273.15)/高、低温差,从这里可以看出,只要有效的降低工作温差,就可以提高制热效率。例如高低工作温差在20度时,系统的理论制热系数就可以达到15倍以上。
  一台压缩式热泵装置,主要有蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四部分组成,通过让工质不断完成蒸发(吸取环境中的热量)→压缩→冷凝(放出热量)→节流→再蒸发的热力循环过程,从而将环境里的热量转移到水中。
  热泵在工作时,把环境介质中贮存的能量Q1在蒸发器中加以吸收;它本身消耗一部分能量,即压缩机耗电Q2;通过工质循环系统在冷凝器中进行放热Q3,Q3=Q1+Q2,由此可以看出,热泵输出的能量为压缩机做的功QB和热泵从环境中吸收的热量Q1;因此,采用热泵技术可以节约大量的电能。众所周知,热泵装置是一种输入输出比较大的能量转换装置,传统的制冷(热泵)装置能效比即可达到1:2.8左右,采用新技术合理配置开发的制冷(热泵)装置的能效比可达到1:5以上,这是目前一切电器冷暖(或电热)设备所无法可比和实现的能效,而且热泵装置具有结构简单、性能稳定、易操作、安全可靠等特点,采用热泵装置为各类建筑物配套制冷降温和供热采暖,投资少、费用低、无污染、好管理,是实现低成本、高效益、无风险经营理想的集中供冷(暖)装置,也是改变现代化文明都市面貌、创造更舒适的人类生活环境不可缺少的重要条件。
  
  从科学利用热能的角度来说,使用电力、燃气、燃油等高品位的能源,用于加热仅四五十度温升的生活用热水是极不合算的,这样的加热过程即使是达到100%的效率,表面看是没有热能的损失,但实际上已经伴随着巨大的熵增损失,是一种极大的能源浪费。从热力学第二定律的意义上讲,传热的温差越大,能量的损失就越大,即热能除了有“热量”方面度量以外,还有“品位”方面的度量,人们应该尽可能使用较低品位的热能,这才是科学的和合理的。
  
  制热四个过程原理
  (1)压缩过程
  蒸发后的运行工质被吸入压缩机,通过压缩机的压缩功能,将工质压缩成高压高温气体,使其对于较低温度的自来水易于放热、液化。
  (2)冷凝过程
  从压缩机排出的高压高温工质被常温的自来水吸收热量而变成的液态工质。
  (3)节流过程
  把液化后的工质送入热泵主机蒸发器之前,利用毛细管的压力差,使工质在保温水箱的冷凝器内冷凝降压,将它变成即使在低温下也易于蒸发的状态。
  (4)蒸发过程
  液态工质从周围空气中吸收热量而不断蒸发汽化,被吸收热量后的空气变为“冷气”。
  
  由此可见热泵系统不仅是一种低能耗高效率的制冷、采暖设备;同时该技术基本不受应用规模、城市供热管网、地理位置等因素限制;在节能领域不仅节能减排,更能“变废为宝”。
  “不用煤,不用油,不用燃气;不排烟,不排渣,零污染”,既可以为建筑物供冷、供热,还可以供生活热水,这就是热泵供冷供热技术。
  
  
  四、伊春的地理特殊性与热泵技术应用的意义
  伊春市地处北纬46°28′——49°21′,东经127°42′——130°14′,位于黑龙江省东北部小兴安岭的中心地带,东临鹤岗,西接庆安、绥棱,南靠依兰、通河,北沿逊克与俄罗斯隔江相望。森林覆盖率高达到82.2%,由于特殊的地理条件整个城市呈东西向“带状”发展,人口居住区比较分散。整个伊春的电力及冬季采暖主要由:林业电厂,新青电厂,带岭电厂,南岔木材水解电厂,乌马河电厂等提供,一些较偏远的林区居民仍靠火炕或小煤炉取暖。近年来随着城市的发展,这些设施的负荷基本已经满足不了城市发展的需求,在大力提倡减排的今天,急需一种新方案解决这一难题。
  随着技术的不断进步,近几年来,水源热泵得以发展的主要推动力是它能够以“量大面广”的低位热能,如井水、地下水、江河湖水、电厂冷却循环水、矿井水及城市生活污水等为能源,其中城市生活污水是“水源热泵技术”的又一把开门的钥匙。伊春规划局戚建峰同志介绍说:“伊春规划局大楼采用的水源热泵技术创造性地突破了热源水不能低于8℃的界限,使低于8℃地下水也成为热泵技术可利用的再生能源,是节能减排的一个新途径,同时实现夏季供冷、冬季供暖、生活热水全年保障的三联供。”热泵技术在低温地下水(4℃–8℃)的再次创新突破和发展,为热泵冷暖空调的大力发展和广泛普及应用具有很好的推动作用,也将为遏制日益耗尽的人类一次性能源的过渡索取起到重大作用,同时避免了因采用燃煤锅炉供暖的日益增加而造成的严重污染,是确保实现建筑节能65%规划目标的重要组成部分。
  节能就是减排、节能就是环保、节能就是效益。以节能和减排为最高目标的创新发展浪潮已在全国迅猛兴起,利用地源热泵、水源热泵等供热采暖和制冷空调已成为建筑节能的优先选择,国务院各部委及全国各地已纷纷出台了优惠政策与资助措施,大力支持和推广热泵冷暖技术节能,并且国家相继投入了大量的无偿资助资金,采用强力措施推动建筑节能新技术和可再生能源的应用。国家将地源热泵列入了《“十一五”建筑节能重大支撑技术》之一。热泵是一种成熟而高节能的新技术和新产品,热泵冷暖系统是体现电能源高效利用的最好方式,也是人类社会持续发展不可缺少的替代新能源,要实现建筑节能离不开地源热泵,积极推广和应用热泵新技术,既有现实的经济效益,更有长期的社会效益,同时具有深远的历史意义。
  伊春市相关领导在视察热泵技术应用现场会上强调:各部门要高度重视水源热泵技术在我市的推广应用。热泵技术的推广将极大缓解我市能源紧缺的压力,对减少我市的木材采伐量、降低燃煤量、环境保护和建设生态城市有着重要的意义;更要结合棚户区改造及新区新建项目情况,扩大水源热泵技术的应用范围,特别是在电厂供暖负荷不够,服务半径达不到的项目中积极采取这项技术,既能突破局限条件,又能为伊春的建设打造出更多节能、环保的精品工程;同时实现了可再生能源产业化,着力打造“林都伊春”的“绿色能源之乡”品牌,让绿色能源成为伊春市的支柱产业之一。
  参考文献:
  《地源热泵技术与建筑节能应用》
  《黑龙江省居住建筑节能65%设计标准》
  《城市规划相关知识》
  

文章标题:伊春市热泵技术的应用

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