田松娜

(南陽南油科貿(mào)有限公司,河南 南陽473132)

1 概述

為積極應對全球氣候變化,國家“十二五”發(fā)展規(guī)劃明確指出加大環(huán)境保護力度,促進生態(tài)保護和修復,加強資源節(jié)約和管理,提倡綠色發(fā)展,建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會?！笆濉边M一步確定了綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略,要求高耗能企業(yè)加大節(jié)能減排力度,減少對環(huán)境的污染。特別是20 世紀70 年代爆發(fā)能源危機,人們更加認識到熱泵節(jié)約能源,回收低溫廢熱的特點,對熱泵的研究工作更加重視起來,熱泵技術在工業(yè)領域得到廣泛應用。南陽地區(qū)為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,迫切需要發(fā)展綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟。南陽地區(qū)地下余熱回收潛力較大,如能采用熱泵技術對地熱進行有效地回收利用,可減少環(huán)境污染和熱量浪費,符合當前國家低碳綠色能源發(fā)展的戰(zhàn)略要求。

2 現(xiàn)狀

南陽某游泳池由成人游泳池、兒童游泳池以及活動廣場三部分組成。成人游泳池始建于1980 年,于1982 年建成并投入使用,看臺座位容納人數(shù)總數(shù)約500 人,兒童游泳池于1987 年建成并投入使用。兩個游泳池均已投入使用26-30 年,但因基礎設施老化,無水溫加熱換熱系統(tǒng),無法滿足四季健身及訓練的要求。設備循環(huán)系統(tǒng)老化嚴重,效能差、能耗高,配套設施落后等?；A設施不完善限制了多樣性水上健身和游樂項目,對公眾和游客服務質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。需對成人游泳池和兒童游泳池的淋浴和水溫進行低溫換熱改造,充分利用地熱的換熱功能對室內(nèi)溫度進行調(diào)節(jié),滿足四季對溫度的要求。

3 設計資料

3.1 氣象條件

南陽地區(qū)所處屬于溫帶和北亞熱帶地區(qū),在我國元月份日均0℃等溫線兩側,氣候過渡性明顯,溫暖適中,兼有南北之長。四季氣候變化大致是冬季寒冷而少雪,春季干旱而多風,夏季炎熱而多雨,秋季晴朗日照時間長。

主導風向為東北風,頻率占20%,次之為西南風占7%,靜風頻率為22%,全年春季風最大,風向東北,秋季風較小,風向西北,最大風速18m/s,風向東北,平均風速2～3m/s,風力多為3～4 級。

年平均日照時數(shù)為2000～2600 小時,日照率達45%～55%。年平均太陽總輻射熱454～513 焦耳/厘米2,熱量資源自北向南、自西向東遞增。

年平均氣溫13～15℃,極端最高氣溫可達44℃,極端最低氣溫可達-21℃。年均≥10℃的活動積溫為4200～4900℃。

年平均降水量600mm～1200mm,自東南向西北逐漸減少,降水變幅一般為16%～26%。從季節(jié)上看降水多集中在7～8 月份,約占全年降水量的50%～60%,高溫期與多雨期相一致。年平均水面蒸發(fā)量1100mm～1700mm,自南向北遞減；年平均陸面蒸發(fā)量500mm～800mm,自西向東漸少。

全年無霜期210～230 天,歷年最大積雪深度27cm,積雪平均密度0.2g/cm2,歷年最大凍土深度25cm,歷年平均結冰天數(shù)70 天。

南陽地區(qū)處于北緯33°,東經(jīng)112°58＇。其夏季和冬季的設計計算參數(shù)如下表所示:

表1 夏季室外設計計算參數(shù)

表2 冬季室外設計計算參數(shù)

