楊 勇
廈門市閩工工程設(shè)備安裝有限公司(361000)
淺談地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用
楊 勇
廈門市閩工工程設(shè)備安裝有限公司(361000)
針對目前地?zé)峁┡瘧?yīng)用的現(xiàn)狀,介紹了一種新的環(huán)保節(jié)能的空調(diào)方式和技術(shù),由于其節(jié)能、無污染、效率高等特點,剛一出現(xiàn)就受到業(yè)界的廣泛關(guān)注并得到迅速發(fā)展。這里結(jié)合地源熱泵中央空調(diào)設(shè)計實踐,從地源熱泵原理、負(fù)荷設(shè)計、空調(diào)設(shè)計方案等幾個方面進(jìn)行分析。
地埋熱泵;中央空調(diào)系統(tǒng);技術(shù)
某辦公樓主體建筑為地上20層,設(shè)地下室1層,其中地下室車庫按六級平戰(zhàn)結(jié)合人防工程設(shè)計。該建筑總建筑面積為26 835.76 m2,其中地上建筑面積24 399.28 m2,地下室建筑面積2 436.48 m2,建筑高度為73.8 m。
1)夏季:空氣調(diào)節(jié)室外計算(干球)溫度33.2℃,空氣調(diào)節(jié)室外計算(濕球)溫度26.4℃,空氣調(diào)節(jié)日平均溫度28.6℃,室外計算相對濕度最熱月平均78%,室外平均風(fēng)速1.9 m/s,大氣壓力98.86 kPa。
2)冬季:空氣調(diào)節(jié)室外計算(干球)溫度-12℃,通風(fēng)室外計算(干球)溫度-9℃,最低日平均溫度-15.9℃,室外計算相對濕度最冷月平均45%,室外平均風(fēng)速2.8 m/s,大氣壓力102.04 kPa。
3.1 冷熱源選擇
該辦公樓冬夏季設(shè)計計算冷熱負(fù)荷見表1。
表1 地源熱泵系統(tǒng)負(fù)荷設(shè)計參數(shù)
根據(jù)設(shè)計計算冷熱負(fù)荷,該工程共設(shè)3臺冷水機(jī)組(U1~U3),由于項目冷熱需求的不平衡性,因此以冬季制熱工況負(fù)荷選定2臺土壤源熱泵機(jī)組(U1、U2),設(shè)計工況下單臺機(jī)組制熱量為804 kW,供冷量為835 kW。土壤源熱泵夏季供冷不足部分另設(shè)1臺螺桿式冷水機(jī)組(U3),采用冷卻塔散熱,供冷量為835 kW。冷水機(jī)組具體參數(shù)見表2。
3.2 中央空調(diào)機(jī)房設(shè)計
熱泵機(jī)組及配套設(shè)備設(shè)在一層機(jī)房。機(jī)房集、分水器各一臺,地埋各系統(tǒng)集、分水器兩臺,機(jī)房集、分水器主管與機(jī)房管道連接,支管與地埋系統(tǒng)集、分水器主管連接,地埋系統(tǒng)集、分水器支管與地埋管系統(tǒng)支管連接。
3.3 中央空調(diào)冷凍水的定壓及補(bǔ)水
供熱空調(diào)系統(tǒng)定壓補(bǔ)水方式,主要有膨脹水箱定壓補(bǔ)水、補(bǔ)水泵定壓補(bǔ)水、氣體定壓罐結(jié)合補(bǔ)水泵定壓補(bǔ)水等。其中,膨脹水箱定壓補(bǔ)水是最經(jīng)濟(jì)、最簡單的方式,所以現(xiàn)在在民用建筑中大量使用,但是膨脹水箱必須設(shè)在系統(tǒng)的最高點,安裝困難,管理不方便,使高位水箱的應(yīng)用受到了限制。