朱培根
(山東宜美科節(jié)能服務(wù)有限責(zé)任公司,山東 濟(jì)南 250000)
某新建醫(yī)院為三級(jí)甲等綜合醫(yī)院,總建筑面積為11.26萬(wàn)m2,包括病房樓、門診醫(yī)技樓、感染科綜合樓、職工宿舍樓、后勤綜合樓及門衛(wèi)6棟建筑。醫(yī)院用熱、用冷需求包括10.33萬(wàn)m2的地上建筑冬季供暖及夏季制冷、病房樓生活熱水需求,設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷為9000kW,設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷為8300kW,生活熱水設(shè)計(jì)日熱水用量為350t。原設(shè)計(jì)熱源為城市熱網(wǎng)供熱,設(shè)計(jì)冷源為冷水機(jī)組,由于醫(yī)院建筑冬季供暖具有特殊性,采用城市熱網(wǎng)采暖期固定,系統(tǒng)運(yùn)行靈活性差,設(shè)計(jì)采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)為建筑提供冷、熱源,病房樓生活熱水制取采用地源熱泵、太陽(yáng)能、燃?xì)鉄崴仩t復(fù)合式多能源系統(tǒng)。
采用TRNSYS軟件進(jìn)行全年動(dòng)態(tài)逐時(shí)冷熱負(fù)荷計(jì)算,夏季空調(diào)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為9000kW,累計(jì)冷負(fù)荷估算為1050萬(wàn)kWh,冬季采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為8300kW,生活熱水調(diào)峰負(fù)荷為850kW,累計(jì)熱負(fù)荷負(fù)荷估算為825萬(wàn)kWh。
建設(shè)單位提供的巖土綜合熱物性參數(shù)值:導(dǎo)熱系數(shù)為 1.623W/(m·K),比熱容為 1890kJ/(m3·K),巖土體初始溫度為15.6℃。按照《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50366—2005)附錄B推薦算法和ASHRAE手冊(cè)推薦的簡(jiǎn)化算法進(jìn)行地埋管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算。經(jīng)計(jì)算,設(shè)計(jì)鉆孔長(zhǎng)度為L(zhǎng)h=293847.84m,單井設(shè)計(jì)有效深度為120m,所需孔數(shù)為Nh=2449個(gè);鉆孔孔徑為150mm,鉆孔內(nèi)設(shè)置單U型地埋管換熱器,U型管公稱外徑為DN32,承壓為1.6MPa。
為了保證地源熱泵系統(tǒng)常年供冷、供熱運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性,必須保證地源熱泵系統(tǒng)常年運(yùn)行時(shí),地下巖土的溫度基本保持不變。也就是說(shuō),夏季制冷工況向地下巖土的排熱量和冬季制熱工況從地下巖土的取熱量基本相當(dāng),每個(gè)制冷制熱循環(huán)地下巖土實(shí)現(xiàn)熱平衡狀態(tài)。夏季空調(diào)累計(jì)冷負(fù)荷估算為1320萬(wàn)kWh,冬季采暖累計(jì)熱負(fù)荷負(fù)荷估算為1050萬(wàn)kWh,排熱量大于取熱量,不平衡率約110%。根據(jù)全年模擬分析,地下巖土溫度上升速度為1.50~3.0℃/年,將導(dǎo)致地埋管區(qū)域的巖土體溫度逐年持續(xù)緩慢升高,從而影響地埋管換熱器的換熱性能,降低地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率。為解決排熱量大于吸熱量,采用增設(shè)冷卻塔的方式,保證地下熱平衡和系統(tǒng)的長(zhǎng)年運(yùn)行效果,冷卻塔額定流量為500t/h~1000t/h。
