張德軍 北京公共交通控股(集團(tuán))有限公司場(chǎng)站工程管理分公司,北京 100043
尹 恒 北京華清榮益地能科技開發(fā)有限公司,北京 100176
上虞游泳館位于浙江省紹興市上虞區(qū)高鐵新城西北部,游泳館建筑面積為17550 平方米,地上4 層,建筑高度為23.8m,館內(nèi)設(shè)1 個(gè)50×25m 國(guó)際競(jìng)賽池,1 個(gè)25×25m 的訓(xùn)練池及1200 座的觀眾席。此外,館內(nèi)還設(shè)有新聞發(fā)布室、休息室、更衣室等比賽服務(wù)用房。上虞游泳館室內(nèi)圖景如圖1 所示。
圖1 上虞游泳館室內(nèi)圖景
本工程采用地源熱泵作為游泳館冷熱源,游泳池水與生活用水的加熱及游泳館內(nèi)空調(diào)的采暖、制冷均由地源熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。既滿足了游泳館的供熱制冷要求,也實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目的。
地源熱泵系統(tǒng)又稱土壤源熱泵系統(tǒng),是指在水側(cè)為一組閉式循環(huán)的換熱套管,該組套管一般水平或垂直埋于地下,通過(guò)與土壤換熱來(lái)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移,在地源熱泵系統(tǒng)中,與土壤換熱的介質(zhì)是閉式循環(huán),與土壤不接觸,與末端系統(tǒng)不連通,可有效避免交叉污染,地源熱泵系統(tǒng)從原理上講可以應(yīng)用在任何地質(zhì)條件、任何貧富水地下,包括巖石、卵石等。地源熱泵系統(tǒng)原理如圖2 所示。
圖2 地源熱泵工作示意圖
地源熱泵技術(shù)的特點(diǎn)體現(xiàn)在其系統(tǒng)的節(jié)能性及環(huán)保性兩個(gè)方面:
(1)屬經(jīng)濟(jì)有效的節(jié)能技術(shù)
地能或地表淺層地?zé)豳Y源的溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定,冬季比環(huán)境空氣溫度高,夏季比環(huán)境空氣溫度低,是很好的熱泵冷、熱源,冬季投入1kW 電能,可以得到4kW左右的熱能;夏季投入1kW 的電能,可以得到5kW 以上的冷量。這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高40%,因此要節(jié)能和節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用40%左右。
(2)地源熱泵的污染物排放,與空氣源熱泵相比,相當(dāng)于減少40%以上,與電供暖相比,相當(dāng)于減少70%以上,如果結(jié)合其他節(jié)能措施節(jié)能減排量會(huì)更明顯。
本工程采用的地源熱泵系統(tǒng)是采用地埋管形式,以土壤為冷熱源。地源熱泵系統(tǒng)由地源熱泵機(jī)組,地埋管換熱器系統(tǒng),游泳館池水加熱、生活熱水加熱及末端空調(diào)系統(tǒng)組成。3 個(gè)系統(tǒng)之間以水為介質(zhì)進(jìn)行熱量傳遞,保證夏季室內(nèi)溫度26~28℃,冬季室內(nèi)溫度20~28℃,游泳池水溫28℃,生活熱水供水溫度55℃。
冷熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表
本工程夏季空調(diào)冷負(fù)荷為1565 千瓦,冬季空調(diào)熱負(fù)荷為1138 千瓦。其中為比賽池和訓(xùn)練池區(qū)域分別配置兩臺(tái)和一臺(tái)制熱量為260 千瓦的地源一體化泳池除濕熱泵,另配置一臺(tái)制熱量為350 千瓦螺桿式雙工況冷熱水機(jī)組,配套風(fēng)機(jī)盤管和地板輻射采暖系統(tǒng)對(duì)池邊進(jìn)行輔助采暖;觀眾區(qū)(中央空調(diào)區(qū)域)空調(diào)冷負(fù)荷為473 千瓦,空調(diào)熱負(fù)荷為640 千瓦,冷熱源由動(dòng)力中心冷熱源機(jī)房的一臺(tái)500 千瓦的螺桿式雙工況冷熱水機(jī)組供應(yīng);二層更衣室等經(jīng)常使用的區(qū)域采用水源變冷媒流量商用空調(diào)系統(tǒng)。
地源熱泵機(jī)房還安裝有其它設(shè)備,如循環(huán)水泵、板式熱交換器、定壓補(bǔ)水、水處理裝置等,我們通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)可根據(jù)不同的運(yùn)行工況,進(jìn)行運(yùn)行管理。游泳館地源熱泵系統(tǒng)工藝流程如圖3 所示。
