某藥廠地源熱泵水蓄冷 (熱)空調系統設計

2011-08-03 08:22:06石玉香尚海亮

制冷 2011年3期

石玉香,尚海亮

(1.南京交通職業技術學院,南京211188;2.江蘇鳳凰國際文化中心,南京210009)

1 工程概況

藥廠設置空調部分為制劑車間、原料藥車間和辦公樓三部分,空調建筑總面積約為11600m2,空調總冷負荷為4450kW。其中制劑車間空調冷負荷為3600kW,原料藥車間空調冷負荷為200kW,辦公樓空調冷負荷為650kW。總熱負荷為2900kW。

由于建筑周圍有較大面積的空地,并考慮合理利用峰、谷電價的差值來實現節能運行,本設計采用地源熱泵系統與水蓄冷 (熱)系統相結合的方式對空調建筑進行供冷、供熱,同時回收部分機組排熱來加熱生活用水。該地區分時電價如表1所示。根據指標計算得出的空調負荷,估算出各時段中建筑的逐時冷、熱負荷值,表示于圖1中。

表1 地區分時電價 (元/kWh)

圖1 空調負荷估算值

2 水蓄冷 (熱)系統設計

水蓄冷 (熱)空調系統采用部分蓄冷 (熱)的形式,即利用低谷電時段儲存的冷 (熱)量來部分削減高峰時段的冷 (熱)負荷。本設計中,夜間低谷電時段的蓄冷 (熱)量約占設計日總冷 (熱)量的20%。根據圖1,計算出100%負荷設計日總冷量Qd,l=50 000kWh,總熱量Qd,r=33727kWh。則蓄冷量約為20%Qd,l=10 000kWh,蓄熱量約為20%Qd,r=6 745kWh。蓄冷運行溫度為4℃/12℃,蓄熱運行溫度為45℃/60℃。

2.1 水槽體積、設備型號的確定

按照100%設計日冷負荷的估算值來確定蓄水槽體積和設備型號。采用帶熱回收型滿液式水源螺桿熱泵機組。選擇兩臺型號為TWSF-0340.2-BG1-R的水源熱泵機組來承擔夜間向水槽蓄冷時的冷量,每臺機組的制冷量為 1171kW,制熱量為944kW;另選一臺型號為TWSF-0270.1-BG1-R、制冷量為932kW、制熱量為751kW的機組承擔正常工作的負荷。夜間用兩臺制冷量為1171kW的機組同時蓄冷5.5小時,實際蓄冷量Qst=12 881kWh。在100%負荷運行時,蓄冷量可部分承擔11小時的尖峰負荷。

蓄冷水槽的實際體積由實際蓄冷量計算得出,則蓄冷水槽的體積為1620m3。

蓄冷 (熱)、釋冷 (熱)水泵均采用管道循環泵。根據水源熱泵機組的換熱器水流量,選擇三臺型號為TP150-340/4的水泵作為蓄冷 (熱)水泵,水泵與熱泵機組一一對應。

釋冷 (熱)水泵則根據蓄冷 (熱)水槽釋冷時的最大流量來選擇。水槽釋冷泵總流量的最大值經計算為226 m3/h。由于蓄冷槽與空調末端距離較遠,釋冷水泵的流量和揚程應比計算值稍大。根據qv值,同樣選擇一臺型號為TP150-340/4的管道循環泵作為釋冷水泵。

2.2 總冷負荷運行策略

每年系統制冷時間是180天,夜間電力低谷時段用兩臺型號為TWSF-0340.2-BG1-R的水源熱泵機組蓄冷5.5小時,將水槽蓄滿;蓄冷時段的冷負荷由一臺型號為TWSF-0270.1-BG1-R的機組承擔。在蓄冷時段之外,100%冷負荷時,蓄冷量可以部分承擔10小時的高峰冷負荷,其余冷負荷由兩臺型號為TWSF-0340.2-BG1-R的機組同時承擔;80%負荷時,蓄冷量可以部分承擔13小時的高峰冷負荷,其余冷負荷由兩臺型號為TWSF-0340.2-BG1-R的機組同時承擔;60%冷負荷白天運行時,蓄冷量可以部分承擔11小時的高峰冷負荷,其余冷負荷由一臺型號為TWSF-0340.2-BG1-R的機組承擔;30%冷負荷時,蓄冷時段外的其余冷量同樣由型號為TWSF-0270.1-BG1-R的機組供給。

