鐵路站房地源熱泵系統工程熱平衡分析

沈德安

鐵路站房地源熱泵系統工程熱平衡分析

沈德安

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

結合具體工程,根據某車站空調采暖系統設計工況及該工程地埋管換熱特性測試報告,采用地源熱泵系統作為冷熱源。考慮地源熱泵系統的冷熱平衡需要,分析采用地源熱泵+鍋爐輔助系統及太陽能地源熱泵耦合系統兩種不同熱平衡方案用于鐵路站房,計算各自需要的熱泵機組容量及室外埋管換熱器具體設計規模。詳細介紹兩種系統的冷熱平衡方式,并對各自特點及工程運用進行論述,提出在具體工程中因地制宜,應根據不同情況,采用合適的系統熱平衡方式。

地源熱泵;換熱特性;冷熱平衡;冷熱源

鐵路站房具有數量多,位置偏僻等特點,與市政集中供熱管網連接較難實現,一般設置自用鍋爐房和冷水機房實現冬夏季供熱及供冷需求。隨著國民經濟的高速增長,鐵路車站規模、功能不斷擴大,車站能耗也在快速增長,尤其是隨著客運站和貨運站的服務功能和經濟功能的進一步開發和完善,必然造成客運站和貨運站更大的能耗[1]。

根據國家節能減排政策的響應,在鐵路車站尤其中小型站房中采用地源熱泵等可再生能源技術具有廣闊前景。地源熱泵系統以土壤為熱源或熱匯,由于地下一定深度處的土壤溫度全年可保持相對穩定,因此地源熱泵系統在運行過程中具有較高的性能系數[2]。但對于嚴寒或寒冷地區,系統冬夏季取熱及釋熱不平衡,如何解決好此問題,保證系統長久高效運行十分必要,結合具體工程分析采用不同的措施解決地源熱泵系統冷熱平衡問題。

1 工程概況

本鐵路車站站房所在城市地處東北亞中心的遼寧中部城市群,是吉林、黑龍江兩省通往其他省市和出海港口的重要通道。工程所在地火車站距市區約8 km。站房總建筑面積為4 456m2,最高集聚人數為500人,建筑最高處為17.5 m,站前廣場面積4 500m2。站房如圖1所示。

圖1 某站房正立面效果圖

1.1 氣象條件

項目所在地冬季采暖室外計算溫度-23℃,冬季空調室外計算干球溫度-26℃,冬季空調室外計算相對濕度59%;夏季空調室外計算干球溫度30.7℃,室外計算相對濕度78%。室內設計參數見表1。

表1 室內設計參數

1.2 地質狀況

根據“地源熱泵項目地層熱物性測試報告”,項目所在區域地貌為剝蝕殘丘及沖溝洼地,地形起伏較大,最大高程173.2 m,最小高程154.9 m,相對高差7～9m。場區內地層單一,無大的地質構造、斷裂、新構造運動,未發現順層滑動、圓弧滑動體等不良地質現象,場地第四系全新統地層為非液化土層。

該區域出露地層主要為:第四系全新統殘積的粉質黏土、沖積的粉質黏土及上更新統沖積黏質黃土,底部為白堊系下統砂巖夾泥巖。

地下穩定水位2.1～12.8 m,主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水,主要受大氣降水補給,隨季節性降水而漲落。地下水徑流方向由東向西,徑流速度2.2m/d,土壤最大凍結深度0.15m。

2 空調及采暖方案

2.1 空調及采暖系統形式

根據不同使用用途及功能的房間進行系統劃分。貴賓候車室采用獨立變頻多聯機空調系統,工藝設備用房、通信機械室、車站客運信息系統用房、信號電源及繼電器室等房間設機房專用空調,候車大廳、客服及售票廳采用全空氣空調系統,冷負荷375 kW,其他采用風機盤管+新風系統,冷負荷110 kW。

候車廳、VIP候車室及售票廳采用低溫地板輻射采暖方式,熱負荷為417.5 kW;補票室、綜合辦公等采用風機盤管采暖,熱負荷為127.6 kW。

2.2 系統冷熱源方案

若采用水冷機組,須考慮冷卻塔的設置,其影響車站的整體美觀,且冷卻塔耗水、耗電大,系統運行能耗高,不建議采用。另外,該市冬季室外氣溫低于-20℃,采用空氣源熱泵機組無法正常運行或運行效率較低,且空氣源熱泵室外機組安裝需與建筑外觀相協調,本站房屋面采用鋼結構屋面,增加了機組設置難度,不適用。

考慮到站前廣場面積大,地下水位較淺,地溫適中,適于采用地源熱泵技術。地源熱泵性能系數為3～6,與傳統的空氣源熱泵相比,要高出40%左右,運行費用為普通集中式空調系統的30%～60%[3]。該工程地處嚴寒地區,冬夏季負荷不平衡,設計中需考慮系統冷熱平衡,設計中討論采用以下2種方案。

