摘 要:文以北方寒冷地区188金宝博平台为例,通过总结设计施工经验,分析运行数据,旨在阐明公共建筑项目中,地源热泵系统配合辅助系统,可获得更加理想的节能效果。据此,提出配置太阳能系统的复合式地源热泵系统,实现空调、采暖、热水需求,有效提高系统的项目适用性及合理性。 

关键词:地源热泵 太阳能 复合式 高效节能 

  中图分类号:TU995 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2016)09(a)-0072-03 

  随着国家大力推动及相关节能环保政策出台,寻找替代 “高消耗、高投入、高污染”传统落后用能的新型节能方案,已成为共识。 

  此项目作为首个国家级救援基地项目,定位于:“运行经济可靠,设计低碳环保,体现技术先进”的建设目标,前期考证多种能源系统形式,以空气为热源,冬季低温环境机组会出现频繁融霜与运行不利。使用锅炉采暖不符合环保要求。同时建设地周边无可用地表水及处理污水,且城区内打井审批困难。在综合分析可行性后,提出采用地源热泵+太阳能的系统形式。 

  利用地源热泵技术冬季吸收土壤及岩层蕴含的热量,营造温暖的室内环境。夏季将室内热量排入土壤中,实现室内温度的降低。太阳能热水系统,在晴好天气时,可满足全部热水需求。当其无法运行,热水机组自土壤取热提温后供生活热水。太阳能系统运行中可实现污染零排放。 

  通过以上系统建设,可满足救援基地项目夏季空调、冬季采暖及全年生活热水需求,经运行测算是一种较为经济的系统形式。 

  1 项目概况 

  项目建设地河北省唐山市,占地面积122 948.15 m2,建筑面积59 872 m2。地埋管可用地面积为32 142 m2,包括体育场跑道、草坪、路面等区域。现有培训楼、办公楼、训练馆等为平顶建筑,可布置太阳能集热模块,且周围建筑无遮挡,存采光及场地条件好。项目为新建,建筑功能涉及办公楼、培训楼、地下演练场、体育馆及宿舍楼等。末端设备为风机盘管,有空调、采暖、日常生活热水等需求。 

  2 系统方案介绍 

  2.1 负荷计算 

  夏季空调室内计算参数为温度24 ℃~26 ℃,湿度40%~50%。冬季采暖计算参数为温度18 ℃~23 ℃,湿度30%~40%。计算得冷负荷为5 988.4 kW,热负荷为4 365 kW。 

  生活热水主要满足培训楼接待及厨房使用,根据《建筑给水排水设计规范》GB 50015-2003(2009年版),按照不同功能选择用水定额,且培训楼与厨房用水时段独立无叠加。计算得培训楼小时热水量qrh=9760 L,厨房qrh= 1771.9 L,所需日热水量为Qd=102.47 t,最大小时热负荷为1 340.7 kW。 

  2.2 系统形式 

  选用系统型式:离心式热泵机组+螺杆热水机组+太阳能集热板+储热水箱。 

  夏季离心式机组为空调供冷,冬季离心式机组为采暖供热,当负荷低于单机容量30%,从经济性考虑启动螺杆式热泵机组采暖。 

  生活热水全年优先采用太阳能系统满足,夏季离心机组热回收作为补充,当受环境影响太阳能无法运行时,启动热泵机组供应热水。 

  (1)空调(采暖)机组,2台离心式热泵机组,单台制热量3 106 kW,制冷量2 992.12 kW,用于夏季供冷冬季供暖,夏季可部分热回收生产生活热水。 

  (2)热水机组,2台螺杆式热泵机组单台制热量为927 kW,可制热水,冬季也可作为供热调峰机组使用。 

  (3)地埋管换热器,地埋管换器以岩土热物性试验数据为设计依据,勘测结果如下。(见表1) 

  说明:表1中的参数是根据冬季工况推算获得,所选机组夏季标准工况为冷却水,出水温度35 ℃,测试过程按照国家规定执行。 

  由地勘实验可知,地质层超过100 m为大块鹅卵石,从工期及成本分析,打井深度定为100 m。综合冬夏热量平衡,计算得成孔数量为1 090口。采用垂直埋管方式。为采用三角形排布,井间距4 m。 

