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        淺談暖通在綜合能源中的應(yīng)用

        2019-06-19 09:02:06郭曉琴
        關(guān)鍵詞:暖通

        【摘要】在綜合能源系統(tǒng)大力發(fā)展的背景下,傳統(tǒng)的暖通系統(tǒng)往往存在或多或少的節(jié)能潛力。為了真正意義上提高暖通系統(tǒng)的運(yùn)行效率,本文通過介紹主要暖通系統(tǒng)并簡(jiǎn)述幾種典型的暖通復(fù)合系統(tǒng),得到如下結(jié)論:暖通方案設(shè)計(jì)前需充分了解系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)以及項(xiàng)目的實(shí)際情況;單一的暖通系統(tǒng)往往存在或多或少的缺點(diǎn),在實(shí)際項(xiàng)目中,通過分析和比較,可考慮采用復(fù)合系統(tǒng),充分挖掘系統(tǒng)的節(jié)能潛力。

        【關(guān)鍵詞】綜合能源;暖通;復(fù)合系統(tǒng)

        隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,環(huán)境污染、能源利用率低等問題逐漸突出,綜合能源系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。綜合能源系統(tǒng)是指一定區(qū)域內(nèi)利用先進(jìn)的物理信息技術(shù)和創(chuàng)新管理模式,整合區(qū)域內(nèi)煤炭、石油、天然氣、電能、熱能等多種能源,實(shí)現(xiàn)多種異質(zhì)能源子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)規(guī)劃、優(yōu)化運(yùn)行、協(xié)同管理、交互響應(yīng)和互補(bǔ)互濟(jì)。其中冷、熱作為兩種供能形式,在生活水平日益增長(zhǎng)的背景下,其需求量越來越高,直接導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)的能耗居高不下,為了更好發(fā)揮綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)、切實(shí)提高能源綜合利用效率、緩解碳排放帶來的污染,因地制宜地設(shè)計(jì)高效的暖通系統(tǒng)顯得勢(shì)在必行。

        1、前言

        暖通在我國(guó)起步雖晚,但發(fā)展迅速。近十年,隨著多種形式的暖通系統(tǒng)引入國(guó)內(nèi),相關(guān)的研究和應(yīng)用數(shù)不勝數(shù)。其中王路兵等人以實(shí)際項(xiàng)目為例,分析了淺層地?zé)崮?、太陽能和污水廢熱聯(lián)合應(yīng)用的可行性[1];杜玉吉等人提出了一種適用于大型公建的聯(lián)合能源區(qū)域供冷供熱系統(tǒng),并與傳統(tǒng)能源方式比較,證明該系統(tǒng)的優(yōu)越性[2];梁浩等人建立了一種區(qū)域能源系統(tǒng)優(yōu)化模型,可以統(tǒng)籌考慮常規(guī)能源與可再生能源,兼顧區(qū)域集中能源技術(shù)和分散能源技術(shù),使多種能源多種技術(shù)在社區(qū)層面優(yōu)化組合,優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[3];呂東彥等人論述了太陽能熱泵復(fù)合技術(shù)的發(fā)展[4];羅磊等人介紹了實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)低碳發(fā)展的能源規(guī)劃思路和方法[5];李崢嶸等人介紹了有助于太陽能區(qū)域供熱發(fā)展的高效太陽能集熱器、儲(chǔ)熱技術(shù)、低溫區(qū)域供熱技術(shù)和多能互補(bǔ)技術(shù)[6];石利軍等人結(jié)合實(shí)測(cè)調(diào)研與第三方檢測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)重慶某冷熱電三聯(lián)供復(fù)合供冷系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行性能進(jìn)行了綜合分析[7]。

        在綜合能源大勢(shì)所趨的背景下,暖通系統(tǒng)的合理使用顯得尤為重要。本要將著重介紹幾種主要的暖通系統(tǒng)形式,以及幾種常見的暖通復(fù)合系統(tǒng)方式。旨在為綜合能源中的供冷、供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