(1)冬季工況(供熱)
地源熱泵系統(tǒng)由地埋管換熱器環(huán)路、熱泵機(jī)組工作環(huán)路和空調(diào)末端環(huán)路3 部分組成。地埋管換熱器對(duì)應(yīng)熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器形成環(huán)路,在循環(huán)水泵的作用下循環(huán)水流經(jīng)地埋管換熱器時(shí)吸收土壤中的熱量;空調(diào)末端對(duì)應(yīng)熱泵機(jī)組的冷凝器形成環(huán)路,在循環(huán)水泵的作用下循環(huán)水流經(jīng)空調(diào)末端換熱器時(shí)釋放熱量。
(2)夏季工況(制冷)
通過(guò)相關(guān)閥門的切換,地源熱泵系統(tǒng)中的地埋管換熱器對(duì)應(yīng)熱泵機(jī)組的冷凝器,在循環(huán)水泵的作用下水流經(jīng)地埋管換熱器時(shí)釋放熱量到土壤中;熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器對(duì)應(yīng)空調(diào)末端設(shè)備構(gòu)成環(huán)路,同樣在水泵的作用下,循環(huán)水流經(jīng)空調(diào)末端設(shè)備時(shí)釋放冷量到室內(nèi)。
圖3 游泳館地源熱泵系統(tǒng)原理圖
3.2.1 觀眾區(qū)空調(diào)系統(tǒng)
由于游泳館除正式賽事活動(dòng)外平時(shí)主要開放為市民做體育鍛煉用,觀眾區(qū)域空調(diào)具有運(yùn)行間歇性、運(yùn)行時(shí)間短、負(fù)荷集中等特點(diǎn)。因此觀眾區(qū)域采用與泳池區(qū)域空調(diào)獨(dú)立的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。夏季空調(diào)冷負(fù)荷為500 千瓦,冬季空調(diào)熱負(fù)荷為450 千瓦,配置了一臺(tái)制冷量為500 千瓦,制冷工況下COP 為4.8 的雙工況螺桿式地源熱泵型冷熱水機(jī)組,設(shè)置于冷熱源機(jī)房?jī)?nèi),該機(jī)組冷凍水管通過(guò)室外地溝由動(dòng)力中心敷設(shè)至游泳館各空調(diào)機(jī)房??照{(diào)水系統(tǒng)采用二管制一次泵變流量系統(tǒng)。夏季供水溫度為7℃,回水溫度為12℃,冬季供水溫度為45℃,回水溫度為40℃??紤]到游泳館夏季比賽時(shí)室外溫度高,觀眾區(qū)人員密集,冷負(fù)荷大,為避免冷凝器集中散熱造成地埋管的熱堆積,如圖3 所示,在動(dòng)力中心區(qū)域另配置了一臺(tái)閉式冷卻塔,并使其在夏季負(fù)荷高峰期間優(yōu)先運(yùn)行。
3.2.2 泳池區(qū)空調(diào)系統(tǒng)
本工程訓(xùn)練池和比賽池分別配置一臺(tái)和二臺(tái)除濕量為150kg/h 的泳池專用除濕熱泵機(jī)組,設(shè)置于游泳館底層空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)。如圖3 所示,區(qū)別于常規(guī)采用室外風(fēng)冷的方式,本工程一體化除濕熱泵冷凝器側(cè)通過(guò)兩臺(tái)水變頻循環(huán)水泵接至室外地埋管系統(tǒng),由于地埋管系統(tǒng)地源側(cè)溫度全年較為穩(wěn)定,一般為10~25℃,因此其能效比比風(fēng)冷方式高近50%而更節(jié)能。
此外,本工程比賽池和訓(xùn)練池區(qū)域均設(shè)置有大量玻璃幕墻,為防止冬季外窗圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度過(guò)低從而造成結(jié)露,同時(shí)作為一體化泳池除濕熱泵采暖的補(bǔ)充,泳池區(qū)域配置一臺(tái)制熱量為350 千瓦,能效比為4.4 的螺桿式地源熱泵機(jī)組用于為池邊的地板輻射采暖系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)提供熱源。采暖供回水溫度為45/40℃。
3.2.3 服務(wù)用房空調(diào)系統(tǒng)