利用補(bǔ)水泵連續(xù)補(bǔ)水定壓的系統(tǒng),其定壓裝置是由補(bǔ)水箱、補(bǔ)水泵及調(diào)節(jié)器組成,在系統(tǒng)正常運(yùn)行時,通過壓力調(diào)節(jié)器作用,使補(bǔ)水泵連續(xù)補(bǔ)給的水量與系統(tǒng)泄漏量相適應(yīng),從而維持系統(tǒng)動水壓曲線的位置,但這種定壓方式,一般需連續(xù)運(yùn)行,耗電大。利用壓力罐結(jié)合補(bǔ)水泵的定壓補(bǔ)水裝置在中央空調(diào)中被大量使用,它主要由補(bǔ)水泵、隔膜式氣壓水罐、安全閥、電接點壓力表和電磁閥組成,它的工作原理如下:當(dāng)系統(tǒng)準(zhǔn)備運(yùn)行時,開啟補(bǔ)水泵,水被送至管網(wǎng)的同時也被送至壓力罐的水室,水室擴(kuò)大并將罐內(nèi)的氣體壓縮,罐內(nèi)的壓力隨之升高,當(dāng)壓力升高至最高工作壓力時(系統(tǒng)最高點和定壓點之間的高差加上3~5 mH2O),水泵停轉(zhuǎn),系統(tǒng)已充滿水,利用壓力罐內(nèi)的壓力來維持管網(wǎng)的壓力,當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中,由于系統(tǒng)漏水或水溫改變導(dǎo)致系統(tǒng)水體積減少時,氣壓罐內(nèi)的水室縮小,罐內(nèi)氣體膨脹,壓力降低,當(dāng)壓力降低至系統(tǒng)最低工作壓力時(系統(tǒng)最高點和定壓點之間的高差加上1 mH2O),水泵開啟,系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水。裝置中的壓力表和電磁閥均是安全保護(hù)裝置,當(dāng)系統(tǒng)超壓時,可通過壓力表和電磁閥將多余的水排出系統(tǒng)。氣壓罐結(jié)合補(bǔ)水泵的定壓補(bǔ)水裝置的設(shè)備選型計算過程如下:
表2 冷水機(jī)組主要參數(shù)
1)補(bǔ)水泵的選擇
系統(tǒng)內(nèi)的水,當(dāng)熱水或冷熱兩用時,應(yīng)采用軟化水,當(dāng)軟化水壓力不能直接供入水箱時,應(yīng)另設(shè)水泵補(bǔ)水,補(bǔ)水泵的自動補(bǔ)水量可按系統(tǒng)循環(huán)水量的1%考慮,事故補(bǔ)水按系統(tǒng)循環(huán)水量的3%考慮,直接補(bǔ)入循環(huán)水泵的入口處,補(bǔ)水泵的揚(yáng)程應(yīng)按補(bǔ)水點與系統(tǒng)最高點的高差加上3~5 mH2O的富裕量考慮。
2)壓力罐的選擇
氣壓罐的最高工作壓力應(yīng)大于補(bǔ)水泵的揚(yáng)程。罐體的容積應(yīng)按罐體內(nèi)的水容積選擇,罐體內(nèi)的水容積應(yīng)按膨脹水箱的容積選擇,即罐內(nèi)的水容積應(yīng)能夠容納水系統(tǒng)的膨脹量。
式中:V—膨脹罐體內(nèi)的水容積(L);P2—系統(tǒng)在高溫時水的密度(kg/L),熱水時為熱水供水的溫度,冷水時為系統(tǒng)運(yùn)行前水的最高溫度,可取35℃;P1—系統(tǒng)在低溫時水的密度(kg/L),熱水時可取20℃,冷水時為冷水供水溫度,可取35℃;VC—系統(tǒng)內(nèi)單位水容積(L/kW)之和;Q—系統(tǒng)的總能量或總熱量(kW)。
3.4 空調(diào)水系統(tǒng)與末端裝置
中央空調(diào)系統(tǒng)可以分為三類:中央空調(diào)水系統(tǒng)、氟系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)。水系統(tǒng)中央空調(diào)以水為冷媒,比傳統(tǒng)氟系統(tǒng)空調(diào)更舒適。水系統(tǒng)中央空調(diào)一般用于大型建筑或大戶型住宅和別墅,主要產(chǎn)自美系品牌,以高端住宅為主。