        2、主要暖通冷熱源形式

        2.1 水冷冷水機(jī)組

        水冷冷水機(jī)組是最為常用的中央空調(diào)供冷方式。主要包括四個(gè)主要組成部分:壓縮機(jī),蒸發(fā)器,冷凝器,膨脹閥。壓縮機(jī)依靠電驅(qū)動(dòng)。冷卻設(shè)備主要為冷卻塔。輔助設(shè)備冷凍水泵、冷卻水泵及其閥門、管道和控制系統(tǒng)等。按壓縮機(jī)的工作方式分類主要有:活塞式、螺桿式和離心式。其主要外形如圖1所示。

        圖1 水冷冷水機(jī)組外形圖

        2.2 吸收式冷水機(jī)組

        吸收式冷水機(jī)組是一種主體由蒸發(fā)器、吸收器組成的下筒體,冷凝器、發(fā)生器組成的上筒體,溶液熱交換器、容液泵、冷劑泵、抽氣系統(tǒng)等組成的冷水機(jī)組。與常規(guī)電驅(qū)動(dòng)的冷水機(jī)組相比,它沒有壓縮機(jī),主要依靠余熱驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)工作。因此,它適合用于具有能源梯級(jí)利用優(yōu)勢(shì)的三聯(lián)供系統(tǒng)中。其冷卻設(shè)備主要為冷卻塔。目前常用的吸收式冷水機(jī)組為溴化鋰制冷機(jī)。其主要外形如圖2所示。

        圖2 吸收式冷水機(jī)組外形圖

        2.3 吸收式冷水機(jī)組

        風(fēng)冷熱泵機(jī)組屬于空氣源熱泵的一種形式,是以室外空氣為其熱源或熱匯進(jìn)行供暖和供冷的熱泵型整體式空氣-水空調(diào)裝置。其應(yīng)用受到地理環(huán)境和氣象條件的限制。

        風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)主要有:不用水冷,省去了由冷卻塔、水泵及管道組成的冷卻水系統(tǒng)和鍋爐加熱系統(tǒng);由于以空氣作為熱源和冷源可大大地節(jié)約用水,也避免了對(duì)水源水質(zhì)的污染;將風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組放在建筑物頂層或室外平臺(tái)即可工作,省卻了專用的冷凍機(jī)房和鍋爐房。同時(shí)因風(fēng)冷也帶來了兩個(gè)問題:供熱運(yùn)行時(shí)可能要加設(shè)輔助熱源及由此引起的經(jīng)濟(jì)性問題;機(jī)組換熱器翹片上的結(jié)霜以及融霜對(duì)運(yùn)行的影響。其主要外形如圖3所示。

        圖3 風(fēng)冷熱泵外形圖

        2.4 地源熱泵機(jī)組

        地源熱泵機(jī)組原理與風(fēng)冷熱泵類似,主要區(qū)別在于源側(cè)。按照冷(熱)源類型分為地下水式、地埋管式和地表水式。因其源測(cè)的溫度相較于傳統(tǒng)的水冷和風(fēng)冷形式,呈現(xiàn)“冬暖夏涼”的特征,因此地源熱泵機(jī)組的能效較高,目前正得到廣泛的應(yīng)用。

        2.5 多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組

        多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組也屬于空氣源熱泵的一種形式。多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)需采用變頻壓縮機(jī)、多級(jí)壓縮機(jī)、卸載壓縮機(jī)或多臺(tái)壓縮機(jī)組合來實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)容量控制。在制冷系統(tǒng)中需設(shè)置電子膨脹閥或其它輔助回路,以調(diào)節(jié)進(jìn)入室內(nèi)機(jī)的制冷劑流量通過控制室內(nèi)外換熱器的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速或傳熱面積,調(diào)節(jié)換熱器的能力。與風(fēng)冷熱泵相比,其送到末端的介質(zhì)為制冷劑。輸送管道為銅管,系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)方便,部分負(fù)荷下運(yùn)行效率高。

        2.6 蓄冷系統(tǒng)

