混合式地源熱泵系統在辦公建筑中的應用

楊婧文

(南京交通職業技術學院,南京211188)

1 工程概述

西安都市之門位于西安高新技術產業開發區中央商務區,該建筑群由三棟辦公大樓、一棟管委會大樓和一棟千人會堂組成,已于2008年投入運行。設計要求管委會大樓A座及千人會堂采用地源熱泵作為其冷熱源,總建筑面積79328m2。另外三棟辦公大樓受場地限制不適合地埋管施工,使用常規空調系統。

2 負荷計算

本項目采用DeST模擬運算軟件,全年逐時負荷累計計算結果如圖1、2所示。全年冷負荷累計為6295815kWh,全年熱負荷累計為4181079kWh;計算最大冷負荷為9000kW,計算最大熱負荷為6500kW。供冷季 (6月15日～9月15日)和采暖季 (11月15日～3月15日)逐月負荷累計計算結果如圖3、4所示。空調系統采用間歇運行的方式,運行時間從8∶00到17∶00。

3 設計方案

該項目采用混合式地源熱泵系統,夏季地源熱泵機組提供設計冷負荷的53%,使用蒸汽型溴化鋰吸收式冷水機組負責夏季的調峰,提供設計冷負荷的47%,其中優先運行地源熱泵機組負責建筑物的冷負荷。選用2臺冷量為2385kW、熱量為2633kW的土壤熱泵機組,在滿負荷工作的狀態下,地源熱泵機組夏季的總制冷輸入功率為1062.6kW,冬季總制熱輸入功率為1380.9kW。再選用2臺冷量為2115kW的蒸汽型溴化鋰吸收式冷水機組,消耗蒸汽量為11.67t/h。

冬季地源熱泵機組提供設計熱負荷的81%,使用市政蒸汽負責冬季的調峰措施,提供設計熱負荷的19%,其中優先運行地源熱泵機組負責建筑物的熱負荷。采用市政蒸汽熱網輔助供暖,總熱負荷為1178kW,根據每蒸噸所能提供的熱量,每小時大約需要1.62蒸噸的蒸汽,通過板式換熱器大約需要損失10%的熱量,因此每小時大約需要1.78蒸噸的蒸汽。板式換熱器2臺,單臺換熱量0.7MW。主要設備見表1。

表1 主要設備表

4 方案選擇依據

4.1 政策補貼減少初投資

2006年 9月,財政部和建設部聯手發布了《可再生能源建筑應用專項資金管理暫行辦法》,以推動可再生能源在建筑領域的規模化應用。

陜西省建設廳也于2007年啟動 “十一五”國家科技支撐計劃 “可再生能源與建筑集成技術應用示范工程”課題。西安 “都市之門”項目申報規模化示范工程至少應同時滿足的三個條件:建設規模;可再生能源技術節能率;達標情況等均已具備,根據陜西省已建成示范性項目的補貼資金估算,最后的補貼比例可高達25%。

4.2 污染物的排放量降低

冬季地源熱泵機組提供設計熱負荷的 81%,市政蒸汽只負責冬季的調峰措施,這樣大幅減少了系統使用的蒸汽量。由于西安市政蒸汽管網由燃煤熱電廠提供蒸汽,在發電時,消耗一次能源可導致污染物和二氧化碳溫室氣體的排放。所以,減少了蒸汽使用量即可減低燃煤導致的污染物排放量,符合政府倡導的節能減排的政策。

4.3 余熱的利用

采用余熱型溴化鋰吸收式冷水機組可合理利用市政熱力管網的熱量,產生工藝所需的冷源,大幅度降低電力消耗,減少廢棄物排放。

5 經濟性分析

5.1 初投資分析

主機設備投資595.5萬元;土壤換熱器系統投資462.4萬元;蒸汽熱網投入105.5000萬元;循環水泵投入51萬元;冷卻塔投資36萬元;汽水換熱器投入11.3萬元;鉆井投入342.4萬元 (根據施工的地質情況,按單孔鉆井100m深,土層深70米,巖層深30m估算費用,土層鉆孔價25元/m,巖層鉆孔價125元/m);機房安裝投資255萬元,合計1860萬元。熱電廠集中供熱管道已敷設至西安都市之門圍墻外,未產生初投資費用。

財政部示范項目驗收后的補貼比例為 25%,可充抵46.5萬元,最后的初投資金額降為1395萬元,大大降低了初投資費用。

5.2 運行費用分析

運行天數為夏季90天,冬季為120天;每日運行時間為早上8∶00～晚上 5∶00,共8小時;平均電價按0.8元/kWh計算;設地源熱泵機組夏季運轉系數為70%,冬季運轉系數為70%;蒸汽型溴化鋰機組夏季運轉系數為50%。

市政蒸汽管網熱電廠夏季過熱蒸汽供氣壓力0.66～0.88MPa,溫度170～183℃;冬季供氣壓力范圍0.62～0.92MPa,溫度范圍187～220℃。單位能源價格 0.195元/kWh,夏季單位有效熱值600kWh/T,冬季640kWh/T,蒸汽熱源的單位熱價夏季117元/T,冬季125元/T。根據以上數據計算,全年機組總運行費用為:119.2836萬元 (夏)+108.6686萬元 (冬)=227.9522萬元。

