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浅谈地源热泵在工业厂房中的应用

谢雨东

浙江省天正设计工程有限公司 

 

摘要:本文通过浙江杭州某工业厂房地源热泵系统的设计,浅析地源热泵在工业厂房的应用。

关键词:地源热泵  工业厂房 

 

The application of geothermal heat pump system to industrial building

 

Abstract:From the design of geothermal heat pump system to industrial building,analyzing the application of geothermal heat pump system to industrial building。

Keywords:geothermal heat pump system    industrial building

 

1引言

地源热泵是利用地球表面浅层水源(如地下水、河流和湖泊)和土壤源中吸收的太阳能和地热能,并采用热泵原理,既可供热又可制冷的高效节能空调系统。即输入少量的高品位能源(如电能),实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源,即在冬季,把地能中的热量“取”出来,提高温度后,供给室内采暖;夏季,把室内的热量取出来,释放到地下去。它不向外界排放任何废水、废气,能有效保护环境,是一种高效、节能的可再生能源空调系统形式。

2工程概况

本工程位于浙江杭州某工业园区内,总建筑面积约9000m2,共三层, 其中一层为冲压车间,二层为模具车间,三层为成品仓库,一层、二层采用舒适性空调,三层采用调温型除湿。建设地属于夏热冬冷地区,夏季有制冷要求,冬季有制热要求,满足地源热泵的先决条件。

3空调负荷

本工程地源热泵空调主要用于车间一层和二层。本工程负荷特点:⑴、车间内具有设备散热(且比较稳定),占总冷负荷的绝大部分;⑵、本车间围护结构的负荷只占很小一部分,可视为比较恒定的;⑶、夏季冷负荷高,冬季热负荷小;⑷、车间只对温度要求,无湿度要求。

空调面积约6000m2,按杭州气候参数,夏季条年使用120d,冬季使用90d,每天按10个小时计算。根据负荷计算软件算得本车间夏季最大冷负荷为1170kW,冬季最大热负荷为610kW。根据全年动态负荷计算结果,夏季总冷负荷累计约为1160000kWh,冬季总热负荷累计约为450000 kWh。

由于夏季的总冷负荷和冬季的总热负荷相差悬殊,本项目以冬季的热量来选择供热方式,而夏季其余部分采用冷却塔解决。

4地质勘探及换热参数测试

本工程前期地质勘探及换热参数测试由浙江某地质勘探院完成,通过现场勘探及实际换热试验,提供了本次设计最关键的设计参数。

4.1地质勘探

根据钻探结果,可将底层分为7个工程地质层,10个亚层,详见下简表:

 

 

简述

1

素填土

主要由砂质粉土组成,厚度1米,底层深度为1米

2-1

砂质粉土

主要由云母碎片组成,厚度12.5米,底层深度为13.5米

2-2

粉砂

含石英、云母碎片,厚度2米,底层深度为15.5米

2-3

层状土

主要由层状粉土和粘性粉土组成,厚度12.5米,底层深度为28米

3

粉质粘土

局部流塑,厚度为7米,底层深度为30米

4

粉质粘土

局部流塑及软可塑,厚度为28米,底层深度为58米

5

硕砂

含原硕,厚度为3米,底层深度为61米

6

粉质粘土

硬塑,局部硬可塑,厚度为14米,底层深度为75米

7

泥质粉砂岩

全强风化,含少量矿物,层状构造,本次勘探未揭穿该层

 

4.2换热参数测试结论

(1)地埋管深度为75米,φ32单U管(PE聚乙烯管)平均单孔放热功率为3.72kW,平均单孔取热功率为3.17kW。

(2)通过双桥静力触探试验,地埋管孔在桩基础50cm以外施工基本不影响。

(3)本项目适合采用土壤源热泵技术。

5冷热源选择

无论从空调冷热负荷及全年动态负荷来看,该工程全年的总冷量远大于总热量,为保持土壤的热平衡,以冬季负荷为依据设计地埋管系统,即冬季热负荷全部由地埋管及地源热泵机组系统承担,夏季空调冷负荷部分由地埋管承担,其余的采用冷却塔补充。

方案一:一台地源热泵机组+一台水冷冷水机组,冬季采用地源热泵机组供暖,夏季采用地源热泵机组和水冷冷水机组共同供冷。

方案二:两台地源热泵机组,冬季采用其中一台地源热泵机组供暖,夏季采用两台地源热泵机组供冷。

因地源热泵机组没有水冷冷水机组的COP值高,因此方案一的初投资以及运行费用比方案二低。但因业主要求以及项目的特殊性,本项目不设额外备用机组,但要求所设的两台机组能在冬夏季互为备用,以保证其中一台机组检修时,空调系统还能正常运行,维持生产车间的正常工作。