采用水蓄冷系統,每年可以減少29.31萬kWh的高峰用電,減少9.21萬kWh平段用電量,增加39.08萬kWh低谷用電量。此項目機房預計每年夏季供冷耗電量約103.02萬kWh,水蓄冷空調比常規空調每年夏季可節省運行費用約23.35萬元。

圖2 100%冷負荷平衡圖

2.3 蓄熱運行策略

系統夜間的蓄熱量同樣占總供熱量的20%左右。夜間采用兩臺型號為TWSF-0340.2-BG1-R、制熱量為944kW的機組蓄熱4小時,蓄熱量Qst=7 552kWh,可部分承擔13小時 (100%負荷)、14小時 (80%、60%負荷)、11小時 (30%負荷)的高峰負荷。蓄熱時段由型號為TWSF-0270.1-BG1-R、制熱量為751kW的機組向建筑供熱,其余時段根據負荷不同選用一臺或兩臺型號為TWSF-0340.2-BG1-R的機組供熱。

圖9 30%熱負荷平衡圖

3 地源熱泵系統設計

采用供暖蓄熱系統,每年可以減少20.1萬kWh的高峰用電,減少16.7萬kWh平段用電量,增加39.91萬kWh低谷用電量。此項目機房預計每年夏季供熱耗電量約57.35萬kWh,蓄熱空調比常規空調每年冬季可節省運行費用約20.02萬元。全年水蓄冷 (熱)型地源熱泵機房比常規地源熱泵機房可節約運行費用43.37萬元。

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能源豎井中的換熱管采用DN32的PE管。根據該地區土壤測試結果,夏季能源井的換熱指標約為75W/m,冬季的換熱指標約為56W/m。能源井深為80m,則夏季每口井的放熱量為6kW,冬季每口井的取熱量為4.5kW。根據以上分析,機組需要承擔的冷、熱負荷最大值分別為2342kW、1800kW。計算得出夏、冬季系統需要的換熱井數分別為390口、400口,設計中取二者中的較大值。

充分利用建筑周邊的空地以及建筑內部的地面來布置能源井,相鄰兩換熱井的間距盡量取為5m。為了保證通過能源井的水與土壤充分換熱,相鄰能源井的間距不得小于4m。

4 水蓄冷 (熱)系統運行方式

水蓄冷 (熱)是將水作為儲能介質,夜間儲存利用低谷時段電力制取的冷 (熱)量,白天用來供冷(熱)的空調技術。空調水系統流程原理見圖10。

圖10 空調水系統流程圖

它有四種工作模式:

模式1:水槽蓄冷 (熱)+機組供冷 (熱)。

此時機組滿液式水源螺桿熱泵機組RB-1提供冷量給末端用冷戶,機組RB-2、RB-3給水槽蓄冷,空調用戶循環水泵BP-1、BP-2、BP-3和地源循環水泵BP-5、BP-6、BP-7正常工作,蓄冷 (熱)水槽XS-1也運行,用于蓄冷 (熱)水槽釋冷 (熱)時使用的板式換熱器HR-1、HR-2、釋冷 (熱)泵BP-8和空調用戶循環水泵BP-4都關閉。

模式2:水槽釋冷 (熱)+機組供冷 (熱)。

此時機組滿液式水源螺桿熱泵機組RB-2、RB-3提供冷量給末端用冷戶,隨用戶的負荷變化選擇工作,機組RB-1關閉。空調用戶循環水泵BP-2、BP-3從給水槽蓄冷 (熱)切換到用戶供冷狀態,和地源循環水泵 BP-6、BP-7正常工作,BP-1、BP-5關閉。水槽通過板式換熱器提供冷量給末端用戶。

此時水槽通過板式換熱器提供冷量給末端用戶,由空調用戶循環水泵BP-4構成冷凍水循環,釋冷 (熱)泵BP-8構成水槽和板式換熱器循環。

模式4:機組供冷 (熱)。

此時滿液式水源螺桿熱泵機組RB-2、RB-3隨用戶負荷的變化提供給用戶,相應的空調用戶循環水泵BP-2、BP-3和地源循環水泵BP-6、BP-7也正常工作。

在各模式下閥門的關閉情況如下:

(1)模式1閥門的關閉情況如表1。