水源热泵机组的节能效果及环境影响分析..doc

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1、第 25卷第 1 期后 勤 工 程 学 院 学 报Vol .25No .1 2009年1月JOURNAL OF LOGI STI C AL E NGI N EER I N G UN I V ERSI TY Jan .2009 文章编号 :1672- 7843(200901-0073-05水源热泵机组的节能效果及环境影响分析沈 彤 1, 庄春龙 2, 赵广健 2, 谢朝新 2, 熊开生 2(1.海军后勤部 ,北京 100026;2.后勤工程学院营房管理与环境工程系 ,重庆 400016摘 要 水源热泵机组由于具有较好的节能优势及环境效益 ,在国内外取得了 较快的发展。但对于水源热泵机组全生命周期

2、的环境影响定量化研究得较少。介绍了 冷热源机组环境影响评价较为成功的等价温室效果评价方法 ,对评价过程所涉及的因素进 行了分析说明,并应用该评价方法对重庆市某工程拟采用的 3 种冷热源方案进行了机组环 境影响分析。结果表明采用水源热泵机组作为冷热源无论在夏季还是冬季不仅存在巨大的节 能优势 ,最高节能量达到 32.05%,而且在全生命周期内的温室气体 CO 2 的排放量也较少 , 仅为方案 2的 67.40%,方案 3的 89.06%,具有良好的环境优势。关键词 水源热泵机组 ;节能 ;等价温室效果 ;环境影响中图分类号 :T U831文献标识码 :BAnalysis of the Energ

3、y Conservati on Advantage and Envir on mental I m pact on W ater Source Heat PumpSHE N Tong 1,Z HUANG Chun 2l ong 2,ZHAO Guang 2jian 2,X IE Chao 2xin 2,X I O NG Kai 2sheng2(1.Dep t .of Naval Logistical,Beijing 100026,China;2.Dep t .of BarracksManage ment &Envir onmental Engineering,LEU,Chongqing

4、 400016,ChinaABSTRACT Because of better energy conservati on advantage and envir on ment benefit,W SHP obtains quicker devel op 2ment at home and abr oad .But little study is made on the W S HP technique,particularly on the envir on mental p r otecti on perfor m 2ance in the whole life cycle of W S

5、HP syste m.This paper intr oduces the most well established method TE W I (Total Equivalent W ar m ing I m pact of refrigerati on and heating set,which is used t o elucidate the fact ors involving in the TE W Imethod .Finally,the evaluati on method is app lied t o s ome engineering,in which three ki

6、nds of refrigerati on and heating p r ojects have been dra wn up t o carry on envir on ment i m pact .The result sho ws that the W S HP has not only great energy conservati on advantages whether in su mmer or in winter,and is 58.54%less than p r oject 2,but als o less greenhouse gas e m issi on,whic

7、h is 40.64%of p r oject 2and 89.06%of p r oject 3in the whole life cycle and has good envir on ment advantages .Keywords water s ource heat pu mp (W S HP ;energy conservati on;TE W I ;envir on mental i m pact 收稿日期 :2008-06-24基金项目 :海军后勤部资助项目作者简介:沈彤,男,高级工程师 ,主要从事水资源利用与环境评价研究。水源热泵技术是利用 地球表面浅层水源如地下水、河流和

8、湖泊所蕴涵的低位热源,并采用热泵原理 ,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。由于相对空气而 言 ,水体环境的温度全年较为稳定 ,一般为 1025,其制冷、制热系数较高 ,如德国阿 伦文化及管理中心的河水源热泵平均性能系数可达 4.51,与传统的空气源热泵相比 要高出 40%左右。良好的地源热泵系统 ,平均可以为用户节约 30%40%的供热制冷空调运行费用 2 。文献 3曾指出热 泵技术不仅能从量的方面着手 ,减少各种损失和浪费 ,而且能从热力学第二定律的角度出发 ,减缓熵增 加的速度和过程。因此 ,近十几年来 ,水源热泵机组系统在北美如美国、加拿大及 中、北欧如瑞士

9、、瑞典等国家取得了较快的发展 ,中国的水源热泵市场也得到了较快的发展。该项技术已成为21 世纪最有效的供热和供冷空调技术之一。热泵技术不仅具有较好的节能优势,而且有良好的环境效益 ,因此在全国范围内推广热泵技术,使之作为建筑物供暖空调的冷热源是缓解暖通空调能源消耗与环境污染的 有效途径之一 4-7 。国内地表水源热泵系统目前尚处于试点发展阶段 ,对其节能与环保效益国内有 学者也做了些研究 ,如针对寒区城市污水源热泵系统的供暖工况探讨了城市污水冷 热源的节能与环保价值 ,包括一次能源节省量 ,有害气体、温室气体减少量等 8 。但在我国地表水源丰富的中原与南 方地区 ,以制冷空调为主,一次能源消耗