對(duì)于游泳館、體育館類建筑而言,新聞發(fā)布室、休息室等比賽服務(wù)用房日常使用率很低,如采用地源熱泵系統(tǒng),室外地埋管初投資較大。因此對(duì)于上述日常非經(jīng)常使用區(qū)域,采用風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng),室外機(jī)就近設(shè)置于室外;對(duì)于一些日常使用率高的區(qū)域如更衣室等區(qū)域設(shè)計(jì)為地源VRF 空調(diào)系統(tǒng),制冷性能系數(shù)COP 大于4.8,相比風(fēng)冷多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)提高了近40%,且其冬季制熱效果更加穩(wěn)定,其主機(jī)設(shè)置于底層空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)。如圖3所示,地源VRF 空調(diào)系統(tǒng)地源側(cè)設(shè)置兩臺(tái)管道式變頻循環(huán)水泵,可根據(jù)負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)節(jié)。
本工程生活熱水系統(tǒng)加熱負(fù)荷為1100 千瓦,為提高系統(tǒng)可靠性,配置了二臺(tái)制熱量為550 千瓦,能效比(COP)為3.7 的地源螺桿式熱泵型熱水機(jī)組,其冷凝器側(cè)供水溫度55℃,回水溫度50℃,分別配以定流量熱水泵接入生活熱水儲(chǔ)水罐。
訓(xùn)練池和比賽池池水加熱總負(fù)荷為1100 千瓦,配置了一臺(tái)制熱量為1100 千瓦,能效比為3.7 的地源螺桿式熱泵型熱水機(jī)組,其冷凝器側(cè)供水溫度55℃,回水溫度50℃,配以變流量熱水泵由熱源機(jī)房接至訓(xùn)練池和比賽池池水處理系統(tǒng),通過(guò)板式換熱器制取二次熱水。上述熱泵型熱水機(jī)組均放置于游泳館底層熱源機(jī)房?jī)?nèi)。
地埋管換熱器系統(tǒng)是地源熱泵系統(tǒng)的重要組成部分,由—組埋地塑料管組成,埋地塑料管與土壤耦合,管內(nèi)以循環(huán)水作為介質(zhì)使其與土壤進(jìn)行熱交換。其是利用地下淺層土壤溫度常年保持在10~20℃的特點(diǎn),通過(guò)地埋U 型管內(nèi)的介質(zhì)循環(huán)與土壤進(jìn)行閉式熱交換來(lái)達(dá)到供熱、供冷的目的。在冬季,該系統(tǒng)通過(guò)熱泵機(jī)組將大地中低溫位熱能提高溫位對(duì)游泳館供暖;在夏季,該系統(tǒng)通過(guò)熱泵機(jī)組將游泳館內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下,同時(shí)儲(chǔ)備熱量,以備冬季使用。
本工程地埋管換熱器采用垂直地埋管。垂直地埋管換熱器設(shè)置在建筑紅線內(nèi)景觀停車場(chǎng)區(qū)域,垂直地埋管換熱孔應(yīng)至少采用直徑150mm 的鉆孔,內(nèi)部設(shè)置De32的雙U 型PE100 全新黑色管下孔。室外分集水器通過(guò)水平集管連接至地源熱泵機(jī)房,水平集管采用De160 PE管,水平埋設(shè)在土壤中,埋設(shè)標(biāo)高在-1.8m。根據(jù)地埋管熱交換設(shè)計(jì),共需換熱孔680 個(gè),深度80m。
水平連管和分集水器需安裝閥門、壓力表、溫度計(jì)等,可以檢測(cè)每路水平連管所連接的垂直埋管的溫度和壓力。
地埋管換熱器系統(tǒng)應(yīng)采用聚乙烯地源熱泵專用管(PE 管)制作。因?yàn)榫垡蚁≒E)管具有良好的導(dǎo)熱性能、較大的拉伸強(qiáng)度、承壓能力高、耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能優(yōu)良、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),其使用壽命最高可達(dá)50 年。
根據(jù)游泳館熱泵機(jī)組(游泳池水與生活用水的加熱)的配置,我們將其與燃?xì)忮仩t在滿足同樣溫度要求的條件下,作一個(gè)比較。按每年設(shè)備運(yùn)行1920h,制熱負(fù)荷為2200kW 計(jì)算,取使用系數(shù)為0.7,燃?xì)忮仩t供熱需天然氣0.15m3/kW 計(jì),地源熱泵機(jī)組能效比COP 值為4,天然氣費(fèi)為2.5 元/m3,電費(fèi)0.8 元/(kW.h),則地源熱泵機(jī)組比燃?xì)忮仩t每年可節(jié)省51.74 萬(wàn)元。相關(guān)計(jì)算如下:
游泳池水與生活用水的加熱系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用
由于地源熱泵機(jī)組采用電能驅(qū)動(dòng),無(wú)需鍋爐、冷卻塔、煙氣排放系統(tǒng),節(jié)省了高成本的自來(lái)水;避免了向大氣排放煙塵和有害氣體,降低了碳排放。其制冷、制熱過(guò)程僅僅是一個(gè)熱量搬運(yùn)過(guò)程,是利用可再生能源和維護(hù)生態(tài)平衡的有效途徑。