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        某辦公建筑復(fù)合式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化分析
        ——基于濟(jì)南地區(qū)

        2021-03-12 05:55:52
        福建建筑 2021年1期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        高 偉

        (廈門合立道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 福建廈門 361000)

        0 引言

        自1940年以來(lái),人們開(kāi)始對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析及研究。將太陽(yáng)能集熱器與地源熱泵的地埋管進(jìn)行組合,讓富余的太陽(yáng)能儲(chǔ)藏在土壤中,是Penrod在1956年首次提出的設(shè)想,1962年彭羅德提出了太陽(yáng)能-地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)的工作原理[1]。近年來(lái),地源熱泵在我國(guó)發(fā)展迅速,圍繞著復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究和探索,越來(lái)越多的工程也隨之被投入使用[2]??紤]到不同地區(qū)建筑冷熱負(fù)荷與太陽(yáng)能資源的豐富程度不平衡性,地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)常采用通過(guò)耦合不同的輔助供熱或散熱設(shè)備的措施來(lái)提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。比如,楊衛(wèi)波等人進(jìn)行了冷卻塔復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)研究[3],王成勇等人進(jìn)行了太陽(yáng)能復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)研究[4]。本文對(duì)濟(jì)南地區(qū)某辦公樓建筑的復(fù)合式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化分析。

        根據(jù)太陽(yáng)能資源分布圖顯示,濟(jì)南屬于三類地區(qū),太陽(yáng)能資源較為豐富[5]。因此,該地區(qū)應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)的時(shí)候。通??紤]利用太陽(yáng)能進(jìn)行輔助供熱。但是,由于該地區(qū)大多數(shù)建筑的夏季累計(jì)供冷負(fù)荷大于冬季累計(jì)供熱負(fù)荷,若冬季使用太陽(yáng)能輔助供熱,會(huì)進(jìn)一步加劇地下?lián)Q熱不平衡。因此,如何充分利用太陽(yáng)能和地?zé)崮軐?shí)現(xiàn)各個(gè)能源子系統(tǒng)之間的優(yōu)化匹配,是其首要考慮問(wèn)題。

        濟(jì)南地區(qū)的冷熱負(fù)荷不平衡率相對(duì)南方地區(qū)較低,冬季太陽(yáng)能資源較南方地區(qū)更為豐富,太陽(yáng)能的復(fù)合使用雖然降低了熱泵系統(tǒng)的供熱能耗,但加劇了系統(tǒng)全年的地下?lián)Q熱不平衡現(xiàn)象。因此需要冷卻塔夏季輔助散熱,一方面減少了地埋管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量,降低地埋管系統(tǒng)施工成本;另一方面充分利用了太陽(yáng)能,降低了系統(tǒng)的整體能耗,還能實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)互為備用的目的。

        1 建筑負(fù)荷模擬計(jì)算

        圖1 建筑負(fù)荷模型模擬流程圖

        模擬結(jié)果顯示,該辦公樓的峰值熱負(fù)荷117.2 kW,峰值冷負(fù)荷138.46 kW。熱負(fù)荷集中在每年的11月~3月,冷負(fù)荷集中在5~9月,3~5月和9~12月處于過(guò)渡季節(jié)負(fù)荷較小。采暖時(shí)間取11月16日~3月15日,年累計(jì)熱負(fù)荷為38 453 kwh。供冷時(shí)間取5月16~9月15日,年累計(jì)冷負(fù)荷為86 840 kWh。

        2 空調(diào)系統(tǒng)模型建立

        2.1 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)

        根據(jù)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果顯示,該建筑存在冷熱負(fù)荷不平衡,采用獨(dú)立地源熱泵系統(tǒng)時(shí),向土壤釋放的熱量遠(yuǎn)大于從土壤吸取的熱量。因此,在地埋管式換熱器的設(shè)計(jì)應(yīng)采用夏季的最大排熱量。根據(jù)負(fù)荷及巖土熱物性測(cè)試結(jié)果,參照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范[6],經(jīng)計(jì)算:該地源熱泵系統(tǒng)采用管徑DN32的單U型地下?lián)Q熱器,豎直埋管深度100 m,夏季共需鉆孔總長(zhǎng)度3473.18 m,考慮富余量,確定該工程實(shí)際設(shè)計(jì)36口埋管深度為100 m換熱井。系統(tǒng)模型如圖2所示。