熱泵機(jī)房設(shè)計(jì)3臺(tái)離心式水-水熱泵機(jī)組,機(jī)組單臺(tái)額定制熱量為3296kW,額定制冷量為3100kW。生活熱水采用1臺(tái)高溫地源熱泵機(jī)組,額定制熱量為850kW。生活熱水機(jī)組可承擔(dān)空調(diào)冷、熱負(fù)荷,作為備用冷、熱源,也可在負(fù)荷率極低時(shí)啟用。
(1)用戶側(cè)夏季空調(diào)設(shè)計(jì)供、回水溫度分別為7℃、12℃,冬季設(shè)計(jì)供、回水溫度分別為45℃、40℃。各系統(tǒng)的季節(jié)切換采用手動(dòng)閥門切換。用戶側(cè)與地埋管側(cè)水泵與熱泵機(jī)組連鎖,采用臺(tái)數(shù)控制。
(2)用戶側(cè)與地源側(cè)循環(huán)水泵均采用一次泵系統(tǒng),為節(jié)約系統(tǒng)的輸配能耗,均采用變頻水泵。由于冬、夏季設(shè)計(jì)工況流量不同,季節(jié)轉(zhuǎn)換時(shí),按設(shè)計(jì)流量設(shè)置季節(jié)最大頻率。變流量運(yùn)行時(shí),用戶側(cè)水泵變頻的控制方式采用定壓差控制。地源側(cè)水泵變頻采用定溫差并結(jié)合最小流量的控制方式,保證機(jī)組最小流量要求。
(3)用戶側(cè)分水器與集水器之間設(shè)電動(dòng)閥,當(dāng)循環(huán)水流量小于單臺(tái)循環(huán)水泵變頻后的最小流量時(shí),通過(guò)壓差旁通部分水量,以保證循環(huán)水泵的最小流量。
(4)每臺(tái)機(jī)組設(shè)置電動(dòng)閥,當(dāng)某臺(tái)熱泵機(jī)組不運(yùn)行時(shí),蒸發(fā)器、冷凝器入口處的電動(dòng)閥門關(guān)閉,相對(duì)應(yīng)的水泵也關(guān)閉。系統(tǒng)采用成套補(bǔ)水定壓裝置來(lái)定壓和補(bǔ)水,補(bǔ)水采用軟化水。
(5)為滿足地下熱平衡需要,設(shè)置閉式冷卻塔作為輔助散熱,當(dāng)?shù)芈窆軗Q熱器換熱后的溫度超過(guò)32℃,啟動(dòng)冷卻塔進(jìn)行輔助調(diào)節(jié)。同時(shí),還可以通過(guò)分配生熱活水熱泵機(jī)組和鍋爐的開(kāi)啟時(shí)間,以保證地下熱平衡。
(6)水力平衡措施:并聯(lián)地埋管之間采用異徑同程連接,保證同一支路各個(gè)地埋管換熱器之間水力平衡,各個(gè)支路接入分集水小室后,在分集水器各支路回水側(cè)均安裝靜態(tài)水力平衡閥,以保證各個(gè)支路之間水力平衡。各子分區(qū)由分集水器匯集入分區(qū)枝狀管網(wǎng),在枝狀管網(wǎng)之間安裝水力平衡閥門,以保證每個(gè)大區(qū)各個(gè)分支管網(wǎng)間水力平衡。根據(jù)各分區(qū)水力計(jì)算,選擇地源側(cè)輸配泵,根據(jù)需要變頻調(diào)節(jié)水泵流量,確保整個(gè)地源側(cè)各個(gè)地埋管換熱器之間的水力平衡。
病房樓生活熱水設(shè)計(jì)日熱水用量為350t,熱水設(shè)計(jì)供水溫度為60℃。擬采用復(fù)合式多能源系統(tǒng)為病房樓提供生活熱水,包括太陽(yáng)能、地源熱泵熱水機(jī)組及熱水鍋爐。系統(tǒng)設(shè)計(jì)最高日累計(jì)24h用熱量20349kWh,考慮生活熱水箱及相應(yīng)熱損失后,熱水系統(tǒng)最大用熱負(fù)荷為1980kW,其中地源熱泵機(jī)組可提供850kW,其余由太陽(yáng)能和鍋爐系統(tǒng)承擔(dān)。優(yōu)先采用太陽(yáng)能,不足部分由地源熱泵熱水機(jī)組和熱水鍋爐補(bǔ)充。
太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)采用全玻璃真空集熱管,太陽(yáng)能保證率取35%時(shí),所需集熱器面積為1405m2。集熱器安裝在門診樓、感染病房樓樓頂屋面,設(shè)置1臺(tái)140m3生活熱水箱,太陽(yáng)能集熱器和水箱之間采用溫差強(qiáng)制循環(huán),設(shè)置1套自控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能全天候自動(dòng)控制。自控系統(tǒng)具備的功能包括集熱溫差強(qiáng)制循環(huán)控制、集熱管路防凍循環(huán)控制、高溫保護(hù)功能、生活熱水箱自動(dòng)補(bǔ)水、水箱輔助能源的控制、低水位保護(hù)、停電保持、故障報(bào)警等。
