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土壤源热泵空调系统在改造工程中的应用分析点击：1810 日期：[ 2014-04-26 21:36:03 ] |
| 土壤源热泵空调系统在改造工程中的应用分析 华蓉蓉1,端木琳1,张永泉2,金 权1,王占东3 (1.大连理工大学土木水利学院建筑环境与设备工程教研室,大连116085;2.大连理工大学土木建筑设计研究院,大连116085;3.山东省劳动职业技术学院,济南250022) [摘 要]本文在分析了土壤源热泵系统优缺点的基础之上,对大连市某疗养院的空调系统冷热源的改造方案进行了详细的分析。通过现场调查和计算分析,提出了可将现有建筑的传统空调、采暖系统改造为土壤源热泵空调系统。采用土壤源热泵系统虽然初投资较高,但可以节省可观的能源,降低了空调系统的运行费用。 [关键词]土壤源热泵;空调系统;改造;经济性分析 [中图分类号]TU833+.3 [文献标识码]A [文章编号]1002-8528(2007)06-0088-05 1 引 言 土壤源热泵技术是一种节能、环保的实用空调技术,在北美和欧洲已非常成熟,应用了近几十年,是一种广泛采用的供热空调系统。自20世纪90年代后期,土壤源热泵空调技术在我国的研究和应用有了发展,理论和实践研究活跃,工程应用逐年增加[1]。 土壤源热泵与其它形式的热泵和空调系统的最大区别是其冷热源为土壤。以土壤作为冷热源和以空气作为冷热源相比较,其优点是土壤的温度比较恒定,冬季土壤温度大于室外空气温度,夏季土壤温度低于室外空气温度,因此地源热泵的制冷、制热系数高于空气源热泵,一般可高于40%[2]。由于大地的换热性能远远高于空气,土壤源热泵系统能够显著的降低能耗,与传统空调系统相比在运行费用方面有很大的优势。由于土壤源热泵只用浅层岩土层中的热量,不存在浪费或破坏水资源的隐患,真正实现了环境友好,并可在全年较好地实现冬储夏用、夏储冬用。从全年的角度看,能量可以在一定程度上得到循环利用。因此,得到越来越多的企业、用户的关注,应当推广应用。 笔者针对大连地区某疗养院改造工程,详细分析了该工程的实际条件,提出了利用土壤源热泵的空调系统改造方案。 2 工程概况 该工程为大连市某疗养院空调系统改造工程。疗养院始建于1987年,占地面积3·4万m2,总建筑面积近2万m2,现有建筑物10座。根据社会发展和市场需求要进行改造。改造前疗养院的空调系统为燃油锅炉+分体空调,改造后将采用集中空调系统。由于目前能源短缺、原油价格上涨,计划拆除原有的燃油锅炉,该疗养院所处的地区附近没有集中供热外网。在空调系统方案研究初期对该工程附近的地质结构进行了勘察。院区地表覆盖第四纪或晚第三纪坡残积层。地表至地下10m为亚砂土(由粘性土和变质岩碎块组成),地下10~400m为石英岩与板岩互层,上部石英岩浅灰色,下部灰白色,上部板岩灰黄色,下部深灰色,其走向大致垂直于海岸。岩土体平均导热系数为4·4W/(m·K),热扩散率为3·6~5·4×10-3m2/h。地下岩石(土壤)中的能量蕴含丰富,10m以下,四季恒温,温度在13℃左右。据调查资料和钻孔揭露,中浅层地下水主要以碳酸盐岩溶液裂隙(空洞裂隙)水为主。地下水主要赋存在青白口系南芬组碳酸盐岩溶洞裂隙中,分布范围比较广泛。最大冻土深度0·93m,无霜期170~190d,始于11月,终于翌年4月上旬。 经地质勘测结果分析可知,测区内地表水系极不发育,为流程短的季节性溪流,流域面积小,雨季河水瀑满,旱季河水干枯。受新构造运动的影响,溪沟流程短而坡陡,溯源侵蚀强、冲刷严重,地表径流快、滞留时间短,积水坑中的地表水以潜流补给地下水为主;附近的海岸线又被养殖场所租用,无法利用地下水和地表水水源热泵,经综合考虑该工程采用地埋管换热系统的地源热泵。 3 系统方案设计 3·1 负荷分析 该工程改造过程中,外围护结构将进行保温处理,因此供冷和供热指标不能取用原有建筑物的设计冷热指标,但建筑尚不能达到节能建筑的标准。根据建筑条件对全年(8760h)的负荷进行逐时模拟计算,该工程的建筑功能和负荷分布见表1。 设计初期对疗养院进行了实测调查,由疗养院工作人员提供的例年营业资料显示,该疗养院的最大客流量为一、二百人左右,所以娱乐活动中心的冷负荷与其它类型娱乐场所的冷负荷相比小一些。对于办公建筑,白天气温高、日照强,室内热源多集中在白天,冷负荷大部分集中在白天;对于旅馆类建筑高峰负荷在白天出现,但夜间有较大的基载负荷。因此由于建筑功能、建筑朝向、建筑高度、窗墙比不同,建筑物峰值负荷出现的时间不同,建筑群的负荷应为各建筑逐时负荷叠加的最大值,即空调峰值冷负荷为997kW,供热峰值热负荷为1158kW。