        圖2 地源熱泵系統(tǒng)模型

        2.2 冷卻塔與地源熱泵耦合系統(tǒng)

        在實(shí)際工程應(yīng)用中,冷卻塔與地源熱泵的耦合方式有串聯(lián)和并聯(lián)等方式。相關(guān)文獻(xiàn)研究顯示[7],并聯(lián)系統(tǒng)相比串聯(lián)系統(tǒng)運(yùn)行效率更高,因此該工程選用并聯(lián)方式耦合冷卻塔和地源熱泵系統(tǒng)。TRNSYS模型如圖3所示。

        圖3 冷卻塔復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)模型

        根據(jù)地下最大換熱量和鉆孔長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果,求比值后單位鉆孔長(zhǎng)度換熱量為:制熱季36.46 W/m,制冷季47.11 W/m。考慮到富余量,該工程選取冬季的單位井深換熱量選取30 W/m,按照冬季的供熱負(fù)荷,地埋管換熱器的換熱量為93.8 kW,需要鉆孔長(zhǎng)度約3127 m,共需要32口鉆井深度100 m的換熱井。若夏季平均單位井深的換熱量取為45 W/m,32個(gè)換熱井可負(fù)擔(dān)的最大釋熱量為144 kW。根據(jù)負(fù)荷計(jì)算,夏季最大釋熱量為163.63 kW。所以,冷卻塔需要承擔(dān)約19.63 kW的換熱負(fù)荷。冷卻塔的額定容量約為系統(tǒng)最大排熱量(下文稱為“輔助冷卻比例”)的12%。一般情況下,輔助冷卻比例越大,所選取的輔助設(shè)備功耗也就越大。當(dāng)冷卻塔承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)較大比例冷負(fù)荷時(shí),冷卻塔復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行性能可能低于常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)。因此,必須對(duì)不同輔助散熱比例系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行比較。冷卻塔復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如下:

        Qcooler=η×Qsys

        (1)

        L=(1-η)×Qsys/q

        (2)

        式中,Qcooler——輔助散熱量,kW;

        η——輔助冷卻比例,η小于70%;

        Qsys——設(shè)計(jì)的系統(tǒng)最大排熱量;

        L——對(duì)應(yīng)η的鉆孔設(shè)計(jì)長(zhǎng)度;

        q——單位鉆孔長(zhǎng)度換熱量。

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        上文所求得的冷卻塔換熱量近似為輔助冷卻比例10%時(shí)的換熱量。通過(guò)調(diào)整鉆孔數(shù)量和冷卻塔容量設(shè)定不同輔助冷卻比例,相應(yīng)的復(fù)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

        表1 冷卻塔設(shè)計(jì)容量和埋管數(shù)量及地埋管換熱器內(nèi)流速/輔助設(shè)備功率

        2.3 太陽(yáng)能/冷卻塔/地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)

        考慮到輔助冷卻比例為30%、50%和70%這3組模型時(shí),地埋管設(shè)計(jì)容量無(wú)法滿足冬季換熱需求,因此需要對(duì)這3個(gè)模型進(jìn)行太陽(yáng)能集熱器的耦合,以利用太陽(yáng)能承擔(dān)部分供熱負(fù)荷。

        太陽(yáng)能集熱器與地源熱泵的之間耦合方式同樣選擇并聯(lián),建模如圖4所示。該工程選取的集熱器類型為平板式集熱器,根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),每平方米太陽(yáng)能集熱器所匹配的水箱容量80-100 (L/m2)。取均值90L/m2。將3組數(shù)據(jù)中的太陽(yáng)能集熱器面積留有一定余量,與之相匹配的水箱容量見(jiàn)表2。

        圖4 太陽(yáng)能/冷卻塔/地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)模型

        表2 不同輔助冷卻比例下的太陽(yáng)能集熱器面積及水箱容積

        3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

        3.1 技術(shù)性分析

        建立①地源熱泵系統(tǒng)、②冷卻塔復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)(輔冷比例10%)和太陽(yáng)能-冷卻塔復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)(輔冷比例③30%、④50%、⑤70%)等5個(gè)模型,并進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)比數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表3。

