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地源热泵在高速公路房建工程中应用的前期决策点击：1970 日期：[ 2014-04-26 21:53:44 ] |
| 地源热泵在高速公路房建工程中应用的前期决策 黄东波1,杨清2,张静2 (1.邯郸青红高速公路管理处，河北邯郸656003；2.安徽绿寰地能空调有限公司邯郸公司,河北邯郸656003) 【文章编号】1007-9467（2009）03-0066-05 【摘要】结合青红高速公路邯郸段一期附属房建工程使用地源热泵系统的设计施工实例，对区域水文地质条件相似的分散建筑物在没有进行地层热物性测试情况下的前期设计施工决策进行了分析总结，并对后期各工程设计施工调整、工程运行效果、运行费用等进行了统计和分析，适合在类似高速公路房建工程中推广应用。 【关键词】地源热泵；高速公路房建工程；应用；综合传热系数；埋管换热器 【中图分类号】TU833+.3【文献标志码】A 1·工程概况 青红高速公路鲁冀界至邯郸段全长91km，所在地区属冬冷夏热气候类型；沿线服务用房总建筑面积约33000m2，包括六处收费站、两座服务区和一个公路管理处。公路自东向西跨越华北平原南部的邯郸平原，区内地貌可分为山前冲积平原和冲湖积平原，全区含水层厚度较大，富水性较好，0m～100m内地下水平均温度冬季16.5℃,夏季18℃。地下水径流由于受人为因素的影响而变得比较复杂，总的径流方向是由西向东，在中部向东北，水力坡度逐渐变小，径流越来越缓。地形由西、南西微向北东向倾斜。海拔标高由68m逐渐向东过渡到40m。 此项目立项时计划使用锅炉供暖且施工图已设计完毕，建设初期公路管理处了解到土壤源热泵技术方面的一些特点，组织人员对该技术进行相关调研并在多方咨询相关专家后决定本项工程采用土壤源热泵技术解决沿线建筑冬季供热及夏季空调。由于土壤源热泵技术在国内起步较晚,虽然技术成熟，但有丰富工程经验的熟练设计施工单位太少。国内高速公路房建工程大规模运用也很少。为慎重起见，经建设方、设计方充分协商后决定采用热泵工程分步进行模式。先进行热泵设备招标寻求一家技术全面的承包商，然后根据工程实际选择一个工作点先期施工安装并进行实际运行考察效果、全面总结经验。最后根据试点效果、经验以决定是否全线应用土壤源热泵或优化剩余其它工程设计施工。 2·实验点选择 由于前期未进行各工作点地层热物性测试，没有准确的数据为设计室外埋管换热器提供依据，由工程承包方根据《地源热泵工程技术指南》、《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）利用各工作区0m～-100m地层结合工程承包方在相似水文地质区域施工经验计算出各工作区地层平均传热系数k值，利用计算得出的k值分别分析计算各工作区室外埋管换热器总量。考虑所计算各工作区地层传热系数k值与地层实际综合传热系数k‘值偏差会直接导致效果达不到预期或效果满足但工程成本过高，或过度控制工程成本致后期运行费用过高等，为确保所有工作点都能体现地源热泵高效、节能、环保特性，公路管理处决定由设计施工方结合沿线地下水文地质特性，选择位于路段中间位置的一个收费站作为试点先期施工安装并进行试运行，用于判断地源热泵在本公路沿线的可行性或以期获取经验参数向其它工作点推广。 3·实验点的试验工作 2006年12月在选定的实验点收费站先期土壤源热泵空调工程施工，2007年1月到2007年3月间试运行一个月，期间供暖效果很好，多角度满足了需求，亦体现出地源热泵技术的高效节能环保优势，为全线土壤源热泵空调工程全面铺开提供了基础，为管理处决策提供了依据，为后继工程施工及设计变更提供了大量资料。 