  2.3 太阳能系统 

  唐山地区太阳能全年辐射总量可达5 768 MJ/(m2・a),日照2 600~2 900 h。据现场条件,建筑顶部可布置太阳能集热器约1 200 m2,理论运行天数为223 d(扣除雨雪阴天),计算日产热水量为116 t,满足日热水用量。选用192组SLL-1500/50联集管式太阳集热器模块,并配置专业PLC智能控制装置。地源热泵系统和太阳能系统的原理如图1、图2所示。 

  2.4 问题及解决措施 

  项目难点主要存在于系统设计和施工管理两方面,负荷功能多变、控制距离远、工期紧张成为突出矛盾,为此提出相应措施如下。 

  2.4.1 系统形式灵活,实现多功能备用 

  核心机组及输配水泵均为同型,变频运行一一对应。离心式机组与太阳能系统均可产生热水,热水机组供暖调峰,并备用。 

  2.4.2 PLC控制实现远程切换,保证太阳能优先运行 

  PLC控制系统由太阳能系统和机房群控两部分组成。 

  太阳能系统控制包括:(1)设备手动/自动切换功能;(2)定温出水功能;(3)温差循环功能;(4)自动上水功能;(5)漏电保护、防干烧、故障报警等。 

  机房控制包括换季阀门切换、设备联动、系统间运行切换。通过检测太阳能循环水泵在设定时段的运行情况,确定热泵机组是否启动。 

  2.4.3 离心机组热回收合理运行 

  离心式机组采用三级变频高效压缩机,较高负荷运行时,可实现部分热回收,有效回收冷凝器热量,补充生活热水,大大减少太阳能运行时间。 

  2.4.4 优化设备运行,提高经济性 

  空调采暖工况:高负荷时优先采用离心式热泵机组,低负荷时优先启动螺杆机组,保证机组始终在较高负荷率运行。 

  热水工况:优先运行太阳能系统,当不具备集热条件时,启动螺杆机组提供热水,夏季离心式机组热回收作为补充。 

  2.4.5 机房合理选址,地埋管换热器分区布置 

  机房定在体育场看台地下一层,贴临配电中心,位于负荷中心。地埋管换热器分为6个区,各区埋孔数量基本一致。由室外分集水器连接并设置独立井室。水平连接管路采用同程布置。 

  2.4.6 实行一天双会制度 

  由项目负责人组织召开,时间为7:00和22:00。早会安排当天工作内容,讨论待解决问题。晚会听取汇报,确定当天188金宝博平台完成进度,为第二天工作安排提供参考。 

  2.4.7 人员配置严格遵循标准 

  项目组人员构成完备,制度严明。建立从上至下管理流程,保证问题及时反馈,不得越权处理,与考核、项目进度奖励挂钩。 

  2.4.8 采用先进设备技术缩短工期 

  地埋侧打孔制定三班制24 h连续作业,选择专业镶齿钻头破碎成孔设备结合管径De32单U埋管形式,降低施工难度及潜在压瘪隐患,并减少占地面积。 

  3 经济性分析 

  按照电费0.7元/kWh计算运行费用。(见表2) 

  4 结语 

  地源热泵系统是发展较为完善的节能系统,期间不断吸收新的技术,以适应更加复杂的工况环境要求,通常冷热负荷相对平均的地区适宜采用,对系统建设限制因素较少。在寒冷北方地区,系统建设时要充分考虑土壤热平衡、冻结等问题,从保证换热器换热效果、系统稳定性角度出发,采取太阳能系统作为辅助系统,可有效提高系统运行能效,降低运行费用。 

  参考文献 

  [1] 孙洲阳,陈武.太阳能―地源热泵联合循环技术研究[J].流体机械,2011,39(10):67-71. 

  [2] 余鑫,王如竹,翟晓强.竖直埋管地源热泵系统研究进展[J].暖通空调,2010,40(2):1-9. 

  [3] 建筑给水排水设计规范(GB 50015-2003)[S].2009.