方案一,地源熱泵系統按夏季負荷設置地埋管換熱器及熱泵機組,不滿足冬季負荷的部分由站外燃油鍋爐(預留燃氣條件)輔助,見圖2。單臺機組制冷量為271.7 kW,機組制熱量為227.8 kW,制冷功率51.3 kW,夏季提供冷媒溫度為7/12℃,冬季提供熱媒溫度為55/50℃。

在冬季,由于地源熱泵系統供熱能力不足,機組地源端進口水溫降低,制熱效率降低,系統制熱量下降,為保證機組高效運行,降低機組出水溫度,再將熱泵機組出水經過換熱器換熱后達到供水溫度要求。極端情況下,也可以完全有鍋爐房供暖,機組停止運行。

方案二,按冬季采暖工況設置地埋管換熱器及熱泵機組,利用集中太陽能系統補償冬季過多吸熱量。為了充分利用太陽能系統、發揮系統優勢,設計中考慮集中熱水供應,實現系統供冷、供熱及供熱水的需求,見圖3。空調采暖機組制冷量為361.2 kW,機組制熱量為336.9 kW,制熱功率94.3 kW,夏季提供冷媒溫度為7/12℃,冬季提供熱媒溫度為55/50℃。太陽能系統設計容量根據冷熱平衡需求及熱水耗熱量來確定。熱水機組按需要熱水供熱量設計。

在5月至9月期間,太陽能豐富,利用埋管分區設計及閥門控制,實現同時供冷及太陽能回灌的目的。一部分地埋管作為空調釋熱使用,一部分作為太陽能回灌使用,逐年輪換。在冬季,地源端出水溫度先經換熱器換熱,利用太陽能提高水溫,再進入地源熱泵機組制熱,可以提高機組效率,并充分利用太陽能資源。

3 室外埋管換熱器系統設計

3.1 室外埋管區換熱特性測試

利用測得循環水流經地埋管換熱器前后的溫度、

流量,可以計算得出該測試孔的換熱量。計算公式為

圖2 地源熱泵+鍋爐輔助系統原理

圖3 太陽能地源熱泵耦合系統原理

式中 Q——地埋管時均換熱量,W;

m——地埋管內水流量,kg/s;

cp——循環水的定壓比熱,kJ/(kg·K);

tin、tout——地埋管進出口水溫,℃;

ql——單位孔深換熱量,W/延米; l——地埋管換熱器埋管深度,m。

根據線熱源理論可以得出地埋管換熱器內循環水平均溫度與換熱量的函數關系,進而推算出當地土壤熱物性參數,如土壤導熱系數及熱擴散率等參數[4]。

本工程測試鉆孔口徑180mm,深80 m,成孔后將φ32mm的HDPE(高密度聚乙烯)單U管下入已打好的成孔中,用回填料回填,保證回填料均勻密實,以上工序結束后靜止48 h以上,為下一步測試做好準備。

采用恒熱流法測試,恒熱流法是保持加熱功率恒定,測量采集進出口水溫度數據,然后反解傳熱模型可以得到土壤導熱系數,如圖4所示。測量儀中的管路與埋管換熱器地下回路相接,循環水泵驅動流體在回路中循環流動,流體經過加熱器加熱后流經地下回路與地下巖土進行換熱。測得的出、入口流體溫度和流量、恒熱功率等數據進行儲存,再進行處理分析。如將恒溫熱源換為風冷熱泵機組等冷熱兩用的裝置,控制水箱溫度,可直接測出冬夏季吸熱量數值[5]。

圖4 測試裝置原理

經測試,地埋孔埋深范圍內的巖土層的原始平均溫度為12.5℃。扣除水平連接管與周圍環境的傳熱量即可得到垂直的埋管傳熱能力。結果見表2。

表2 熱物性測試結果

根據測試數據及地質情況,該項目區域地埋孔(80m深、單U型、De32管)夏季換熱量范圍約為42～46W/延米,冬季換熱量范圍約為25～30W/延米。

3.2 室外埋管換熱器設置

方案一,根據夏季工況設計。地源熱泵埋地換熱系統采用單U形管垂直埋管系統,打130個深80m地埋管孔,孔徑180 mm,U形管管材為φ32×3PE管(PE80型),見圖5。為確保地埋管換熱器的可靠性,每個豎直鉆孔換熱器支管路直接接至分集水器井內的分集水器,整個支管路中間不設接頭,降低了施工難度,檢修方便。某個換熱器出現泄漏,直接在分集水器井內關閉該支路即可,不影響其他換熱器使用,系統運行可靠。

方案二,根據冬季工況設計。地源熱泵埋地換熱系統采用單U形管垂直埋管系統,打210個深80m地埋管孔,孔徑180 mm,U形管管材為φ32×3PE管(PE80型)。設置方式同方案一。