10、量以及有害气体的排放量与之不尽相同 ,因此评价的方法将有 所不同。本文通过对评价冷热源机组全寿命周期内环境影响较为成功的等价温室效 果评价方法 (Total Equivalent W ar m ing I m 2pact,TE W I 9进行介绍 ,对其评价过程所涉及的因素进行了分析说明 ,并应用该评价方法对重庆市某工程拟采用的 3 种冷热源方案进行了节能效果及环境影响分析。由于本文的论 述重点在于冷热源机组的节能效果及环境影响分析 ,没有涉及方案选择的经济性分 析。1 评价方法介绍除少数技术外 ,大多数与空调及燃烧发电相关的环境影响评价都与机组或设备 的运行情况相关10-12。制冷供热机组的

11、环境影响除应考虑直接的影响 制冷剂的年度 泄漏及机组拆卸时的制冷剂泄漏外 ,还应考虑间接的影响 驱动压缩机所需电 能而产生的温室气体 C O 2。国外对于制冷供热机组的环境影响做了大量的研究 ,其 中应用最为广泛的是全寿命周期内等价温室效果评价方法 (TE W I ,其计算方法见公 式(1。它是由美国橡树山国家实验室于 20世纪 90年代早期提出的。 TE W I 评价方 法将不同方案全寿命周期内直接及间接的环境影响统一成用温室气体C O 2排放量表示的等效单一数值 ,例如将制冷剂的环境影响转换成温室气体 C O 2排放量的多 少,同时又可对直接或间接的环境影响进行分析。V TE W I =(

12、n L× ×m ×G W F +(n ×E annual E×F +(L demolition m ×G(1式中:n 为机组使用年限 ,a;L 为年制冷剂泄漏率 ,%;m 为制冷剂充注量 ,kg;G W P 为全球变暖潜值 ,kgCO 2/kg;L demolition 为机组拆卸时的制冷剂泄漏率 ,%;E annual 为年供热制冷耗电量 ,k W ? h /a;EF 为单位电能的 CO 2排放量,kg CO 2/k W ? h 。采用 TE W I 计算式进行机组寿命周期内环境影响分析时 ,应结合我国的实际情况,对参数进行合理的选

13、取。对于制冷剂年泄漏量的估计值 ,美国橡树山国家实验室在 1997 年估计 为 4%13, 随着制造技术的进步,到 2005年该值已降为 2%。考虑到我国目前制冷机组的制造工艺水 平,制冷剂年泄漏量的估计值取 2%。单位电能的 CO 2排放量,根据不同国家的发电 构成情况而有所不同 ,如挪威主要为水利发电 ,几乎占全国发电量的 100%,因此该国 单位电能的 CO 2排放量仅为 0.005kgCO 2/k W ? h,而同属北欧的丹麦 ,由于矿石燃 料发电所占比重较大 ,单位电能的 C O 2排放量为 0.84kgC O 2/k W ? h 。我国重庆 地区主要是以矿物能源发电为主的火力发电

14、,单位电能所产生的 CO 2排放量约为 1.0kg CO 2/k W ? h 14。据报道在“十一五”期间三峡电站发电量将达到 3700亿k W ? h,国家发改委 下达的电量分配计划中 ,重庆为100亿k W ? h 15,按重庆主城区每天电力需求量 1亿k W ? h 计算16,水 利发电约占重庆市用电总量的 6%左右。因此 ,在重庆地区进行计算时单位电能的 CO 2 排放量取为0.94kgCO 2/k W ? h 。2 冷热源机组的环境影响计算分析2.1 冷热源方案的选择目前 ,空调系统的冷源主要来自电力驱动或热力驱动的各种冷水机组或热泵,热源主要来自自备锅炉、热电厂、城市热网及电力驱动

15、的热泵等。冷源与热源的组合 以及各种冷热源一体化设备 （如热泵、直燃型溴化锂吸收式冷热水机组等构成了不 同的空调冷热源方案。本文以重庆市某工程为例 ,进行冷热源机组生命周期内环境 影响分析 ,该工程夏季空调制冷负荷为 2912k W ,冬季供热负荷为 1117k W ,据此对 该工程提出了 3 种冷热源方案。47 后 勤 工 程 学 院 学 报2009方案 1 地表水源热泵机组方案方案 2 风冷热泵机组方案方案 3 冷水机组 +燃气热水锅炉方案2.2 方案耗电量的计算在通常情况下 ,冷热源系统并不是在满负荷工况下运行 ,依据该工程的能耗及运行时间的估计 ,对空调运行负荷及耗电量进行计算 ,其运

