宁波市某宾馆混合式地源热泵系统设计
摘要分析了地埋管换热器的设计要素。综合考虑当地地质条件、地源热泵的优势以及冷热负荷的特点,设计了混合式地源热泵系统。采用地埋管换热器满足热负荷、辅助冷却装置补偿冷负荷的方案。热水系统采用闭式储水罐加地源热泵机组,与空调系统的地埋管换热器相间布置,夏季运行时形成了良好的互补性,解决了冬夏季土壤的热平衡问题,提高了机组的运行效率。
关键词混合式地源热泵系统地埋管换热器控制系统辅助冷却装置施工工艺
地源热泵( GSHP) 以土壤作为热泵机组的热源/ 汇。已有研究表明:5 m 以下的地下土壤温度基本不随外界环境及季节的变化而改变,约等于当地年平均气温,土壤具有较好的蓄能特性、温度相对于室外气温具有延迟和衰减性等诸多优势,因此土壤是一种理想的热源/ 汇。地源热泵作为一种节能环保型空调装置,现已被各国政府确立为值得大力推广应用的新型空调技术。
1 工程概况
某宾馆位于宁波市鄞州区, 总建筑面积为12323m2 ,地上8层,建筑总高度31.5 m。地下室作为机房,建筑面积1172m2 。主楼1 层大厅为大会堂,其他为客房、办公室,裙楼为餐厅等辅助用房。经计算,空调冷负荷为1140kW ,供暖热负荷为750kW ,日常生活热水负荷为800kW。
2 混合式地源热泵设计方案的确定
着眼于节能与环保的大趋势,结合业主的要求及现场具体情况,本工程采用混合式地源热泵系统( HGSHPS) + 热水储能装置的设计方案,总体设计思路如下。根据地质勘察资料,该宾馆所在地地下79. 10m 以上的地层为粉质黏土、黏土和砂砾堆积层。采用土壤作为系统的热源/ 汇,工程造价可以控制在相对较低的水平;对深层土壤(测试井深70 m)的导热系数进行了测试, 测得土壤导热系数为1. 266 W/ (m ·K) ,导热性能良好,适合于作热泵系统的热源/ 汇。综合考虑土壤源热泵的诸多优势及工程项目所在地的地质特点,决定采用土壤作为该宾馆空调系统的热源/ 汇。
空调冷负荷(1 140 kW) 比供暖热负荷(750kW) 大,地埋管的设计以满足供暖负荷为主,夏季则以辅助冷却装置满足排热要求。辅助冷却装置作为补偿的混合式地源热泵系统在国外已得到广泛的应用,尤其适用于空调降温为主(冷负荷大于热负荷) 的我国南方地区及大型公用建筑。采用该系统可以实现两个目标:一是可以减小地埋管的设计长度,从而大大节省整个系统的初投资(地埋管与钻孔费用) ;二是可以避免因夏、冬季节土壤负荷不平衡(夏季向土壤中的排热大于冬季的吸热) 而导致的埋管区域长期运行后土壤温度逐年升高、热泵进口温度上升而导致热泵性能日益恶化,从而提高机组运行效率,达到节能的目的。采用一个独立的热泵机组系统提供生活热水,热水管网采用闭式热水供水方式,热水循环动力由热水循环泵提供。由于热水供应具有间歇性的特点,采用闭式储水罐加地源热泵机组的设计方案,以减小热泵机组的容量及相应地埋管的长度。
3 混合式地源热泵系统设计
混合式地源热泵系统设计主要包括热泵机组的选择,地埋管换热器的设计,生活热水系统、辅助冷却系统及机房控制系统设计,机组的备用与切换设计。混合式地源热泵机房原理图见图1 (其中1 ,2 ,3 ,13 代表分集水器) ,不同工况下的工艺流程及阀门切换见图2～4 。图1 中分集水器、热泵机组上的阀门从左至右依次为1 ,2 ,3 ,4 ,例如:图2～4中,132221 即分集水器1322 上左起第1 个阀门。流程中除框图列出的阀门,分集水器、热泵机组上其余阀门均关闭。
3. 1 热泵机组选择
根据空调系统设计热负荷、设计冷负荷及热水设计热负荷(热水系统小时热水用量变化较大,因此热水设计热负荷采用小时设计热负荷) ,确定选用3 台热泵机组,其主要参数见表1 。1 号机组依据空调系统设计热负荷选取,冬夏两用,供暖时仅此台机组运行。2 号机组按照空调系统冷负荷选取,1 号机组与2 号机组共同负担设计冷负荷。3号机组根据热水热负荷选取。
3. 2 地埋管换热器的设计
地埋管换热器是地源热泵系统设计的核心内容,主要包括埋管形式、管材、管径、管长、竖井数目及间距的确定。其设计好坏决定整个系统的运行效果及系统的初投资。
根据工程设计冷、热负荷及现场勘测井地质资料,采用当前国际上最流行的单U 形管竖直埋管换热器,管路连接采用并联同程式,并选用防腐性能好且价格较低的高密度聚乙烯( PE) 管作为U形管换热器的管材。埋管的常用规格有D25 ,D32 ,D40 ,D50 ,U 形管换热器应选用管径较小的
管道,以减小钻孔直径,降低工程造价;同时,小管径管壁较薄,管壁热阻小。但D25 管适用的钻孔深度不超过60 m ,所以本设计采用D32 的PE 管。
本设计地埋管换热器的埋管长度及布置方式依据空调设计热负荷以及热水设计热负荷确定。依据空调设计热负荷以及热水设计热负荷确定。而地埋管长度的确定涉及负荷、管路系统布置、管材与管径、土壤的热工资料(地下温度、导热系数、热扩散率) 及气象参数等,是一个复杂的计算过程。目前,在工程设计时为了避免烦琐的计算,一般均采用简化计算方法。但考虑到设计的可靠性,本设计方案首先按简化法进行初步计