綜上所述,較低的初投資用加之較低的運行費用,使得該方案在與其他方案的經濟性比較中占有很大優勢。

6 方案可行性分析

6.1 主機設備

主機系統采用地源熱泵與蒸汽型溴化鋰機組相組合的復合型方案。其中,溴化鋰機組采用雙良蒸汽雙效型,型號SXZ6-233DHM2,在飽和蒸汽表壓0.6MPa,冷卻水進/出口溫度分別為 32℃/7℃時,一般COP可達1.35。地源熱泵部分承擔常用空調負荷,蒸汽型溴化鋰機組承擔調峰負荷,與單一采用地源熱泵的方案相比,在地源熱泵可承擔負荷部分下調的情況下,場地條件可更加充分。

閉式冷卻塔進出水溫度37/32℃,單臺冷卻能力為2200kW。冷卻塔在每天中午11∶00～15∶00高峰期開啟,一般運行4小時,夏季累計釋放熱量為10652GJ。冷卻塔安裝場地與其散熱量要求也可完全匹配。

6.2 供回水溫度

在制冷運行時,地源熱泵系統供回水溫度與蒸汽型溴化鋰機組供回水溫度均可達到國家規定的7/12℃,可聯合運行滿足末端制冷要求的需要。在制熱運行時,地源熱泵系統供回水溫度與蒸汽直供溫度有較大差異,可通過板式換熱器調節,達到45/40℃標準運行工況,可聯合運行滿足末端制熱要求的需要。末端系統可依照制冷運行7/12℃、制熱運行45/40℃標準工況進行設計與設備選型,從而保證末端與主機系統的匹配。

6.3 土壤換熱器設置

根據建筑動態負荷模擬顯示,空調系統全年冷負荷累計為 6295815 kWh,全年熱負荷累計為4181079 kWh。土壤換熱器的放熱量遠大于取熱量,如無輔助散熱設備會造成土壤換熱器熱量堆積,所以土壤換熱器承擔地源熱泵機組冬季全部吸熱量及夏季部分排熱量,剩余排熱量由閉式冷卻塔輔助散熱。實施此方案后,地埋管全年累計向地下釋放熱量12012GJ,與全年累計吸收熱量12192GJ幾乎接近,解決了地下部分的冷熱不平衡,對土壤升溫影響小。

6.4 埋管深度

根據現場水文地質勘探的結果顯示,地下水靜水位約7.50～8.50m深;平均水溫為19.7℃;地下水類型主要為沖洪積層孔隙潛水、沖洪積層孔隙潛層承壓水兩種。巖土熱響應試驗數據得出地下平均導熱系數 λ為2.239W/(m·K);平均熱阻Rb為0.162 m2·K/W 。

本工程場地0～105m范圍內主要以粘土、沙土夾少量碎石,同時地下水較豐富,鉆孔成本較低,適合采用土壤源熱泵系統。同時結合土壤換熱器管道的承壓能力和施工機械成本,鉆孔深度100m較適宜。

7 地埋管計算

該項目方案設計在地下換熱器計算上采用的是由國際地源熱泵協會 (IGSHPA)中國委員會強烈推薦的GLD3.0版本,該軟件由Gaia Geothermal公司開發推廣,得到了國際地源熱泵協會的權威認證,并且已在實際工程中運行了近10年,深受廣大地源熱泵項目客戶認可及好評。根據業主提供的《熱響應試驗報告》,經專業軟件計算后得:

(1)雙 U型管夏季單米井深換熱量:q夏=79.8W/m,考慮安全系數取70W/m。

(2)雙 U型管冬季單米井深換熱量:q冬=59.1W/m,考慮安全系數取50 W/m。

根據單米井深換熱量,可以設計計算地埋管的容量,確定熱泵機組參數以及選擇循環泵流量與揚程,是地埋管換熱器的重要設計依據。

7.1 埋管間距

土壤換熱器運行原理是利用土壤的熱導性進行換熱,當土壤換熱器長時間運行,井之間換熱相互干擾,為避免換熱短路,應選擇合理的布井間距。

垂直地埋管換熱器計算的基礎是單個鉆孔的傳熱分析,可采用公式進行計算:

(1)夏季擴散半徑 (整個空調運行時間約90天)

(2)冬季擴散半徑 (整個空調運行時間約120天)

根據此公式計算,埋管間距大于3m時,其大地熱阻的干擾影響已經很小,采用5m×4.5m間距設計,完全能保證土壤耦合器換熱要求。

7.2 埋管規模及極限水溫情況

7.2.1 計算參數

(1)土壤熱工參數

土壤初始溫度19.7℃;土壤綜合比熱容ρCp為2.3MJ/(m3/K);土壤平均導熱系數λ為2.239W/(m·K);土壤綜合擴散率為0.52×10-6m2/s;回填材料配比采用10%膨潤土+90%黃沙;回填材料導熱系數 λ為2.08～2.42W/(m·K)。