生活熱水系統(tǒng)輔助能源包括1臺(tái)地源熱泵熱水機(jī)組和2臺(tái)燃?xì)鉄崴仩t。熱水機(jī)組位于熱泵機(jī)房?jī)?nèi),制熱量為850kW;熱水鍋爐位于鍋爐房,單臺(tái)供熱量為1020kW。輔助能源與生活熱水箱之間設(shè)置板式換熱器,采用間接加熱的方式。
生活熱水箱豎向按一定間隔設(shè)置6個(gè)溫度傳感器,太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)根據(jù)水箱下層傳感器控制集熱系統(tǒng)加熱,熱泵熱水機(jī)組和燃?xì)鉄崴仩t根據(jù)水箱中、上層傳感器溫度進(jìn)行控制。
(1)當(dāng)水箱中上層溫度低于設(shè)定值(如40℃)時(shí),啟動(dòng)熱泵板式換熱器兩側(cè)水泵,延時(shí)啟動(dòng)生活熱水熱泵機(jī)組;達(dá)到設(shè)定值(如50℃)時(shí),關(guān)閉生活熱水熱泵機(jī)組,延時(shí)關(guān)閉熱泵板式換熱器兩側(cè)水泵。
(2)當(dāng)水箱中上層溫度低于設(shè)定值(如50℃)時(shí),啟動(dòng)鍋爐板式換熱器兩側(cè)水泵,延時(shí)啟動(dòng)熱水鍋爐;達(dá)到設(shè)定值(如60℃)時(shí),關(guān)閉熱水鍋爐,延時(shí)關(guān)閉鍋爐兩側(cè)水泵。熱水箱設(shè)置液位高低位報(bào)警。
(3)高、低區(qū)生活熱水均采用成套變頻供水裝置恒壓供水??刂撇呗詾檎{(diào)節(jié)供水泵投入臺(tái)數(shù)和頻率,保持供水壓力維持在設(shè)定范圍(P0~P1)內(nèi)。
(4)循環(huán)水泵平時(shí)開(kāi)啟,電動(dòng)閥VE1處于關(guān)閉狀態(tài),當(dāng)回水溫度小于設(shè)定值(如42℃)時(shí),開(kāi)啟VE1,關(guān)閉循環(huán)水泵,系統(tǒng)壓力下降,供水泵自動(dòng)開(kāi)啟。當(dāng)回水溫度大于設(shè)定值(如55℃)時(shí),電動(dòng)閥VE1關(guān)閉,循環(huán)水泵開(kāi)啟。
多能源生活熱水系統(tǒng)原理圖如圖1所示。
圖1 多能源生活熱水系統(tǒng)原理圖
該項(xiàng)目的夏季空調(diào)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為9000kW,累計(jì)冷負(fù)荷估算為1050萬(wàn)kWh。若采用地源熱泵系統(tǒng)供冷,全年供冷總耗電量約300萬(wàn)kWh/年。若采用常規(guī)冷機(jī)供冷,全年供冷總耗電量約為375萬(wàn)kWh/年。采用地源熱泵全年供冷可節(jié)約234.8t標(biāo)煤。
冬季采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為8300kW,生活熱水調(diào)峰負(fù)荷為850kW,累計(jì)熱負(fù)荷負(fù)荷估算為825萬(wàn)kWh。若采用地源熱泵系統(tǒng)供熱,全年供熱總耗電量約為275萬(wàn)kWh/年。若采用常規(guī)區(qū)域燃?xì)忮仩t供熱,全年供熱總耗標(biāo)煤量約為1265.6t標(biāo)煤,全年供熱可節(jié)約404.8t標(biāo)煤。該多能源復(fù)合系統(tǒng)年制冷與供熱可節(jié)約639.6t標(biāo)煤/年,可以減排二氧化碳1726.8t/年,減排二氧化硫12.8t/年,減排氮氧化物25.5t/年,減排煙塵6.39t/年。
該項(xiàng)目采用地源熱泵作為制冷與供熱的主要冷熱源,生活熱水采用地源熱泵、太陽(yáng)能、燃?xì)鉄崴仩t復(fù)合式多能源系統(tǒng),是對(duì)可再生能源、清潔能源的利用,完全契合“清潔取暖”的國(guó)家發(fā)展政策,有較大的示范意義。年節(jié)約639.6t標(biāo)煤/年,節(jié)約大量能源的消耗,減少污染物的排放,進(jìn)而改善環(huán)境,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。