综上所述,本工程选用两台一样的地源热泵机组作为冷热源,两台机组冬夏季都可相互备用,冬季由一台机组供热,夏季由两台机组供冷。由于本车间夏季冬季负荷相差悬殊,因此,夏季设两台冷却塔,补充夏季冷负荷。

根据冬夏季负荷选择地源热泵机组,两台地源热泵机组,每台制冷量为585kW,制热量为616kW,制冷时COP为5.06,制热时COP为4.61。夏季:负荷侧进出水温度7/12℃,冷却侧32/37℃;冬季:地源侧10/5℃,负荷侧45/40℃。空调末端为常规设计,采用吊顶式空调及风机盘管。

6地源热泵系统设计

6.1地源热泵系统流程图设计

    根据以上的结论,地源热泵系统流程简图如下:

说明:

1)      “夏季制冷1”:地下冷热负荷平衡后,夏季制冷状态;“夏季制冷2”:地下冷热负荷平衡前,夏季制冷状态;“夏季制冷3”:地下冷热负荷平衡后,DYRB-1.2检修时的制冷状态;“夏季制冷4”:地下冷热负荷平衡后,DYRB-1.1检修时的制冷状态;“夏季制冷5”:地下冷热负荷平衡前,DYRB-1.2检修时的制冷状态;“夏季制冷6”:地下冷热负荷平衡前,DYRB-1.1检修时的制冷状态;“冬季制热1”:冬季开DYRB-1.1的制热状态;“冬季制热2”:冬季开DYRB-1.2的制热状态。

2)        DYRB-1.1与DYRB-1.2冬夏季时都可互为备用,即在一台设备检修时,可保证冬季全部热负荷和夏季部分冷负荷。

3)        夏季使用天数为120d,冬季使用天数为90d;根据全年负荷情况,地源热泵冬季使用天数为90d,地源热泵夏季使用天数约为95d,其余部分由冷却塔解决;同时通过地下土壤以及冷却回水温度监测,分析地下土壤长时间的温度变化,从而在保证系统最大节能运行。

 

6.2地埋管的形式及布置

根据地质勘探的分析报告,综合考虑各种因素,本工程地源换热系统设计为垂直单U形地埋管系统,经分析,采用Dn32的单U形地埋管系统,钻孔孔径取150mm,管路布置采用并联多环路异程系统,尽量布置在生产车间旁的绿化带上面,不足部分布置在生产车间的正下方。连接地源井的水平支管采用4~5口井一回路,同程式连接,根据地埋管孔布置图设置单级分集水器,共6个并联环路,并在集水器上设置平衡阀,水平埋管深约2米,系统最高点设自动排气阀。

经计算,共需地埋管孔数200个,考虑一定余量后实际钻孔数为240个,钻孔间距最小为4m,个别孔位根据现场情况适当调整。地下地埋管布孔平面简图如下:

 

6.3地埋管的管材及连接

地埋管采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热率大,流动阻力较小的聚乙烯(PE)管,地埋管的质量应符合“给水用聚乙烯(PE)管材”GB/T13663及“冷热用聚乙烯(PE)管道系统”GB/T19473.2的要求,管材公称压力为1.6MPa,U形竖直埋管采用Dn32的PE管。连接管道小于等于Dn63采用电熔连接,大于Dn63可采用热熔连接。管道的施工必须满足“埋地聚乙烯给水管道工程技术规程”CJJ101-2004的有关规定。

 

6.4地埋管长期运行的可行性分析

通过夏季冷冻水冬季热水的流量累计,转成负荷来估计夏季的地源侧的运行时间。并通过传感器不断检测夏季冷却水(地源侧)回水温度,当回水温度达到32°时,地源侧的冷却效率就会低于冷却塔效率,此时需关闭地源系统,开启冷却塔系统。而相对冬季而言,随着土壤温度的升高,其运行效率将更加高效。

7设计总结及建议

根据本工程设计可以得出以下结论及建议:

(1)通过本工程的地源热泵设计,可见地源热泵系统在工业厂房中也是可行的。地源热泵不仅高效、节能、环保,其运行费用比传统中央空调系统大约低25%,鉴于地源热泵初投资比较大,如果没有相关政策补贴,很难在工业厂房中推广。

(2)为了降低初投资以及运行费用,夏季冷负荷宜由水冷冷水机组(冷却塔散热)+地源热泵机组(地埋管散热)共同承担,冬季热负荷全部由地源热泵机组(地埋管吸收)承担。

 

 

参考文献

 

(1)     GB50366-2005(2009版)   地源热泵系统工程技术规范

(2)     CJJ101-2004    埋地聚乙烯给水管道工程技术规程

(3)     陆耀庆    实用供暖空调设计手册(第二版)

(4)     徐伟等译   地源热泵工程技术指南  中国建筑工业出版社2001

(5)     施春燕 姚国梁   地源热泵空调在某地下商业建筑中的运用   浙江省暖通空调动力学术年会论文集2009    P115~P122

[2010/12/9] [关闭]
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