3.1实验点相关信息 实验点总建筑面积约3300m2，均分为两栋三层建筑，经设计方多次计算确定建筑负荷为：冷负荷302.3 kW、热负荷191.8 kW，承包方根据当地水文地质、地层结构情况设计室外换热埋管总量为88个×100m，采用高密度聚乙烯（HDPE）单U型埋管、水平集管采用整体同程局部非同程布置方式实现冷热源采集。 机房系统选用热泵空调机组DNBLSR—300（名义制冷量311kW、制热量327kW）一台，空调水循环泵2台（11kW，一用一备），地源水循环泵两台（11kW，一用一备），空调水系统、地源水系统各选用定压装置一套，共用软化水箱及软化水设备1套；室内末端采用卧式暗装风机盘管实现室内散冷（热）。 2007年1月31日开始空调系统联动试运行。计划试运行一个月，以期考察空调机组选型是否合适、设计室外换热埋管换热能力是否满足实际需求、室外地层释热能力及衰减速度地层换热恢复能力、系统配置能否满足室内空调及供暖需要、该系统不同运行状态下的费用及费用分布等，为后继工程施工提供决策依据。 试运行期间建筑物为未完工工程，所有房间没安装门、30%以上窗户没有安装仅用塑料膜简单封堵、所有已安装窗户窗体边框没有密封、房间内无任何其他发热体和家具及人员活动等，建筑物大门用木版简单封堵。 3.2系统联动试运行安排 考虑到当时环境温度条件、为更多获取有效数据等因素，计划分三个阶段运行： 第一阶段1月31日至2月9日，系统最大负荷全天候运转； 第二阶段2月10日至2月19日，部分负荷部分时段连续运行，（设定8：00～20：00运行，其他时段停止）； 第三阶段2月20日至2月28日，部分负荷部分时段随机运行，日合计运行时间与第二阶段相同。 通过为期一个月的试运行，期望在第一阶段考察系统全天候运转状态工况下地埋系统换热衰减速度，室内负荷满足情况以及最大负荷工况下运行费用分布；第二阶段考察机组部分负荷分段运行工况下地埋系统换热恢复能力，分阶段工作的换热衰减速度及该工况下的费用分布；第三阶段考察机组随机运行工况下地埋系统换热恢复能力，部分时段工作的换热衰减速度。通过一个月运行考察系统满足冬季供暖能力、室外换热埋管换热器供给能力及温度衰减、系统运行费用及分布。 3.3系统联动试运行期间相关数据分析 3.3.1试运行期间环境气温变化曲线 试运行期间环境温度场变化见图1。 从图1可以看出，第一个运行阶段平均环境温一般在1℃～2℃，比最冷月平均气温高出1℃左右。设定热泵机组出水温度45℃，上卸载温差2℃（系统热水供水稳定在43℃～47℃之间）情况下系统不间断运行，室内温度在保温较好房间能达到26℃左右，边缘及部分保温稍差房间能逐渐上升到23℃左右，局部封闭差的房间可达到20℃左右。机组除启动初期在高负荷运行状态比例较大（超过机组负载75%的运行时间总计）外，超过50%以上时段均维持在低负荷运行状态。说明连续运行状态下所选机组制热能力完全可以满足此环境温度条件下的供暖需要。第二个运行阶段设定机组出水温度42℃，上卸载温差2℃（系统热水供水稳定在40℃～44℃之间），开机过程中室温均能维持在20℃以上，机组运行在高负荷状态时段不超过60%（由于环境温度有所上升及室内墙体空气等已被第一阶段“加热”）。第三个运行阶段，在分段开启情况下开机过程中室温均能维持在20℃以上，停机阶段室温均能维持在16℃以上，开机阶段机组维持在高负荷状态时段基本不超过50%。 3.3.2试运行期间室外地埋换热器进出水温度分布试运行期间地埋换热器进出水温度分布见图2。 从为期一个月的运行纪录数据而言，工作区地层原始平均温度在16℃以上，开启机组时地下系统水进机组温度为15.7℃、出水温度为12.5℃，经过2h左右的快速释放热量逐渐稳定在11.5℃/11.5℃，连续运行10天基本稳定在10.7℃/8.3℃间；通过第二阶段、第三阶段运行可见，当停机12h后其温度能快速恢复到13℃以上、停机8h后其温度能快速恢复到12℃以上和停机4h后其温度能快速恢复到11℃以上；由此基本可以推断当冬季供暖季节连续运行时地下系统机组进水温度基本可以维持在机组安全运行要求的温度范围内。 