(2)系統負荷情況

峰值冷負荷8870 kW,峰值熱負荷6183 kW;地源熱泵機組承擔的最大制冷量8870×53%=4701 kW,最大供熱量:6183×81%=5008 kW。

7.2.2 計算結果

根據上述計算參數,借助于GLD軟件對系統的埋管熱作用半徑、地埋管系統運行25年中系統極限水溫情況以及地埋管數量進行了計算,計算結果如圖5、6所示。為同時滿足供熱和供冷的需要,應采用制冷模式和制熱模式中的較大者作為設計鉆孔總長度,故埋管總長度取68690.9m;冷卻塔流量5337.1L/min;制冷工況地下換熱器進水溫度35.0℃,出水溫度29.4℃;采暖工況地下換熱器進水溫度5.7℃,出水溫度9.0℃;25年后土壤初始溫度升高3.3℃。

圖5 孔井設計

圖6 平均塊負荷

7.3 計算值修正

根據軟件計算結果,該項目埋管總長度為68690.9m,考慮系統的平衡性,建議該項目埋管總長度設計70000m,共700個100米深孔,雙U埋管,孔徑150mm,孔間距不小于4.5m。

7.4 地下換熱器系統方案概述

設計700個100m深孔,雙 U埋管,孔徑150mm,孔間距5m×4.5m。該換熱器系統共分為12個埋管區域,其中第一至第七、第十一埋管區域內每個區域9個環路;第八至第十埋管區域內每個區域7個環路;第十二埋管區域內8個環路。埋管布置詳情見表2。

表2 地下換熱器系統埋管情況統計

表2(續)

為保證水力平衡,管路系統采用同程式設計,考慮到各區域距機房遠近差異較大,各區域回水主管上加上平衡閥,以保證各區域水力平衡。每個區域分別設置集分水器檢查井,各環路集管分別接到各自區域的集分水器上,以免因局部出現問題而影響其它區域的正常使用。方案出圖包括地下換熱器埋管平面圖 (見圖7)及埋管系統圖;各分區檢查井內分集水器詳圖等。

圖7 地下換熱器埋管平面圖

7.5 地埋管地下溫度一年變化情況

地源熱泵系統長期運行對于土壤溫度場的影響直接關系著此系統在工程實際中的應用,因此,需要對豎直U型地埋管換熱器的換熱用有限元軟件ANSYS進行數值模擬。在管間距分別為2m、3m、4m的條件下,模擬了地源熱泵管群在一年的運行過程中對于土壤的溫度場影響。由不同的管間距的溫度場反應情況,從而驗證地源熱泵系統的最佳管間距。

土壤初始溫度為19.7℃,對于不同間距地埋管地下溫度一年變化情況進行模擬,取一年中土壤溫度最高的八月份進行數據分析:間距為2m時,土壤溫度為24.645℃,溫升為4.945℃;間距為3m時,土壤溫度為21.852℃,溫升為2.152℃;間距為4m時,土壤溫度為21.042℃,溫升為1.342℃。從不同間距產生的土壤溫升情況得出,管間距越大,土壤溫升越小,對土壤溫度的恢復越有利。

雖然管間距越大越有利,但綜合考慮系統初投資、占地面積等因素,要達到恢復性最好的管間距是很難的,4m左右的間距已經基本符合土壤源熱泵系統溫升的控制范圍,所以基本滿足土壤源熱泵系統恢復對管間距的要求。

8 結論

(1)按照目前該項目地塊情況和土壤導熱情況,用地源熱泵機組滿足常用負荷需求,并加以適當的輔助手段 (蒸汽型溴化鋰機組負責夏季的調峰措施,市政蒸汽負責冬季的調峰措施)的混合方案,不但可解決極端氣候下的系統負荷問題,而且可充分解決地下部分不可預見的冷熱不平衡。

(2)由于西安政府積極響應,出臺了地源熱泵補助政策,大大減少了原本較高的初投資,縮短了回收期,再加之較低的運行費用,使得該混合式方案經濟性占優勢。地源熱泵技術對外圍能源依賴小,能源價格穩定的優勢會越來越明顯。

(3)作為一個政府投資項目,目前建設部的四項節能改革中,政府部門對節能和可再生能源的推廣作為一項重點工作,都市之門作為高新管委會的辦公用房采用地源熱泵技術成為規模化示范工程,對再生能源在西安地區的推廣具有重要意義。

[1]張俊巧.地源熱泵系統優化設計——降低地源熱泵系統初投資的有效途徑 [J].制冷技術,2007(4):22-25

[2]馬最良,呂悅.地源熱泵系統設計與應用[M].北京:機械工業出版社,2007,136-138

[3]孫曉光等.地源熱泵工程技術與管理 [M].北京:中國建筑工業出版社,2009,140-142

[4]李雅昕.樁基式土壤源熱泵管群換熱及恢復特性的研究[D]:[碩士學位論文].上海:同濟大學土木工程學院,2007