地源热泵复合式系统在海盐客运中心的应用

暖通e家 2019-07-09 06:53:26


0 引言

我国对地源热泵系统能效的研究大多局限于实验系统测试[1],研究方法主要为系统实测[2,3]或模型分析[4,5],得到的结论也多是停留在理论研究或者是工程示范阶段,尚缺乏普遍实际工程应用效果的实例与验证。笔者参与海盐客运中心的设计、施工及实际运行数据调查,为地源热泵系统的实际节能与应用提供实践依据。

海盐县隶属于浙江省嘉兴市,地处嘉兴平原,土层厚,含水丰富,导热性能良好,是典型的夏热冬冷气候地区。2010年7月海盐县被列入国家级可再生能源建筑应用示范县,2011年7月,嘉兴市被列为国家可再生能源建筑应用示范城市。2008年我国制定实施了《民用建筑节能条例》,2011年,浙江省出台了浙政发〔2011〕56号《浙江省人民政府关于积极推进绿色建筑发展的若干意见》,海盐县当地政府相应出台《海盐县可再生能源建筑应用示范县建设实施方案》,为坚决贯彻落实绿色建筑发展目标,该项目为浙江省首个地源热泵系统客运中心项目,于2012年12月投入运营。

1 工程概况

海盐客运中心位于浙江省海盐县环城南路和东西大道交叉口,总投资约1.1亿,占地45831.5m2,总建筑面积11001.4 m2,其中客运站房8230.4 m2(地上四层、地下一层),地下为汽车库及设备用房,一层为售票及候车,二至四层为办公用房。经负荷计算,夏季空调峰值冷负荷1110.5kW,冬季空调峰值热负荷690kW。


1 海盐客运中心鸟瞰图


客运中心占地广,绿化停车面积大,冬夏季总冷负荷适宜,全年需不间断运行,较适合应用地源热泵系统。海盐又属典型夏热冬冷地区,夏季释热量需求远大于冬季吸热量,单一的土壤源热泵系统长期运行后由于吸热散热不平衡,容易使岩土体温度逐年升高,系统效率下降且破坏土壤自身热平衡[6]。为保持系统处于较高效率下运行且保持释热量和吸热量的基本对等,项目采用土壤源热泵与冷却塔辅助供冷的复合式系统。土壤源侧吸热量释热量选取以系统总热负荷为依据,系统配置1台地源热泵机组+1台电动水冷螺杆式冷水机组(冷却塔单联),地源热泵机组负责提供客运中心冬季所有热负荷,电动水冷螺杆式冷水机组与冷却塔相连仅在夏季工况辅助地源热泵机组运行。

2 系统概述

2.1 系统配置

根据负荷计算结果系统配置额定工况制热量846kW,制冷量778kW地源热泵螺杆机组一台,地埋管侧水温夏季25/30℃冬季5/10℃,提供冬夏两季的冷热负荷需求;其中夏季辅助配置一台额定制冷量为366kW的水冷螺杆式冷水机组,供回水温度7/12℃,冷却塔水流量为100t/h。系统采用复合式地源热泵空调系统,将地源热泵空调系统与冷却塔散热系统进行有机地结合,夏季制冷EER=5.5,冬季制热COP=4.2,解决单一地源热泵空调系统在夏热冬冷地区使用当中的土壤热不平衡,保证系统运行的稳定和节能性。当地源热泵机组无法满足夏季峰值负荷需求时辅助水冷冷水机组联合运行。图2为冷热源系统流程图,冬夏季及过渡季运行采用电动阀互切运行。


图2 空调系统流程图

2.2岩土热响应测试

影响地埋管设计因素主要有岩土热物性参数、岩土初始温度、回填材料性质、钻井几何尺寸、埋管管材材质与口径、换热介质的流速等。其中岩土的热物性是影响较大。工程选定一个钻孔测试点,钻井口径130mm,采用地源热泵专业产品地源空调地埋换热量测试仪—GE100W”测试岩土热物性。开启测试设备循环水泵,记录地埋管换热器进出口温度,运行一段时间后,进出口水温基本稳定,取地埋管换热器进出口平均温度为岩土体初始温度[1.2]。根据项目岩土勘探资料,成孔深度100m。孔内设两根DN32 单U管(伟星HDPE100,承压1.6MPa)后用沙子回填。回填48h以后,采用 GE100W对单孔进行测试。设定夏季测试工况28/33℃;冬季测试工况5/10℃。单孔的单工况测试时间为48h,合计测试时间不少于为250h,分别得到地下水水温测量,岩土初始温度[7,8]测试结果、温度流量曲线图及数据、热物性计算结果。

2.2.1地下水水温测量

图3地下水水温测量结果(成孔48h后)

由图3可得,当地面以下18m左右深度,地下水水温维持恒定为18.5℃左右,且之后再不以岩土深度的加深而降低。

2.2.2岩土初始温度测试结果


图4岩土初始温度测试结果(灌浆完成48h后)

土壤源温度以回填满48h采用温度传感器对埋管内的水温进行测量,近似作为土壤原始温度。由图4可以显示,岩土初始温度在18m左右接近平均值,且维持在18.6℃的恒定温度,与地下水水温基本一致。

2.2.3地埋管供回水温度测试结果


图5夏季工况测试温度曲线图

由图5可以看出,在设定夏季测试工况为28/33℃下,48h内的地埋管供回水温度的曲线变化在前8h的陡增之后供水水温度逐渐趋于平稳,埋管出水温度保持在27.5℃左右,且供回水温差维持在5℃上下波动范围内。