3.2 地質(zhì)條件

南陽處在華北陸塊南緣與秦嶺構造帶的結合部位,大部分位于昆侖- 秦嶺構造帶東段。從河南構造體系圖上可以明顯看出,南陽凹陷和泌陽凹陷主要受新華夏系構造控制,凹陷中心最大下降幅度5000～6000m,盆地內(nèi)接受了一套巨厚的中新生界以河、湖相為主的沉積層,對區(qū)內(nèi)地下水起到了主要的控制作用。沉積類型豐富,構造變形復雜,巖漿活動頻繁,成礦條件良好。根據(jù)地殼活動性和沉積特征,油區(qū)地質(zhì)構造主要是中新生代斷陷盆地?；准炊笌X- 桐柏山微陸塊,由下元古界陡嶺巖群和下元古界- 上太古界桐柏山雜巖構成第一(剛性)基底,由中元古界姚營寨組(五當山巖群)和上元古界耀嶺河組(耀嶺河群)構成第二(柔性)基底。最重要的蓋層是古第三系,始新統(tǒng)核桃園組分布最廣,是盆地的含油巖系及石膏、天然堿礦含礦層位,主要巖性為棕紅灰綠色泥巖、鈣質(zhì)泥巖與泥灰?guī)r互層,下部夾炭質(zhì)泥巖,粉砂巖,上部夾薄層礫巖。此外,新第三系蓋層也有廣泛分布,其主要巖性下部為礫巖夾泥巖,中部為粘土巖、砂巖、粉砂巖夾砂礫巖,上部為泥灰?guī)r與鈣質(zhì)泥巖互層,局部夾含礫砂巖。

南陽地區(qū)中深部(600～1000m深度范圍),主要發(fā)育上第三系含水層段,巖性以棕黃色、淺灰色中粗砂巖、細砂巖為主,泥質(zhì)含量較低,孔隙度高,滲透性好,單層厚度大,地下水儲存較豐富,井口水溫為38～43℃,屬中低溫熱水,為地熱打井提供廣闊空間。

河南所處的南陽凹陷和泌陽凹陷為富含油氣的沉積凹陷,由于深部第三系老地層中斷裂縱橫交錯,容易使深部熱源向淺部傳遞,而淺部松散的第四系地層又像棉被一樣覆蓋于斷裂之上,使熱量得以保存,再加上漫長地質(zhì)史中一部分油氣的氧化,使得凹陷內(nèi)平均地溫梯度達到3.5℃/100m 以上,高于全球地溫梯度平均值3.0℃/100m。

河南南陽中心區(qū)含水層廣泛分布于第四系和第三系的地層中。目前可能作為地熱資源開發(fā)利用的地層水主要分布于第四系平原組、新近系鳳凰鎮(zhèn)組、古近系廖莊組以及核桃園組核一段,最大埋深約為1200m。其中600～1200m深度范圍存在多套含水層,溫度在40～57℃,巖性以棕黃色、淺灰色礫狀砂巖、中粗砂巖、細砂巖為主,泥質(zhì)含量較低,孔隙度在20～30%,滲透性好,單層厚度在4～10m,地下水儲存較豐富。

根據(jù)地熱資源勘查規(guī)范(GB/T11615-2010)按照“熱儲法”對設計井2km半徑范圍內(nèi)熱資源量預測見下表。

表3 設計井熱資源量預測

3.3 三集一體熱泵工作原理

三集一體熱泵集游泳池池水加熱、游泳池室內(nèi)除濕和室內(nèi)空調(diào)集一體的熱泵,可保持泳池恒溫恒濕,通過四季運行模式的轉(zhuǎn)變,綜合利用能量。其工作原理簡言之,設備的風機從泳池室內(nèi)抽取溫暖潮濕的空氣,該空氣經(jīng)蒸發(fā)器盤管,在制冷除濕的同時將回收的因池水蒸發(fā)產(chǎn)生的熱能傳遞給冷的液態(tài)制冷劑。這種能量交換使空氣溫度降至露點以下,在蒸發(fā)器盤管上形成結露,形成的水分流入設備的承液盤中,通過排水管排出,潮濕空氣轉(zhuǎn)變?yōu)楦稍锏睦淇諝狻Ｒ簯B(tài)制冷劑流過蒸發(fā)器之后回收的空氣熱能就變?yōu)橐环N低溫低壓的氣態(tài)制冷劑。低溫氣態(tài)制冷劑然后進入壓縮機,經(jīng)壓縮變?yōu)楦邷貧鈶B(tài)。高溫氣態(tài)制冷劑流過主機風冷冷凝器或池水熱泵輔助加熱冷凝器或室外機冷凝器,這是高溫氣態(tài)制冷劑由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài),釋放回收的熱量,對室內(nèi)空氣溫度或池水溫度進行加熱。需要對室內(nèi)空氣進行加熱時主機風冷冷凝器工作,送出干燥的熱空氣對室內(nèi)空氣進行升溫。如果室內(nèi)空氣溫度達到要求時,回收的冷凝熱給池水加熱,主機送出干燥冷空氣對室內(nèi)空氣進行制冷。如室內(nèi)空氣溫度和池水溫度同時都達到要求時,這是回收的冷凝熱通過室外冷凝器排到室外大氣中。高溫氣態(tài)制冷劑流經(jīng)冷凝器后冷凝成溫暖的液態(tài),釋放冷凝熱。當室內(nèi)空氣溫度超過要求上限時,主機風冷冷凝器停止工作,通過除濕蒸發(fā)器送出冷空氣,對室內(nèi)空氣進行冷卻降溫。所以說三集一體除濕熱泵具備了除濕功能、空調(diào)制冷功能、室內(nèi)空氣加熱功能、新風處理功能、池水熱泵輔助加熱功能。