16、行时间的负荷率和累计百分数见表 1,在对不同冷热源的电耗量进行计算时 ,都采用此表的内容作为计算依据。由于仅比较不同冷热源机组的能耗及环境影响分析 ,因此不对水泵等附属设备的表 1 冷热源机组运行时的相关参数负荷率 /%累计时间百分数 /% 冷热源运行功 率/k W 2510.10.25N 1005046.10.5N 1007541.50.75N 1001002.3N 100注:N 100表示 机组满负荷运行 ,即负荷率 100%。耗电量及热水供应耗能量进行计算。本次测算按 照空调系统夏季运行 120d,冬季运行 90d,由于是医院建筑 ,因此制冷工况按全天 24h 运行。1地表水源热泵机组总

17、耗电量估算公式 :M ph =P ph×(0.25 0×.101+0.5 0×.461+0.75 0×.415+1 ×0.023 ×T hp (2式中:M ph 为夏/冬季总耗电 量,k W ? h;P ph 为热泵机组总功率 ,k W ;T hp 为夏/冬季运行时间 ,h 。根据国家标准水源热泵机组 (G B /T 194092003,冷热水型机组的制冷工 况的能效比取为 4.6,由此得出,机组夏季所需的总功率约为 633k W ,冬季为 199.5k W2风冷热泵机组的年运行耗电量估算公式M f =P f (×0.25

18、×0.101+0.5 ×0.461+0.75 ×0.415+1×0.023 ×T f(3式中:M f 为夏/冬季总耗电量 ,k W ? h;P f 为热泵机组总功率 ,k W ;T f 为热泵 机组运行时间 ,h 。依据产品说明书该风冷热泵机组的能效比取为 3.3,由此得出 ,机组夏季所需的总 功率约为 882.42k W ,冬季为 259.8k W 。3冷水机组 +燃气热水锅炉系统的耗电量估算公式 :M cw =P cw ×(0.25 ×0.101+0.5 ×0.461+0.75 ×0.415+1

19、15;0.023 ×T cw(4式中:M cw 为夏季总耗电量 ,k W ? h;P cw 为冷水机组总功率 ,k W ;T cw 为冷 水机组运行时间 ,h 。根据公共建筑节能设计标准(G B 501892005,螺杆冷水机组的能效比取为 4.6,由此得出 ,机组夏季所需的总 功率约为 633.04k W 。冬季热负荷为 1117k W ,采用天然气为燃料的热水锅炉供热 系统。锅炉系统总输出功率应为热负荷除以锅炉效率及管路的输送效率,按有关标准,锅炉效率及输送效率分别取为 0.89,0.9。则锅炉系统总输出功率应为 1395k W , 约为 1199276kcal/h,取天然气的发

20、热量为 10000kcal/m 3。每天采暖 10h 计算 ,则 90d 的采暖期内共需天然气 107934.84m 3,为方便比较 ,将其折算成冬季的耗电量 ,按 1m 3天然气可产生 5k W ? h 电能计,总电量为 539674.2k W ? h 。不同方案机组冬夏 季耗电量见表 2。采用天然气发电时 ,估算的单位电能所产生的 CO 2排放量约为燃 煤发电的 58%,即(1式中的 EF 值为 0.58kgCO 2/k W ? h 。燃气锅炉的 V TE W I 值 计算结果见表 3。表 2 不同方案机组冬夏季耗电量 P /k W T /h M /k W ? h M /k W ? h 节

21、能百 分比方案 1冬季工况夏季工况 199.5582.421602880254242.8989614.081243856.88100%方案 2冬季工况夏季工况 259.8882.422160*.121499408.0641830497.1867.95% 方案 3 冬季工况夏季工况 1395633.049002880539674.21075661.5681615335.7777.0%2.3 TE W I 的分析计算结合重庆地区的电力构成及机组的自身特性对 3种不同冷热源方案的 TE W I 进行分析计算 (见表3。其中制冷剂类型为 R22,其单位质量的全球变暖潜值 (G W P 为 1900kg

22、CO 2/kg 17, 年制冷剂泄漏率、机组拆卸制冷剂泄漏率及机组使用年限分别为 2%,15%及 15a 。57第 1期沈 彤等 水源热泵机组的节能效果及环境影响分析表 3 冷热源方案的 V TE W I 值机组型号及台数制冷剂充注量 /kg V TE W I /kgCO 2 减排百分比制冷剂泄漏等效产生 CO 2/kg 机组拆卸等效产生 CO 2/kg 间接的 CO 2排放量/kg 方案 1SRBLG990× 3180×318000082.00100%30780015390017538382方案 2LSF405×7110×326707760.0040.