地下埋管換熱器是地源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分,其選擇的形式是否合理,設(shè)計是否準(zhǔn)確,關(guān)系到整個地源熱泵系統(tǒng)能否滿意要求和正常使用。土壤的初始溫度、類型、傳熱特性以及密度和濕度等是影響埋管換熱器設(shè)計的重要參數(shù),因此做好施工場地的地層勘察和土壤熱物性測試工作非常重要。同時,建筑物全年累計的冷熱負(fù)荷通常是不均衡的。因此在埋管換熱器的設(shè)計中,必須要確定的是依據(jù)冬季熱負(fù)荷還是夏季的冷負(fù)荷來計算換熱器長度。另外,建筑物的冷熱負(fù)荷都是隨著環(huán)境溫度的變化而變化的,所以運(yùn)用動態(tài)負(fù)荷計算軟件來分析建筑物的全年逐時負(fù)荷非常重要。
根據(jù)該區(qū)域的地質(zhì)資料表明,工程場區(qū)松散沉積層巖性主要為黏性土、砂土(細(xì)沙、粉砂)和粉土,且分布層位較穩(wěn)定,可鉆性較好。在工程場區(qū)130 m深度范圍內(nèi),賦存多層地下水,存在較強(qiáng)的地下水滲流作用,有利于地埋管換熱器的傳熱并可減弱地埋管換熱器吸放熱不平衡現(xiàn)象。該工程130 m地層導(dǎo)熱系數(shù)和建議取值如表3所示。
表3 地層熱物理性參數(shù)取值
地源熱泵系統(tǒng)最大釋熱量與建筑設(shè)計冷負(fù)荷相對應(yīng)。包括:各空調(diào)分區(qū)內(nèi)地源熱泵機(jī)組釋放到循環(huán)水中的熱量(空調(diào)負(fù)荷和機(jī)組壓縮機(jī)耗功),循環(huán)水在輸送過程中得到的熱量,水泵釋放到循環(huán)水中的熱量。將上述三項熱量相加就可得到供冷工況下釋放到循環(huán)水中的總熱量。
4.1 熱泵系統(tǒng)吸熱量與建筑設(shè)計熱負(fù)荷對應(yīng)
地源熱泵系統(tǒng)最大吸熱量與建筑設(shè)計熱負(fù)荷相對應(yīng)。包括:各空調(diào)分區(qū)內(nèi)地源熱泵機(jī)組從循環(huán)水中吸收的熱量(空調(diào)熱負(fù)荷,并扣除機(jī)組壓縮機(jī)耗功),循環(huán)水在輸送過程中失去的熱量并扣除水泵釋放到循環(huán)水中的熱量。將上述前兩項熱量相加并扣除第三項就可得到供熱工況下循環(huán)水的總吸熱量。
根據(jù)以上公式(1)和(2)可以得出最大釋熱量為2 239 kW,最大吸熱量為1 233 kW。
4.2 地埋管管徑的選擇
選擇地埋管管徑時必須滿足幾個原則:1)管道要大到足夠保持泵最小輸送功率,減少運(yùn)行費用;2)管道要小到足夠使管道內(nèi)保持紊流,以保證循環(huán)液體和管內(nèi)壁之間的傳熱;3)系統(tǒng)環(huán)路的長度不要過長。地埋管的管徑選擇要考慮到按U型管的所需長度,成盤供應(yīng),以減少埋管接頭數(shù)量,所需管件能低價供應(yīng),降低工程成本。
4.3 地埋管管材的選擇
從眾多工程項目施工中得到:地埋管的管徑在Ф20 mm~Ф50 mm時,以PE80-SDR11-Ф32(GB/T 1 3663-2000)為最佳。在換熱器的換熱量小的工程中,在保證質(zhì)量的條件下,盡量選用薄壁管,以提高換熱效果。孔深100 m以內(nèi)用壁厚為2.3 mm的聚乙烯管;孔深300 m以內(nèi)用壁厚為3.0 mm的聚乙烯管。影響地耦管長度的因素有換熱器的換熱量、管的材質(zhì)、土壤的結(jié)構(gòu)、埋管的形式以及連接方法等。