4 工程設計

4.1 室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)負荷計算

現(xiàn)把成人游泳池改建為室內(nèi)游泳館,且成人游泳池改建后的面積為3564m2,按照建筑面積冷負荷指標200W/m2計算,夏季工況泳館內(nèi)的冷負荷為712.8kW,按照建筑面積熱負荷指標190W/m2計算,冬季工況泳館內(nèi)的熱負荷為677.16 kW。相應的冷負荷指標參照建筑面積冷負荷估算表,如下表所示:

表4 冷負荷估算指標

4.2 池水加熱負荷計算

成人游泳池改造后的池水容積為3700m3,池水溫度及游泳池的室內(nèi)氣溫分別為27℃和28℃。

4.2.1 一次性沖擊負荷

參照公式:

Q=1.15×V×(t2-t1)×1000/860kW

小時熱功率P= Q/T Kw

式中:V- 游泳池的總容積,m3；

t2- 池水所需溫度,℃；

t1- 冷水溫度,℃；

T- 換水周期,h；

1.15- 考慮在換水周期內(nèi)的熱損失附加值。

應以冬季工況為計算依據(jù),自來水溫度取最低值10℃,暫按72 小時計算,

則Q=cm△t 即744.63kW

4.2.2 日經(jīng)常負荷

彌補散熱損失負荷,當池水水溫為27℃,室溫為28℃時,參照泳池水面面積平均散失量估算表得每平方米的池水散熱量為372W/m2,小時散熱負荷為325.5kW,日散熱負荷為7812kW。

補水補熱負荷:以每日補水量B 為5%的池容積計算,冬季工況冷水溫度為12℃,小時補水補熱負荷為73.3kW,日補水負荷880kW。

淋浴等用水量及日用熱負荷:日用熱水量20 方/日,其中淋浴用水溫度為55℃,則日用熱負荷為588.3kW。

該游泳池使用熱負荷=7812+880+588.3=9875.3kW

4.3 除濕量計算

4.3.1 泳池水面的散濕量

W1=0.0075×(0.0152va+0.0178)×(Pw-Pt)×Fw

式中:W1- 游泳池池水表面散濕量,kg/h；

va- 游泳池水面風速,0.25m/s；

Pw- 游泳池池水表面溫度下的飽和空氣的水蒸氣分壓力,Pa；

Pt- 館內(nèi)空氣的飽和水蒸氣分壓力,Pa；

Fw- 游泳池水面面積,m2；

根據(jù)以上述數(shù)據(jù),恒溫泳池表面散濕量為269.7kg/h。

4.3.2 池邊散濕量計算

W2=0.0171×(tn-ts)×F×n

式中:W2——池邊濕潤地面散濕量,kg/h；

tn——館內(nèi)空氣干球溫度,℃；

ts——館內(nèi)空氣濕球溫度,℃；

F——池邊濕潤地面面積,m2；

n——濕潤系數(shù),n 值對應不同的使用條件,取0.2～0.4 為宜。

則池邊濕潤地面散濕量為3.59kg/h。

4.3.3 人體散濕量

W3=mq/1000

式中:Q——每人散濕量,134g/(h·人)；

M——人數(shù)；

W3=mq/1000=600×134÷1000=80.4kg/h；

所以室內(nèi)散濕量合計為:269.7+3.59+80.4=353.7kg/h。

4.4 通風量計算

4.4.1 夏季(考慮經(jīng)濟實際,新風濕量可以不計考慮)平時所需的通風量=換氣次數(shù)×游泳館池廳面積×高度。

即L=54×66×12×2=85536m3/h(娛樂游泳池換氣次數(shù)可取2～3 次)。

將循環(huán)風量取整為85536m3/h。新風量取循環(huán)風量的20%左右,即18000m3/h。

根據(jù)室內(nèi)設計參數(shù)28℃,相對濕度60%,查得室內(nèi)含濕量為16g/kg,室外干球溫度35.2,相對濕度80%,查得新風含濕量30.7g/kg。