图6冬季工况测试温度曲线图

设定冬季测试工况为5/10℃,图6显示地埋管供回水温度在22h后趋于稳定,冬季埋管出水温度慢慢接近10℃左右,之后维持恒定,供回水温差为5℃,与系统运行额定温差基本一致。

2.2.4换热量计算结果

根据供回水温度及导热模型求解单U管的热物性-导热系数值,通过导热系数计算换热量,计算换热量如下表所示:

表1单U换热量测试结果

测试孔

导热系数

夏季工况(33/28℃)

冬季工况(5/10℃)

埋管深度

整体换热量

单位换热量

整体换热量

单位换热量

单U

1.67w/(m·k)

5512.9w

55.1( w/m)

4170w

41.7( w/m)

100m

2.3 室外埋管布置

地源集合管埋设于地面以下1.8m处,每孔垂直地埋管有效换热长度80m。考虑车载因素,垂直地埋管设置于客运中心西北面50m绿化及出租车等候区,垂直地埋管系统采用锥型地埋管专用件,孔内的地埋管每米设一个成品间距控制管夹。上述U型管及其端部弯头和管夹均应在不受阳光照射的条件下室内完成热熔连接。U型管成品在埋入地源孔前均应带防阳光保护套。集合管采用PE100聚乙烯管热熔连接,连接后直至回填土前均应带防阳光保护套。垂直埋管系统成品加工完成直至使用前必须以系统工作压力的水充入密封以防止外部冲击。钻孔结束并下放好垂直地埋管后随即用膨润土和细沙的混合物回填,回填物膨胀凝固需24h以上此前严禁下一步施工。埋管完成后分别对地埋管组和系统做充水耐压和严密性试压检漏,试验压力及其测试要求按GB50366的4.5节相关内容执行。试验结束后将管内水降压至工作压力密封至使用前检查地埋管系统不漏后才能泄压。图7为垂直埋管平面布置图,根据岩土热响应实验报告结果冬季工况单位换热量按照40w/m计算,以释热量与吸热量平衡为基本原则,按冬季热负荷定地埋管钻孔根数,依据当地地勘资料,考虑部分钻孔不成功或管路不通情况预留1.1的安全系数,最后设计钻孔240个,孔径130mm,孔间距4.5m,孔深度82m,孔内换热单元管为DN32的HDPE100单U管,水平埋管采用同程式布置。

2 系统运行及经济社会环境效益分析

系统配备了实时能效显示系统,可对系统能耗进行监控和采集,实时分析能效比、费效比、系统节能量和减排量,为整个海盐县地源热泵技术的推广提供了先进经验和良好的示范效果。项目于2012年12月投入运行,至今运行情况良好,节能效果显著,采集监测系统中有效数据,制作整理2013.5月到2014.1月地源热泵螺杆机组实际运行状态中,主机侧进出口温度曲线图如图8,图9及图10所示。


8 2013.5——2013.7月主机侧进出水温度



9 2013.8——2013.10月主机侧进出水温度


10 2013.12——2014.1月主机侧进出水温度

根据建设部2005年4月4日出台的《公共建筑节能设计标准》,节能基准建筑20世纪80年代改革开放初期建造的公共建筑,按该地区公共建筑传统的围护结构,在保证一般房间冬天20摄氏度、夏天25摄氏度的条件下,采暖热源设定燃煤锅炉,其效率为0.55;空调冷源设定为水冷机组,螺杆机组能效比3.8,计算出一个全年采暖、空调能耗,以此作为基础能耗,视为100%。参考建筑设计若方案为普通VRF空调系统,系统能效比(制热COP为3.0左右,制冷EER为3.2左右)。实际地源热泵复合式系统夏季制冷EER最高可达5.0,冬季制热COP最高可达4.2。

按我国目前发电能力,每发一KWH电,需消耗标煤0.35Kg,产生排放如下表2推计算得出客运中心采用复合式地源热泵空调系统所带来的实际环境效益如表3所示。按照商业用电0.955元/KWH计算,2012.12-2014.3月正式投入使用期间节省电能约为52.7w元。

表2 每1kwh电与排放物间折算

标煤

Kg

发电量

KWh

排放 g

CO2

SO2

烟尘

NOx

0.35

1

1212

8.6

2.1

5.2

表3系统运行能耗统计表2012.12~2014.3

系统运行时间

能效统计

日运行小时数

系统运行天数

系统累计运行小时数

系统累计耗电量

系统累计节能量

累计标煤替代量

系统累计减排量(co2

14h

5:00~19:00

317d

4440.7h

436635 KWh

551834 KWh

193.1t

668823 Kg

注:以上节能量统计以同等负荷、同等运行时间下多联机空调系统能耗为参照对像。

2 结语

本文针对浙江省海盐客运中心的空调系统项目,探讨分析了采用复合式地源热泵中央空调系统的空调方式,地源热泵与冷却塔散热系统有机地结合。经过单点岩土热响应实验确定土壤层初始平均温度、地下水平均水温,温度流量等计算获得岩土热物性值,最后复核确定垂直埋管根数及管深。系统自运行日起状况稳定,节能效果明显。相比传统的VRF空调系统,投资略高,但年节省电量约为33万KWh,折合标准煤可节省约115t,减少二氧化碳、二氧化硫、烟尘等排放约500t左右,从而使地源热泵系统潜在的社会效益、环境效益和经济效益得以全面体现。


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