        空調(diào)蓄冷技術(shù)是指采用制冷劑和蓄冷裝置,在電網(wǎng)低谷的廉價(jià)電費(fèi)計(jì)時(shí)時(shí)段,進(jìn)行蓄冷作業(yè),而在空調(diào)負(fù)荷高峰時(shí),將所蓄冷的冷量釋放的成套技術(shù)。因而,蓄冷技術(shù)就是合理選擇蓄冷介質(zhì)、蓄冷裝置與設(shè)計(jì)系統(tǒng)組成,利用優(yōu)化的傳熱手段,通過自動(dòng)控制,周期性地實(shí)現(xiàn)高密度的介質(zhì)蓄冷和合理的冷量釋放。

        與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)不同,蓄冷系統(tǒng)可以通過制冷機(jī)組或蓄冷設(shè)備或兩者同時(shí)為建筑物供冷,用以確定在某一給定時(shí)刻,多少負(fù)荷是由制冷機(jī)組提供,多少負(fù)荷是由蓄冷設(shè)備供給的方法,即為系統(tǒng)的運(yùn)行策略。

        3、集中典型的暖通復(fù)合系統(tǒng)

        對(duì)于同一個(gè)工程,單一的暖通系統(tǒng)往往存在或多或少的缺點(diǎn),以至于無法充分發(fā)揮各自的最大優(yōu)勢(shì)。因此實(shí)際項(xiàng)目中,多種暖通系統(tǒng)復(fù)合設(shè)計(jì),能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短,提高系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效率,減少系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用,真正意義上實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的目的。本節(jié)將介紹幾種典型的暖通復(fù)合系統(tǒng)。

        3.1 水冷冷水機(jī)組+蓄冷系統(tǒng)+熱水鍋爐

        水冷冷水機(jī)組+蓄冷+熱水鍋爐的復(fù)合系統(tǒng)較為常見,其中蓄冷系統(tǒng)通常采用冰蓄冷。在擁有峰谷電價(jià)差政策的項(xiàng)目中,冰蓄冷系統(tǒng)具有削峰填谷,減小運(yùn)行費(fèi)用,降低主機(jī)容量的特點(diǎn)。水冷冷水機(jī)組+熱水鍋爐屬最常規(guī)的集中供冷供熱系統(tǒng),運(yùn)行穩(wěn)定,調(diào)節(jié)方便。在這樣一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)中,冰蓄冷裝置所對(duì)應(yīng)的蓄冰機(jī)組通常為雙工況水冷冷水機(jī)組,即制冷和制冰工況。夜間谷時(shí)電價(jià)時(shí),系統(tǒng)開始制冰,白天蓄冷裝置釋放冷量。設(shè)計(jì)人員需根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況和經(jīng)濟(jì)性分析,決定采用部分負(fù)荷蓄冰還是全部負(fù)荷蓄冰,以及系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行方式。

        由于蓄冰系統(tǒng)的加入,該復(fù)合系統(tǒng)能夠充分的利用谷時(shí)電價(jià)低的優(yōu)勢(shì),最大程度降低運(yùn)行費(fèi)用。此外,水冷冷水機(jī)組的容量在一定程度上會(huì)減小,降低主機(jī)的初投資,至于總的成本投入,需另行分析。

        3.2冷熱電三聯(lián)供+冷水機(jī)組

        綜合能源由多能互補(bǔ)衍生而來,分布式能源系統(tǒng)是多能互補(bǔ)的一種典型形式。建立在能源梯級(jí)利用基礎(chǔ)上的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)屬于分布式能源系統(tǒng),以其節(jié)能環(huán)保、綜合利用率高而暫露頭角。三聯(lián)供系統(tǒng)主要按照“以熱定電”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了充分發(fā)揮三聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì),按需供給、適時(shí)匹配尤為重要。通常,建筑100%負(fù)荷的持續(xù)時(shí)間較短,如果以該負(fù)荷設(shè)計(jì)三聯(lián)供系統(tǒng),系統(tǒng)的低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng),系統(tǒng)效率勢(shì)必大打折扣,因此冷水機(jī)組往往扮演調(diào)峰的作用。兩者進(jìn)行配合,能夠最大程度挖掘能源梯級(jí)利用的優(yōu)勢(shì),真正意義上提高系統(tǒng)的效率。

