林玉森

摘要：通過利用燃?xì)忮仩t使用時的排煙廢熱為地源熱泵系統(tǒng)的室外換熱系統(tǒng)提供補(bǔ)充熱源，兩個系統(tǒng)形成良好的互補(bǔ)，既解決了我國北方地區(qū)應(yīng)用地源熱泵長期運(yùn)行的地下冷熱量平衡的難題，又降低了燃?xì)忮仩t的排煙溫度，減少了污染物排放。文章介紹了利用燃?xì)忮仩t排煙余熱解決地源熱泵系統(tǒng)地下冷熱量平衡的方法及控制方式，并對實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：地源熱泵；燃?xì)忮仩t；排煙余熱；冷熱平衡

中圖分類號：Q938 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）32-0085-02

地源熱泵技術(shù)是目前成熟的供暖制冷技術(shù)，已經(jīng)在很多實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證，可以冬天供熱、夏天制冷，一機(jī)兩用，并具有高效節(jié)能、對環(huán)境污染小、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、維護(hù)費(fèi)用低、運(yùn)行費(fèi)用低等諸多優(yōu)點(diǎn)，是理想的建筑冷熱源，特別是在我國北方地區(qū)，冬季寒冷漫長建筑能耗高，使用地源熱泵作為建筑的冷熱源會明顯降低能耗、減少污染物排放。但是因?yàn)楸狈蕉镜臒嶝?fù)荷遠(yuǎn)大于夏季的冷負(fù)荷，單一應(yīng)用地埋管系統(tǒng)而沒有調(diào)節(jié)地下冷熱平衡的措施，冬季取熱、夏季排熱，由于其負(fù)荷差很大、冷熱不平衡，長期運(yùn)行將會造成地溫持續(xù)下降，在地埋管區(qū)域形成“冷島”，最終將導(dǎo)致地源熱泵系統(tǒng)效率降低甚至不能運(yùn)行。使用太陽能集熱板、余廢熱等為冬冷夏涼地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)提供補(bǔ)充熱能是調(diào)節(jié)室外換熱系統(tǒng)冷熱平衡的有效辦法。

本工程位于吉林省長春市，地源熱泵系統(tǒng)總建筑面積26000m2，共有兩棟建筑，一棟為工廠綜合辦公樓，一棟為工廠生產(chǎn)輔助用房。經(jīng)業(yè)主與設(shè)計院反復(fù)論證和實(shí)際項(xiàng)目考察，建筑的冷熱源采用土壤源熱泵系統(tǒng)，利用為工廠生產(chǎn)提供蒸汽的燃?xì)忮仩t的排煙廢熱作為地源熱泵室外換熱系統(tǒng)的補(bǔ)充熱源。

1 主要設(shè)計參數(shù)及熱參數(shù)換算

1.1 夏季室外設(shè)計計算參數(shù)

表1

干球溫度 日平均溫度 濕球溫度 極端溫度 大氣壓力

30.4℃ 26.1℃ 24℃ 36.7℃ 96780Pa

1.2 冬季室外設(shè)計計算參數(shù)

表2

采暖溫度 室外相對濕度 干球溫度 極端溫度 大氣壓力

-20.9℃ 77% -24.3℃ -33.7℃ 99650Pa

1.3 夏季室內(nèi)設(shè)計計算參數(shù)

詳見表3。

1.4 冬季室內(nèi)設(shè)計計算參數(shù)

詳見表4。

1.5 冷熱負(fù)荷

詳見表5。

1.6 燃?xì)忮仩t系統(tǒng)參數(shù)

表6

額定蒸發(fā)量 額定蒸發(fā)量 節(jié)能器進(jìn)出口煙溫 循環(huán)水泵

16t/h 22t/h 110℃/50℃ 揚(yáng)程32m、流量35t/h

1臺 2臺 3臺

1.7 地源熱泵系統(tǒng)冬季取熱量的計算

實(shí)際運(yùn)行平均熱負(fù)荷按計算熱負(fù)荷40%，采暖天數(shù)170天，熱泵機(jī)組COP值3.8。

冬季取熱量=（1860×40%）×（1-1/3.8）×

170×24×3600=8052116210kJ

1.8 地源熱泵系統(tǒng)夏季放熱量的計算

實(shí)際運(yùn)行平均冷負(fù)荷按計算冷負(fù)荷70%，制冷天數(shù)70天，每天制冷時間10h，熱泵機(jī)組COP值5.5。

夏季放熱量=（1650×70%）×（1+1/5.5）×

70×10×3600=3439800000kJ

1.9 地源熱泵系統(tǒng)冷熱不平衡量的計算

冷熱不平衡量=8052116210-3439800000=4612316210kJ

1.10 燃?xì)忮仩t系統(tǒng)余熱量計算

鍋爐系統(tǒng)年均補(bǔ)水按23000t，平均進(jìn)水溫度15℃，平均出水溫度45℃，鍋爐年均消耗天然氣3700000Nm3，天然氣低位發(fā)熱值32650kJ/Nm3，鍋爐平均效率按92%，節(jié)能器熱回收率80%。

鍋爐系統(tǒng)出加熱補(bǔ)水外可提供給熱泵系統(tǒng)的余熱量=32650×（1-92%）3700000×80%-23000×1000×（45-15）×4.186=4843180000kJ。