4.4 地埋管換熱器的連接
在實際工程中,地埋循環(huán)管多為并聯(lián)連接到大直徑的集管上,連接時均采用同程回流式系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中,流體有足夠的流量流過各并聯(lián)支埋管并且流程相同,因此,各埋管支路的流動阻力、流體流量和換熱量比較均勻。在該工程中,采用多個分支同程回流系統(tǒng),再并聯(lián)成總同程回流系統(tǒng),每個分支系統(tǒng)均有管道平衡井。
該辦公樓工作時間為8:00~18:00,在末端裝置確定的情況下,各對比方案之間的經(jīng)濟(jì)性差異主要是系統(tǒng)冷熱源不同引起的,冷熱源一般是集中設(shè)置。根據(jù)我國能源現(xiàn)狀,確定了幾種常見的冷熱源方案,并與土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行分析比較。方案1:水冷冷水機(jī)組+市政供熱。方案2:風(fēng)冷螺桿式熱泵機(jī)組。方案3:地源熱泵。這里就以上三種方案的技術(shù)特點、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性進(jìn)行了分析比較,用以確定適合該項目的空調(diào)方案。
5.1 初投資比較
各方案初投資見表4。由表4可知,方案3地源熱泵系統(tǒng)的初投資最大,其次是方案2,方案1的初投資最小。造成土壤源熱泵系統(tǒng)初投資高于其他系統(tǒng)的主要原因是鉆孔費占系統(tǒng)比例較大,約為系統(tǒng)初投資的30%。由此可見,要降低方案3初投資主要是要降低系統(tǒng)鉆孔費用的。
表4 各個方案系統(tǒng)初投資比較
5.2 年運(yùn)行費用比較
經(jīng)比較,方案1的年運(yùn)行費用最高,其次是方案2,方案3的年運(yùn)行費用最低。圖2為各種方案初投資及運(yùn)行費用比較圖。
圖2 各種方案初投資及運(yùn)行費用
5.3 投資回收年限的計算
根據(jù)動態(tài)回收期公式:
式中:P′為動態(tài)投資回收期;CI為地源熱泵系統(tǒng)比普通中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)省的電費;CO為地源熱泵系統(tǒng)比普通中央空調(diào)系統(tǒng)費增加的投資;ic為基準(zhǔn)收益率,取一年期利率4.14%。從公式4和圖2中可以得出,方案3同方案1和2比較,采用地源熱泵系統(tǒng)的投資回收期為4.7或8.5年。
綜上所述,土壤源熱泵系統(tǒng)雖然室外部分比較復(fù)雜,初次投資高于普通空調(diào)系統(tǒng),但普通空調(diào)的運(yùn)行費用遠(yuǎn)高于土壤源熱泵系統(tǒng),一般4~9年時間就可以將增加的初次投資收回。普通空調(diào)壽命一般在15年左右,而土壤源熱泵的地下?lián)Q熱器由于采用高強(qiáng)度惰性材料,埋地壽命至少50年。因此,從使用壽命和運(yùn)行費用來考慮土壤源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性是高于普通空調(diào)系統(tǒng)的,鑒于機(jī)組長期運(yùn)行費用的節(jié)省和國家對節(jié)能環(huán)保工程的政策優(yōu)惠,采用土壤源熱泵系統(tǒng)比較經(jīng)濟(jì)。