3.4系统运行电耗分布及运行费用分析 3.4.1试运行期间空调系统运行电量统计（见表1） 从表1可见：系统试运行一个月耗电20 300kW·h，其中空调机组电耗13 800 kW·h、两泵耗电4 400 kW·h，室内末端系统耗电2 100 kW·h，系统中泵耗接近系统总电耗1/5，是机房设备电耗1/4，符合GB/T 50366-2005及GB/T 19409-2003相关要求。 3.4.2运行费用分析 系统进入实际使用阶段后，室内建设已经全部完毕，保温条件会有极大改善，系统一般会运行在第二或第三试验阶段状态下运行，按当前配置计算运行费用见表2。 3.5室外换热器系统配置 室外换热器是土壤源热泵系统中最为关键的一个环节。在系统“可以运行”的前提下换热器埋设量直接关系系统运行效果、运行能耗大小等，换热器埋设量选择不能简单地说“多、少、合适”，只要系统运行稳定后冬季地下循环水温不导致机组蒸发温度过低和夏季地下循环水温不导致机组冷凝温度过高即可以满足运行需要。考察室外换热器埋设量是否适中关键需要把初期投资与运行电耗量进行技术经济对比分析，寻求两者的最佳结合点。经过一个月的试运行，地下系统水进出机组温度基本稳定在10.3℃/8.2℃间，如果减小地下水循环泵增大供回水温差其回水温度冬季也可以控制在4.5℃以上，系统基本可以在安全运用应的范围内。 结合机组性能与试运行数据，考虑夏季地层原始平均温度、夏季换热可利用温差及夏季负荷特性，夏季系统工作时地埋系统循环水温度基本不会超过GB/T50366-2005建议的上限38℃。 4·热泵系统连续运用可行性预测 4.1冬季使用可行性预测 从试运行数据可见，在三种不同使用工况下机组满负荷运行时段均在小于50%，可以得出在试运行环境温度条件下满足室内热负荷需求仅需要机组50%的制热能力即可，即便最冷月机组也完全可以满足系统供暖需求。 从连续运行一个月期间室外换热埋管换热器供给能力、埋管内水体温度衰减及恢复速度、系统运行费用及分布等方面分析，本区冬季四个半月供暖需求情况下室外地埋换热器量在满足建设方期望运行费用范围内正常工作。4.2夏季使用可行性预测本地区建筑夏季冷负荷在办公区一般为冬季热负荷的2倍左右，夏季平均冷负荷与机组制冷输入功率组成夏季系统排热负荷，夏季制冷系统排热总量(三个月空调期)在本地区一般是系统冬季供暖总吸热量(4个月供暖期)的1.5倍左右。 从试运行数据可以看出本分项工程冬季运行一个月后其地埋换热期进出水平均温度在9.3℃左右，与冬季地层原始平均温度16℃相差约7℃，即在实验点水文地质条件下冬季供暖过程室外地埋换热器水体利用与地层7℃温差的换热量已够本建筑物供暖需要。夏季地埋换热器区域地层平均温度18℃，在夏季空调季节地埋换热器水体平均温度不大于36℃前提下换热器换热可利用温差可接近18℃，其换热能力完全可满足空调过程最大排热需要，所设计安装热泵空调系统可以满足建筑物夏季空调需要。 以上结论已由设计方、施工方根据所的数据进行了相关定量计算和半定量分析，所得结论在后继工程中均得到验证，在此不作详细叙述。 5·使用地源热泵系统能耗预测 根据供暖期环境温度变化，建筑物热负荷也在动态变化，所以系统运行费用也是随环境冷暖变化而变化的。 