生活热水负荷:冬季240kW,夏季200kW。年累计供冷量为1122MWh,年累计供热量为1031MWh。 3·2 土壤源热泵空调系统方案设计 3·2·1 地埋管换热系统的选择 考虑整个院区内建筑功能划分及可利用地表面积,拟定将地埋管地源热泵机房设置在院区西南角污水泵站附近,地埋管换热系统待埋管区域为各建筑物周边的非规划建筑空地。该工程的总负荷较大而可利用地表面积比较少,所以选用垂直埋管系统。垂直式热交换器有并联管路和串联管路两种。并联管路垂直换热器与串联管路垂直换热器相比,U形管管径可以更小,从而降低管路费用、防冻液费用,由于较小的管路更容易制作,人工费用也可能减少。U形管管径的减少使竖井直径也相应变小,钻孔费用也能相应减少。并联管路热交换器统一环路集管连接的所有竖井的传热量是相同的,而串联管路热交换器每个竖井的传热量是不同的。所以该工程垂直式热交换器选用并联管路。 地埋管应采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小的塑料管材及管件。高密度聚乙烯管导热系数较高。当土壤导热性能提高1倍,且在连续运行情况下,聚乙烯管道的热交换能力将升高25%。另外高密度聚乙烯具有高强度和抗腐蚀能力。综合考虑,埋管选用高密度聚乙烯(HDPE)管,其导热系数为0·46W/(m·K),内、外径分别为25mm、32mm,钻井直径110mm,地埋管内传热介质为质量浓度是25%的乙二醇溶液。 回填材料的特性有可能增加或降低整个地下埋管系统的传热性能。回填材料的导热系数不应低于钻孔外或沟槽外岩土体的导热系数,但根据文献[2]的规定,对于地质情况多为岩石的区域,回填材料导热系数可低于岩土体导热系数。选用导热系数较高的含有10%膨润土、90%SiO2沙子的混合物,其导热系数为2·08~2·42 W/(m·K)。 地埋管换热器夏季设计进出口水温37℃/32℃,冬季进出口水温-5℃/0℃,热泵机组提供给空调系统的设计水温夏季7/12℃,冬季60/55℃。根据文献[2]垂直式地埋管热交换器在9层或9层以下建筑中使用时可采用直接连接,无须设置热交换器。该工程最高楼为6层,采用直接连接即可。 竖直埋管换热器钻孔长度依据文献[2]计算得出:制冷工况下,竖直埋管换热器钻孔的长度单U形管23412m,双U形管19916m;供热工况下,竖直埋管换热器钻孔的长度单U形管20673m,双U形管17643m。 3·2·2 地埋管换热系统的布置方案 对比以上计算结果,按钻孔长度比较大的供冷工况选择埋管,埋管深度为100m,单、双U形管的钻孔数分别为235孔、200孔。虽然双U形管的热交换器比单U形管的热交换器需要更多的管道,但因为钻井而节省的费用完全可以补偿管道数量加倍导致的费用增加。由于可利用地表面积等因素的限制选用双U形管埋管换热器,见表2。 3·2·3 机组选型 根据《公共建筑节能设计标准》(GB 50189-2005)的要求,该设计共选用2台热泵机组:西亚特350A-HP2型地源热泵1台,制热量为1181kW,制冷量为1077kW;GHSP270型1台,制热量为266kW,制冷量为228kW。 3·2·4 热水供应系统 热水供应系统在机房设一热水箱,由热泵机组制出的热水储存在热水箱内,在用户端没有使用生活热水的时候,热泵机组和热水箱间小流量循环保证热水器内的水温和水量或设置辅助电加热器;当用户端使用生活热水时,热泵机组提供用户所需的热水到热水箱,热水箱内的热水直接提供给用户。夏季可以利用制冷产生的废热加热生活热水,降低能耗消耗量。热水器容积的选择依据文献[3],算得热水器容积为4·4m3。 3·2·5 系统运行方案 冬季疗养院的入住率不高,所以冬季热负荷较低。系统配有2台机组,能量调节范围在10%~100%之间,水泵安装有变频器,可根据负荷进行调节。夏季疗养院的入住率较高,供冷量峰值为997kW,其中797kW的热量通过地埋管换热器导入地下,200kW的热量用于制备生活热水,节约电能。过渡季无需制冷制热,只需提供生活热水,仅用GHSP270型热泵机组制备热水即可。系统运行方案见图1。 3·3 土壤源热泵空调系统各环节造价 3·3·1 投资费用估算 土壤源热泵系统的投资费用主要包括主要设备投资费用、地埋管换热器费用和管线等辅助设备费用。 主要设备投资费用根据每个工程情况不同略有差别,该工程主要设备详见表3。空调用热泵和生活热水热泵费用占主要设备投资费用中较大的比例,分别约占80%和11%,其它设备费用总和占主要设备投资费用的9%左右。可见热泵机组的选择是否合理对于系统初投资的影响很大。 地埋管换热器造价受工程所在地质条件、地埋管换热器的埋深和埋管数影响。