3.3 地源熱泵系統全年熱量平衡分析

在工程設計中,應注意地源熱泵系統最大釋熱量與建筑設計冷負荷相對應,系統最大吸熱量與建筑設計熱負荷相對應

式中,Qe為地源熱泵系統最大釋熱量;Qc為建筑物空調冷負荷;COPc為地源熱泵機組制冷性能系數; Qg為冷媒輸送過程中的熱量;Qp為水泵釋放熱量;Qa為地源熱泵系統最大吸熱量;Qh為建筑物低溫采暖熱負荷;COPh為地源熱泵機組制熱性能系數;QL為熱媒輸送過程中熱損失。

由前面分析可知,方案一采用保證夏季供冷需求的前提下,減少冬季吸熱量而用燃油鍋爐房輔助的方法,實現系統冬夏季冷熱平衡。系統運行過程中,通過調節鍋爐房輔熱量,維持系統最佳運行狀況,最大限度利用地熱能量。

方案二采用保證冬季供暖需求(系統最大負荷需求),夏季將太陽能回灌入地下,補充冬季過多吸熱量。根據“中國建筑熱環境分析專用氣象數據集”,5月至9月太陽能回灌,晴天率約75%,日回灌時間為5～8 h,冬夏季熱泵系統長時間70%能力運行,分析得出系統不平衡熱量為950 kW。考慮埋管區地下水位遷移及全年太陽能輻照的影響,太陽能回灌能力按不平衡熱量的30%～50%設計,并預留太陽能系統增容條件(工程運用中,系統回灌能量的最佳比例尚待進一步研究)。太陽能集熱系統計算過程見文獻[6]。

4 結論

文中介紹了恒熱流法測試地埋管區的熱物性,利用計算出的地層綜合傳熱系數,反推出冬季吸熱量,對測試設備有限的情況下提供了測試思路。

(1)不同地區、不同運行工況條件下,應采用不同的冷熱平衡措施。在夏熱冬冷地區采用冷卻塔或帶熱回收技術是實現系統冷熱平衡的常用措施;嚴寒及寒冷地區,地源熱泵輔助鍋爐房系統和太陽能地源熱泵耦合系統是很好的選擇。

(2)地源熱泵+燃油鍋爐輔助系統規模小,初投資低,運行簡單,但是要消耗一次能源,對環境造成污染,未能充分利用可再生地熱能,適用于投資少,環保要求不高的項目;太陽能地源熱泵耦合系統除了消耗少量電能外,完全使用可再生清潔無污染能源,但是初投資較高,系統運行復雜,但長遠來看,是未來發展的趨勢。本工程位置偏僻且考慮投資因素,采用地源熱泵輔助燃油鍋爐房的方式。

參考文獻:

[1] 樊永濤,李夏苗.鐵路能耗因素分析及節能措施研究[J].管理觀察,2009(6):232-233.

[2] 貝尼爾馬.閉環地源熱泵耦合系統[J].美國采暖制冷與空氣調節工程師協會雜志,2006(9):12-19.

[3] 刁永飛,張小力,伍貽文.地源熱泵的優越性及前景展望[J].能源研究與信息,2002,18(1):89-90.

[4] 胡平放,孫啟明,於仲義,等.地源熱泵地埋管換熱量與巖土熱物性的測試[J].煤氣與熱力,2008,28(8):1-4.

[5] 沈德安,侯衛華,林穎.西北地區地源熱泵工程運用分析[J].節能技術,2010,28(2):137-140.

[6] 沈德安.太陽能地源熱泵耦合系統工程運用分析[J].鐵道標準設計,2010(S2):82-85.

Analysis on Heat Balance of G round Source Heat Pum p System in Railway Station

SHEN De-an
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi'an 710043,China)

In regard to an actual railway station,based on its design circumstance ofair-condition heating system and its testing reportof ground heat transfer characteristics,the ground source heat pump system was adopted as its cold and heat source.Considering the need for heat balance of the ground source heat pump system,this thesis analyzes the two different schemes used in railway station buildings:the one is a ground source heat pump system assisted by boiler,and the other is a coupled system of solar energywith ground source heat pump.And then respectively for both schemes,this thesis calculates the required capacity of ground source heat pump unit and the required design scale of ground heat exchanger.This thesis also discusses how to achieve the cold and heatbalance for the two different schemes,and analyzes each characteristics and applicability in actual projects.Finally this thesis points out:it is necessary to use suitable and customized heat balancemodes for different projects on the basis of local conditions.

ground source heat pump;heat transfer characteristics;cold and heat balance;cold and heat source

TU831.3

A

1004-2954(2013)07-0119-04

2013-01-10

沈德安(1981—),男,工程師,2008年畢業于哈爾濱工業大學,工學碩士,E-mail:shen123s@163.com。