        由表3可看出:①、②兩組土壤溫度上升明顯,存在較為嚴(yán)重的熱堆積現(xiàn)象,使得隨著運(yùn)行時(shí)間增加,機(jī)組運(yùn)行性能出現(xiàn)衰減。相比之下③、④、⑤組的復(fù)合系統(tǒng)地下?lián)Q熱較為平衡,機(jī)組運(yùn)行性能較為穩(wěn)定,尤其在后期,機(jī)組性能高于①、②組。就系統(tǒng)功耗而言,③組的機(jī)組和系統(tǒng)功耗均為最低,其因在于:一方面該系統(tǒng)匹配合理,使機(jī)組始終保持高能效運(yùn)行;另一方面,過(guò)低的輔助散熱設(shè)備無(wú)法起到降低系統(tǒng)能耗作用,而過(guò)高的輔助散熱設(shè)備會(huì)增加輔助系統(tǒng)的運(yùn)行功耗。所以,進(jìn)行適當(dāng)?shù)妮o助散熱及供熱(30%),可以保證系統(tǒng)的總能耗最低。

        表3 各系統(tǒng)模型運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)

        3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

        (1)初投資成本分析

        系統(tǒng)初投資成本,主要由機(jī)組、地埋管式換熱器、冷卻塔、太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)、水泵等組成。表4為地源熱泵系統(tǒng)及冷卻塔輔助系統(tǒng)初投資概算表,輔冷比例為30%~70%的系統(tǒng)投資需考慮太陽(yáng)能集熱器、集熱泵、蓄熱水箱等投資。計(jì)算得到30%、50%、70%三種系統(tǒng)的初投資分別為55.83萬(wàn)元、60.37萬(wàn)元和65.25萬(wàn)元。

        表4 地源熱泵系統(tǒng)及冷卻塔輔助系統(tǒng)初投資概算(冷熱源部分)

        相較于常規(guī)地源熱泵系統(tǒng),冷卻塔復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)在耦合冷卻塔情況下減少了部分地埋管的設(shè)計(jì)容量,因此投資成本下降6.16萬(wàn)元;在太陽(yáng)能-冷卻塔-地源熱泵復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)中,隨著冷卻塔比例增大,地埋管設(shè)計(jì)容量相隨之減少,但太陽(yáng)能面積逐漸增大,輔助冷卻比例30%、50%、70%與常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)初投資分別增長(zhǎng)-2.77萬(wàn)元、1.77萬(wàn)元、6.65萬(wàn)元。

        (2)運(yùn)行費(fèi)用分析

        濟(jì)南地區(qū)商業(yè)運(yùn)行電費(fèi)為0.7796元/kW·h,根據(jù)表3各系統(tǒng)累計(jì)總功耗,計(jì)算出各系統(tǒng)20年累計(jì)運(yùn)行電費(fèi)分別為:45.83萬(wàn)元、45.75萬(wàn)元、42.02萬(wàn)元、48.98萬(wàn)元、57.27萬(wàn)元。相比較而言,系統(tǒng)③雖然初投資高于系統(tǒng)②,但增加的投資成本在后期運(yùn)行過(guò)程可以回收。此外,系統(tǒng)③增加了太陽(yáng)能系統(tǒng),可以在全年提供免費(fèi)熱水,尤其對(duì)于民用建筑或者對(duì)于存在熱水需求的商業(yè)建筑,具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益,其地溫增幅也在合理的變化范圍內(nèi),因此綜合效益遠(yuǎn)高于其他系統(tǒng)形式。

        4 結(jié)論

        本文針對(duì)濟(jì)南某辦公建筑的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了5種不同的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)形式,并進(jìn)行了綜合對(duì)比分析,主要結(jié)論如下:相比于冬夏負(fù)荷全部由地埋管系統(tǒng)承擔(dān)的常規(guī)地源熱泵,夏季輔助一定比例(10%)的冷卻塔,可以有效降低系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行成本。若進(jìn)一步增加冷卻塔的輔助散熱比例,則需要在冬季耦合太陽(yáng)能進(jìn)行輔助供熱。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn),當(dāng)輔助冷卻比例為30%時(shí)候,該太陽(yáng)能/冷卻塔復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)在五種系統(tǒng)模型中的綜合經(jīng)濟(jì)效益最高,因此選定該系統(tǒng)為建筑物的空調(diào)系統(tǒng),系統(tǒng)具體配置為:鉆孔數(shù)量26個(gè),冷卻塔水流量8.4 m3/h,集熱器面積100 m2,水箱容量9 m3。

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