新風量為18000m3/h,排風量為21600m3/h,混合溫度T=29.2℃,混風空氣含濕量d=18.45g/kg,混風焓值67kJ/kg。

處理后空氣含濕量為14.69g/kg,查得處理后空氣的溫度為19℃,處理后空氣的焓值55kJ/kg。

機組的冷量為313.6kW,為了提高舒適度,空氣經(jīng)過除濕后需要把溫度提升到28℃,那么空氣再熱量為249.3kW。

4.4.2 冬季

根據(jù)室內(nèi)設計參數(shù)28℃,相對濕度50%,查得含濕量為13g/kg,室外干球溫度1℃,相對濕度69%,新風含濕量3g/kg。冬季采用全新風除濕。

那 么 新 風 量L 為:L×1.3×(13-3)/1000 ＝353.7kg/h 即18139m3/h。

則冬季的新風量取為18000m3/h,計算得出冬天新風再熱負荷為243.1kW。

4.5 負荷計算統(tǒng)計

根據(jù)上述計算統(tǒng)計可得本泳池空調(diào)系統(tǒng)改造所需的負荷如下表所示:

表5

4.6 主機選型

根據(jù)本方案中要滿足空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)、池水加熱、除濕等所需的負荷要求以及可利用地下余熱的實際情況,初選分體式泳池恒溫除濕機組(制熱量為760kW,制冷量為730kW,除濕量為360kg/h),分別用于池水加熱、室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)以及滿足淋浴等用水需要。

空調(diào)采用全空氣系統(tǒng),回風由百葉經(jīng)由回風管回至空調(diào)機房,與新風混合后,進入空氣處理機,經(jīng)過濾、殺菌、降焓除濕、再熱后,經(jīng)送風管送至空調(diào)區(qū)域。氣流組織為上送下回。

該三集一體熱泵機組始終處于制冷狀態(tài),游泳池的室內(nèi)環(huán)境中的暖濕空氣流流經(jīng)低溫蒸發(fā)器后,達到室內(nèi)露點溫度,暖水汽凝結成水滴從空氣中分離出來,流入水池,減少了水池的補水量,達到空氣除濕功能,防止了圍護結構的結露；同時,空氣冷卻、水汽凝結及冷卻過程中釋放出的熱能被制冷循環(huán)的冷媒吸收。經(jīng)過冷凝預熱后的冷凝器經(jīng)過壓縮機和冷凝器成為高溫高壓制冷劑。

該系統(tǒng)采用了能源再生的設計理念,是免費能源與環(huán)境保護的充分結合。通過把蒸發(fā)到空氣中的水蒸汽回收利用,一方面回收熱量對水池加熱,同時提供給空氣回熱；另一方面通過降低溫度至露點,使水蒸汽冷凝成水,既干燥了空氣,達到除濕效果,又可以回收蒸發(fā)掉的水分送入水池,減少水池的補水量,從而達到恒溫、恒濕、節(jié)能、節(jié)水、環(huán)保的效果,大大延長了建筑物的使用壽命。

根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)勘察資料顯示提供的南陽地區(qū)在200～800m的淺層水源,儲量較大,溫度適當,水質(zhì)礦化度較低,可作為水源熱泵的低品位熱源?？稍谥苓叺目盏靥幋虻責峋?地熱井采用一抽兩灌的標準,預計考慮三口水井。

圖1 機組工作原理簡圖

5 結論

采用三集一體熱泵并利用地熱資源對游泳池進行初步設計,可大大簡化空調(diào)系統(tǒng)的配置,彌補了冬季以及春秋季游泳利用率較低,仍需開放的弊端,在一定程度上減少了資料浪費,雖然增加了初投資,但是充分利用當?shù)刎S富的地熱資源,利用高效的換熱設備,把能量散失降為最低。利用這項技術不僅節(jié)約了電能,更間接地減少了二氧化碳等氣體的排放量。在能源的節(jié)約和保護方面發(fā)揮了一定的作用,既降低后期運行費用,回收期較短,又能保證機組在高效狀態(tài)下運行,具有很大的優(yōu)勢,應用可行性較高。