该工程院内地下为板岩,所以钻孔的费用比较高,每m换热器的成本大约为80元,总共需要20000m的总埋深,所以地埋管换热器的成本费用为222·5万元,详见表2。管线等辅助设备费用主要由机房内其它附属设施、强弱电设施、机房安装和泵房土建及部分组成。其中最主要的是机房内安装费用,占到管线等辅助设备费用的40%左右。 3·3·2 土壤源热泵空调系统总造价 土壤源热泵空调系统总造价估算范围:从地埋管换热器到热泵站及其配套设施、泵站土建的勘察、设施、施工、安装、调试的直接和间接费(至泵站供热出口)。各部分占总造价的比例详见表4,可见地埋管换热器的费用占到总费用的46%,对于土壤源热泵系统的初投资费用起决定性的作用。设计人员在设计土壤源热泵的地埋管换热器时要经过反复的核算,在满足系统要求下综合考虑运行费用等因素,尽可能减少地埋管换热器的总长度。 4 经济性分析 4·1 土壤源热泵的初投资 各部分初投资费用如表5所示。 4·2 土壤源热泵运行费用计算 由前面的计算得出:年累计供冷量为1122MWh,年累计供热量为1031MWh;系统COP夏季为4·5,冬季为3·3;电价按0·795元/kWh计算;热水按每天运行2h计算,冬季共运行58d(除去1~3月份),过渡季节运行141d。费用概算见表6。 4·3 燃油锅炉+冷水机组初投资估算 改造前疗养院空调系统的燃油锅炉还可以使用,采用燃油锅炉+冷水机组方案只需增加冷水机组、冷却塔、机房水泵、管道、控制等设备即可(由于该疗养院在改造前有燃油锅炉,所以在本案例中燃油锅炉和冷水机组结合的空调方式的初投资会相对低一些),见表7。概算指标值参考文献[6]。 4·4 燃油锅炉+冷水机组运行费用计算 夏季冷水机组系统COP为3·5,电价按0·795元/kWh计算;柴油热值41868kJ/kg,价格为3元/kg;热水按每天运行2h计算,冬季共运行58d(除去1~3月份),过渡季节运行141d。费用概算见表8。 通过计算对比得出土壤源热泵系统的初投资比燃油锅炉+冷水机组系统高,但是土壤源热泵系统一年的运行费用可节省12·2万元,节省21%。采用土壤源热泵空调系统还可以兼顾生活热水供应,特别在制冷工况下可利用制冷产生的废热加热热水,不需要额外消耗能量。可大大降低供热的燃料消耗,节能的同时大大降低了燃烧矿物燃料而引起的CO2和其它污染物的排放。 该疗养院地处旅游风景区,环保要求很高。为了保护周边环境,禁止使用燃油、燃煤锅炉。由于本项目地处偏僻没有城市热网,附近海域又被养殖场所租用无法利用地下水和地表水水源热泵。经过以上的计算和综合分析可见采用土壤源热泵系统是解决该疗养院夏季供冷、冬季供热需求的节能环保的最佳方案。 5·结论和建议 根据对该工程所做的技术经济分析,推荐采用土壤源热泵作为系统的冷热源。利用土壤中蕴藏的热能和蓄热性能,冬季提取土壤中的热量用于制热,夏季将室内多余的热量排入大地,同时制备所需的生活热水,大大节省了能源,降低了空调系统的运行费用。但是由于该系统较大,地下换热器部分所需的埋管数量多、占地面积大,增加了整个系统的初投资费用。 该工程夏季的累计供冷量与冬季累计供热量基本平衡,所以不存在大多数地区需要靠辅助设备来调节峰值的问题。从设备初投资、系统形式简单和运行操作方便来考虑该工程都适宜使用土壤源热泵空调系统。目前,国内外应用地源热泵空调系统成功的例子已经很多,已经是一项比较成熟的节能环保技术,该项技术对于减少CO2排放量、改善环境质量有很大的意义。通过该工程的设计分析可见,不仅在新的项目中提倡采用土壤源热泵等可再生能源,对于已建的传统空调系统也应该在条件允许的情况下进行合理的改造。 [参考文献] [1]制冷空调工程师协会(美).地源热泵工程技术指南[M].徐伟,等译.第1版.北京:中国建筑工业出版社,2001. [2]谢汝镛.地源热泵系统的设计[J].现代空调,2001 (3):33~72. [3]中华人民共和国建设部.GB 50366-2005地源热泵系统工程技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2005. [4]王增长.建筑给水排水工程[M].4版.北京:中国建筑工业出版社,1998. [5]中华人民共和国建设部.GB 50189-2005公共建筑节能设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2005· [6]刁乃仁.地源热泵———建筑节能新技术[J].建筑热能通风空调,2004,23(3):18~23. |
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