23、82%59850029925025810010方案 3LSBLG1020×3E407×3150×7020144143.5489.06%1881000940500151668284695165.54 通过对水源热泵机组、风冷热泵机组和冷水 机组+燃气热水锅炉 3 种方案的年耗电量及生命周期内环境影响的分析和比较 ,可以 看出水源热泵机组系统相对于其他两种机组系统来说 ,无论在夏季还是冬季不仅存 在巨大的节能优势 :水源热泵机组全年的耗电量仅为风冷热泵机组的 67.95%,为冷水 机组 +燃气锅炉的 77.0%,最高节能量达到 32.05%。而且在全生命周期内水源热泵

24、机 组方案 1的温室气体 CO 2的排放量也较少 ,仅为方案 2的67.40%,方案 3的 89.06%。因此无论从节能的角度出发 ,还是对环境保护的考虑 ,水源热泵机组方案都 具有较强的节能环保优势 ,而风冷热泵机组方案则较差。可以得出 ,3 种冷热源方案 中,间接的温室气体排放量所占比例都较大 ,如方案 1中间接 CO 2排放量约占总量 的 97.8%,方案 2 为 96.64%,方案 3 为 98.61%。这主要由于目前进行空调制冷机组的 驱动能源是以煤、石油及天然气等化石能源发电为主 ,火电能、水能、风能及太阳 能等可再生能源发电所占比例较低 ,因而在计算 TE W I 时,单位电能的

25、 CO 2排放量 EF 的取值也较高 ,进而造成 CO 2间接的排放量较大。这充分说明了发展清洁能源 的重要性。3结论1从计算过程及结果可以得出 ,单位电能的 CO 2排放量对于降低温室气体的排 放起着关键的作用 ,因此如何提高发电机组的效率及可再生能源发电在电力构成的 比例都将降低温室气体的排放量。2一般而言 ,具有较低 G W P 值的制冷剂可降低 V TE W I 值,因此限制高 G W P 值的制冷剂使用范围及年限 ,尽量采用有较低 G W P 值的制冷剂 ,最终开发出适用的并具有市场潜力的无 G W P 值制冷剂将是降低温室气体的排放的另一个重要途 径。3TE W I 评价方法并没有

26、涉及水源热泵系统对水源环境的影响 ,如开式系统的排 水温度、闭式系统的换热盘管的排热对水源环境的影响等。同时 ,TE W I 评价方法 也没能考虑机组在制造及设备安装过程中所产生的温室气体排放带来的环境影响 , 因此下一步的工作是尝试如何将上述影响也纳入评价过程 ,使热泵机组及制冷剂的 环境影响更加全面和完善。参考文献1 库伯,斯泰姆莱 .热泵的理论与实践 M .王子介,译.北京:中国建筑工业出版 社,1986:34.2 孙友宏,胡克,庄迎春,等.岩土钻掘工程应用的又一新领域 :地源热泵技术 J .探 矿工程:岩土钻掘工程 ,2002(S1:7-12.3 徐邦裕,陆亚俊,马最良.热泵M . 北

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33、归模型能够对汽油的研究法辛烷值进行准确预测 ,定量分析误差满足国家标 准方法规定的要求。表 3和图 5对其中 10个样品进行了重复性考察 ,全部满足国家 标准方法的重复性要求4结语本文采用介电谱技术测定了汽油的研究法辛烷值 ,通过对 68 个不同样品的定量 分析以及部分样品的重复性考察 ,建立了介电谱技术测试汽油研究法辛烷值的方 法。研究结果表明 ,汽油的介电谱信息与其研究法辛烷值具有相关性 ,从汽油的介电 谱中提取其研究法辛烷值组成相关信息的方法是可行的。应用介电谱技术来测试汽 油研究法辛烷值的准确度 ,其再现性和重复性能够达到国家标准分析方法的要求。 该方法具有快速、简便的特点 ,检测装置

34、小巧便于携带 ,适用于现场快速检测。参考文献1 金海龙 ,王玉田,潘勇.基于介电常数法的便携式车用汽油辛烷值测定仪研究 J .仪表技术与传感器 ,2004(1:53-55.2 于爱东,袁冬梅.汽油单体烃色谱分离及辛烷值计算 J .大连民族学院学 报,2005,7(3:62-65.3 高俊,姚成,章俊.人工神经网络用于近红外光谱预测汽油辛烷值 J .分析科学 学报,2006,22(1:71-73.4 王京华,褚小立,袁洪福,等.在线近红外光谱分析技术在重整装置的应用 J .炼 油技术与工程 ,2007,37(7:24-28.5 冯新泸 ,李子存,熊刚,等.介电谱方法快速测定汽油中芳烃、烯烃含量的研究J .后勤工程学院学报 ,2005,21(4:46-49.6 汪文虎,秦延农.烃类物理化学数据手册 M . 北京:烃加工业出版社 ,1990:156- 158.7 冯新泸,史永刚.近红外光谱分析及其在石油产品分析中的应用 M . 北京:中国 石化出版社 ,2002:150-158.7沈 彤等水源热泵机组的节能7第1期效果及环境影响分析