1.11 板式換熱器換熱面積計算

按逆流換熱進(jìn)行計算，計算公式：F=Wq/（K·△T）。

換熱量：Wq按鍋爐鍋爐節(jié)能器可提供的余熱量取值，即熱水箱水位處于高位，電動給水閥關(guān)閉且軟水箱溫度達(dá)到設(shè)定值，全部水流都流經(jīng)地源熱泵系統(tǒng)補(bǔ)熱板式換熱器，鍋爐最大天然氣流量1500Nm3/h。Wq=1500×32650×（1-92%）×80%×1000/3600=870666W。

進(jìn)出口溫度：熱媒進(jìn)出口溫度50/20℃，冷媒進(jìn)出口溫度9/19℃進(jìn)行計算，傳熱系數(shù)K值取4000W/m2℃；平均溫差△T：△T=〔（50-19）+（20-9）〕/2=21℃。

換熱器的有效換熱面積：F=Wq/（K·△T）=870666/4000·21=10.4m2。

1.12 過渡季節(jié)循環(huán)水泵選型計算

流量Q=W/（T2-T1）

其中：W為總熱量（單位：kcal）、T2為換熱器出口溫度（單位：℃）、T1換熱器進(jìn)口溫度（單位：℃）

W=870666×3600/1000/4.186=748781kcal

Q=W/（T2-T1）=748781/（19-9）/1000=75m3/h

揚(yáng)程：板式換熱器壓降取0.05MPa，管道不超100m且管件等較少阻力取0.1MPa，壓頭余量按0.1MPa，則水泵揚(yáng)程=0.05+0.1+0.1=0.25MPa。

1.13 余熱補(bǔ)充系統(tǒng)的流程

詳見圖1所示。

2 系統(tǒng)的控制和監(jiān)測

2.1 控制

2.1.1 鍋爐余熱端的控制。軟化水經(jīng)鍋爐節(jié)能器加熱后分別可以送至鍋爐熱水箱和地源熱泵補(bǔ)充熱能的板式換熱器，利用管路上的電動閥調(diào)節(jié)送至板式換熱器的流量，優(yōu)先保證鍋爐用水加熱的需要，合理調(diào)節(jié)進(jìn)入節(jié)能器的水溫，保持節(jié)能器運(yùn)行在高效率狀態(tài)。

當(dāng)閥1開度增大時，熱水直接進(jìn)入軟化水箱的流量增大，進(jìn)入地源熱泵換熱器的流量減小，軟化水箱內(nèi)水溫升高，節(jié)能器出口水溫升高，鍋爐除氧器加熱用蒸汽量減少；反之則節(jié)能器出口水溫降低，鍋爐除氧器加熱用蒸汽量增加。

圖1

電動調(diào)節(jié)閥檢測節(jié)能器的水出口溫度和煙氣出口溫度進(jìn)行恒定調(diào)節(jié)，保持水出口溫度不低于50℃，排煙溫度不高于50℃。

2.1.2 地源熱泵端的控制。冬季采暖和夏季制冷地源熱泵系統(tǒng)開動時，地埋側(cè)循環(huán)水直接進(jìn)入板式換熱器汲取熱量；過渡季節(jié)或地源熱泵系統(tǒng)停機(jī)時系統(tǒng)自動將循環(huán)動力切換到使用小循環(huán)泵，同時開閉對應(yīng)電動閥門；小循環(huán)泵根據(jù)裝在換熱器熱媒進(jìn)口的溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)判斷啟動和停止（溫度高啟動、溫度低停止），以避免不必要的電能消耗；通過小循環(huán)泵的循環(huán)將熱量帶到地下系統(tǒng)中。

2.2 監(jiān)測

檢測地源熱泵室外換熱側(cè)水泵進(jìn)口的溫度變化情況，用以監(jiān)測地溫變化情況，分析冬夏季的冷熱平衡情況。

3 經(jīng)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)

2009年11月投入運(yùn)行至2012年共經(jīng)歷了4個寒冷冬季，鍋爐的最終排煙溫度40℃～50℃，地源熱泵系統(tǒng)地溫11℃～15℃，完全可以做到室外系統(tǒng)的冷熱平衡，運(yùn)行狀況十分理想。

（1）鍋爐節(jié)能器至熱泵系統(tǒng)的管道使用的是無縫鋼管，軟化水經(jīng)節(jié)能器加熱升溫后原水中的溶解氧析出，造成管道的氧腐蝕，導(dǎo)致管道流通面積減小，流動阻力增大，局部出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。應(yīng)在系統(tǒng)中再加裝一組換熱器，使余熱回收利用的循環(huán)水封閉循環(huán)，消除氧腐蝕，鍋爐補(bǔ)充軟水管路在換熱器后采用不銹鋼管道。

（2）利用鍋爐排出的廢熱對地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行地下冷熱平衡調(diào)節(jié)，使地溫不會因?yàn)榈卦礋岜孟到y(tǒng)的取熱和放熱的不平衡而降低，保障了該系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。

（3）鍋爐排煙溫度降低到50℃以下，天然氣燃燒后產(chǎn)生的水蒸氣大部分冷凝下來，二氧化硫、氮氧化物排放量大大減少，減少了熱排放和污染物排放。