        在圖6中,隨著直接蒸發(fā)冷卻機(jī)組的效率增加,系統(tǒng)的送風(fēng)量減小。并且,當(dāng)室內(nèi)溫度以等差規(guī)律上升時(shí),送風(fēng)量的降幅基本相同,故直接蒸發(fā)冷卻機(jī)組效率與系統(tǒng)送風(fēng)量呈線性關(guān)系。當(dāng)直接蒸發(fā)冷卻機(jī)組

        3.3 地表水源熱泵系統(tǒng)+水冷冷水機(jī)組

        地表水源熱泵系統(tǒng)屬于地源熱泵系統(tǒng)的一種形式。傳統(tǒng)的地表水源包含江、河、湖、庫。一般江河屬于流動(dòng)性地表水,熱承載力通常優(yōu)于湖庫。在夏熱冬冷地區(qū)設(shè)計(jì)采用湖庫水的水源熱泵系統(tǒng)需校核水體的熱承載力,保證夏季周平均最大溫升不超過1℃,冬季周平均最大溫降不大于2℃。由于湖庫水體有限,往往出現(xiàn)按夏季負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),最大溫升不滿足要求。因此,在這樣的情況下,可按冬季熱負(fù)荷設(shè)計(jì)水源熱泵系統(tǒng),夏季不足的冷負(fù)荷由水冷冷水機(jī)組承擔(dān),一方面滿足了環(huán)評(píng)的要求,另一方面采用制冷效率相比一般系統(tǒng)較高的水冷冷水機(jī)組,能夠保證復(fù)合系統(tǒng)的使用效率,減低運(yùn)行費(fèi)用。

        3.4 土壤源熱泵系統(tǒng)+冷卻塔(或太陽能)

        土壤源熱泵系統(tǒng)屬于地源熱泵系統(tǒng)的一種形式。其發(fā)展較早,但由于早期的土壤源熱泵系統(tǒng)未重視土壤熱平衡問題,導(dǎo)致運(yùn)行若干年后,系統(tǒng)效率越來越低,末端效果越來越差,甚至系統(tǒng)無法運(yùn)行。隨著研究的深入,復(fù)合系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。在冷負(fù)荷明顯高于熱負(fù)荷的項(xiàng)目中,地埋管的容量按冬季工況進(jìn)行設(shè)計(jì),夏季不足的部分設(shè)計(jì)冷卻塔,土壤源熱泵機(jī)組的容量按較大工況進(jìn)行設(shè)計(jì),相當(dāng)于夏季土壤和冷卻塔兩種源聯(lián)合運(yùn)行。在熱負(fù)荷明顯高于冷負(fù)荷的項(xiàng)目中,地埋管的容量按夏季工況進(jìn)行設(shè)計(jì),夏季太陽能系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行,將太陽能儲(chǔ)存在土壤里,彌補(bǔ)冬季不足的取熱量。土壤源熱泵系統(tǒng)和冷卻塔(或太陽能)聯(lián)合運(yùn)行一方面極大緩解了土壤熱不平衡問題,另一方面提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。

        結(jié)論:

        在節(jié)能減排的大背景下,建立在多能互補(bǔ)基礎(chǔ)上的綜合能源概念應(yīng)運(yùn)而生。冷、熱是綜合能源中的一種能源形式。為了充分發(fā)揮綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì),合理使用高效的冷熱源系統(tǒng)至關(guān)重要,通過介紹主要暖通系統(tǒng)并簡(jiǎn)述集中典型的暖通復(fù)合系統(tǒng),得到如下結(jié)論:

        (1)暖通系統(tǒng)的種類較多,每一種系統(tǒng)都有各自的特點(diǎn),設(shè)計(jì)前需充分了解系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)以及項(xiàng)目的實(shí)際情況;

        (2)單一的暖通系統(tǒng)往往存在或多或少的缺點(diǎn),在實(shí)際項(xiàng)目中,通過分析和比較,可考慮采用復(fù)合系統(tǒng),充分挖掘系統(tǒng)的節(jié)能潛力。

        參考文獻(xiàn):

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        作者簡(jiǎn)介:

        郭曉琴(1990-),女,湖北荊州人,武漢科技大學(xué)城市學(xué)院環(huán)工系助教,工學(xué)碩士,研究方向:建筑節(jié)能、通風(fēng)空調(diào)。

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