从试运行电耗统计可见，试运行期间空调系统总电耗应该在15000kW·h左右（按二月份试运行的第三阶段分析），一般供暖季节最大负荷出现在元月（经验值为二月份1.3倍～1.7倍，为方便计算取1.5），12月与2月份相当、3月与11月相当（为1月的一半），用本月试验数据估算出整个供暖季节系统电耗约为60000kW·h左右；夏季电耗一般维持在冬季电耗的2/3左右，既约为40000kW·h，即按试运行状态使用全年空调系统电耗约为100 000 kW·h左右（按冬季供暖120d，夏季制冷90d估算）。见表3。 以上估算为冬季供暖、夏季制冷全部建筑在一般运行管理条件情况下的估算结果，如果加强运行使用管理，考虑使用时段、有效使用率、室内空调舒适温度等，热泵系统总能耗还有下降的空间。实际上一个地源热泵系统的采暖（空调）总能耗不仅取决于单位供热（制冷）面积采暖（空调）的能耗指标还取决于采暖（空调）系统的运行时间长短（如夏季窗式空调虽然EER低但总耗电量一般不大），由于热泵空调机组可以根据需求侧负荷需要在10%-100%区间自动调节输出输入，在满足室内温度需要的前提下尽量合适设定热泵空调机组的出水温度以调节热泵机组负载状态实现系统节约是可行的，所以冬季可以控制电耗在估算量80%以下、夏季可以控制在估算量70%以下，既在满足舒适使用前提下通过加强管理可以把全年运行电耗降到80,000 kW·h以下。 全年系统使用费包含操作值班人员工资、系统维护费用，不包括设备折旧费。 6·结论 通过本工程的施工及试运行总结基本可以得出以下几点结论，在下一步施工过程中加以纠正不但可以节约投资，还可以在保证使用效果前提下进一步增进系统运行安全并能进一步降低系统运行能耗。 6.1系统配置 1）校核原设计泵类参数，参照制冷、制热不同使用功能（如服务区与收费站的使用条件差异），调整系统泵类配置（如收费站面积相近的服务区，其地源侧可以适当加大供回水温差，通过进一步减小泵类流量而减小其功率），以减少系统运行电耗； 2）由于地源水系统为闭式系统，定压补水可使用位于机房内的高位水箱，即可减少用囊式定压装置的投资，又可增加地埋管系统的运行安全。 3）从室外埋管换热器试运行期间温度变化看，本工程室外系统换热量基本可以，在后继工程中，部分地质条件较好、室内负荷不连续的工程（服务区）可以适量减少换热埋管数量，进一步节约初投资。 6.2节能使用 1）根据室内空调负荷需求变化分时段使用，安排系统多在电价谷段运行，少在峰段运行； 2）加强运行管理，以舒适为目的，杜绝浪费； 3）设置机组使工作在最佳工况状态下工作，根据环境温度及室内舒适需求及时调节修正机组出水温度使在最佳最节能工作状态； 4）基于室内需求负荷的不稳定，采用泵类变频技术实时调节泵与热泵机组负荷状态使与室内需求负荷一致，可以实现进一步节能。 使用实验点获得运行数据经验，沿线房建土壤源热泵空调工程于2007年2月下旬全面开始施工，2007年6月全面竣工并投入使用。全面施工期间曾经进行多次局部设计调整，为节约投资、节约运行管理费用、改善运行效果奠定了基础。2007年6月空调工程全面竣工后，为考察土壤源热泵空调系统节能性，管理处与施工方在公路管理处、三个收费站、两个服务区安装空调计量装置，用以分析该空调系统节能性，通过近两年的运行考察，各处室内空调效果良好，系统运行费用适中。 【参考文献】 【1】ASHRAE著.地源热泵工程技术指南[M].徐伟，等译．北京：中国工业出版社，2001. 【2】GB 50366-2005地源热泵系统工程技术规范[S]. 【3】刁乃仁,方肇洪.地埋管地源热泵技术[M].北京：高等教育出版社，2006. 【4】方肇洪,刁乃仁.地热换热器的传热分析[J].建筑热能通风空调，2004，23.（1）：11-20. 黄东波（1976～），男，河北邯郸人，工程师，从事公路工程项目管理与设计，（电子信箱）hlirui@sina.com。 |
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