算,然后再采用国际上常用的、由国际地源热泵协会( IGSHPA) 提供的计算模型来进行详细计算。
3. 2. 1 工程简化计算方法
1) 确定地埋管换热器与土壤的换热量
冬季吸热量Qh = Q1( 1 - 1/CO Ph) (1)
夏季排热量Qs = Q0 (1 + 1/CO Po) (2)
式(1) , (2) 中Q0 ,Q1 分别为热泵机组的设计冷负荷和设计热负荷,kW; CO Po , CO Ph 分别为热泵机组的制冷、制热性能系数。本工程Q1 取生活热水负荷与供热负荷之和,并根据所选机组的性能系数,计算得出埋管冬季从土壤中的取热量为1 020 kW。
(2) 确定地埋管换热器长度Lh =Qh*ql
(3)式中ql 为单位管长换热量,W/ m ,根据国内外经验,竖直U 形埋管的ql 一般取为35～55 W/ m ,参考华东地区(如上海) 的一些实际工程经验及同济大学的实验测试值,ql 取为40 W/ m。则本工程所需的埋管长度为25 500 m。
3. 2. 2 IGSHPA 设计方法
IGSHPA 模型给出的U 形管地埋管换热器的长度计算方程如下:
冬季制热工况时L H =CA PH(CO PH - 1/CO PH)( RP + RS FH )/tL - tMIN (4)夏季制冷工况时LC =CA PC(CO PC + 1/CO PC)( RP + RS FC)/tMAX - tH (5)
式(4) , (5) 中L H 为满足供暖热负荷所需U 形管换热器长度; CA PH 为热泵处于最低进口流体温度tMIN时的供热量,W; CO PH 为热泵处最低进口流体温度tMIN时的供热性能系数; FH 和FC 均为运转系数; tL 为土壤的年最低温度,竖直U 形埋管取土壤全年温度的平均值, ℃;LC 为夏季工况下全部通过地埋管换热器排放热量所需U 形管换热器的设计长度,m ; CA PC 为热泵处于最高出口流体温度tMAX时的制冷量,W; CO PC 为热泵处于最高出口流体温度tMAX时的制冷性能系数; RP 和RS 分别为埋管热阻和土壤热阻,m ·℃/ W; tMAX , tMIN 分别为热泵机组的流体最高出口温度与最低进口温度, ℃,参考ASHRAE 标准, tMIN ≥ta ,min + ( 16 ～ 22) ℃,ta ,min为给定地区室外最低气温, ; tH 为土壤的年最高温度, ℃; 。
CA PH ,CA PC ,CO PH ,CO PC 均由机组实测数据确定。土壤特性参数由业主提供的土壤测试报告及查阅相关资料得到。相关的计算参数见表2 ,3 ,将具体的参数代入式(4) 可计算得到所需埋管的总长度为L H = 26 074 m。
根据现场勘测井地质资料,并考虑到钻孔的难易程度、施工费用以及可用于布置地埋管换热器的场地面积,将孔洞深度确定为71 m ,钻孔直径为110 mm ,钻孔内U形管换热器底部距井底1. 0 m ,U 形管换热器长度140 m。由此可确定U 形管换热器总数(即钻孔总数) n = L H / 140 = 186个,计算结果与工程简化计算结果基本一致,进一步证明本设计计算结果的可靠性。其中,用于空调系统的1号机组所需U形管换热器数量为111 个;用于制备热水的3 号机组所需U 形管换热器数量为75个。为避免管井间的热干扰,将钻孔及U 形管换热器的间距确定为4. 5 m。根据现场情况,拟将地埋管换热器布置在宾馆西侧生态停车场、花坛的地下。
3. 3 热水系统
本设计采用了带有闭式储水罐的热水系统,生产热水的3 号机组的启停由储水罐内热水的温度来控制,实现了机组的间歇运行,有利于地埋管换热器周围土壤温度场的恢复,提高了机组的运行效率。热水供水温度52 ℃,回水温度40 ℃,热水管网采用闭式立管循环方式,循环动力由循环泵提供,使热水干管和热水立管内均保持热水循环。闭式储水罐(容积8 m3 ,工作压力0. 6 MPa ) 能储存一定的热水量,保证用水高峰时热水的需求。
3. 4 辅助冷却系统
采用冷却塔作为主要的辅助冷却设备,同时利用喷泉作为补充冷却设备。在夏季制冷时,由于地表水的温度总是低于室外空气温度,可用作热泵机组的冷却水,但由于地表水温度较高,使得热泵机组难以达到较高的能效比,故本设计中喷泉只是作为一个补充冷却设备。根据美国制冷学会ARI320 标准,开式系统水源热泵对水温的要求是5～38 ℃,在水温10～22 ℃之间运行时能效比较高[12 ] 。本设计为使热泵机组具有较高的能效比,只在5 月、6 月上旬和9 月采用喷泉水作为冷却水,冷却水侧流量根据放热负荷的大小,按照5 ℃温差设计。此时地表水温不高于25 ℃,利用喷泉水可以使机组冷凝器达到较好的冷却效果。而在6 月中下旬和7 月、8 月,地表水温过高使得热泵机组效率偏低,则关闭通向喷泉水的管路,开启冷却塔。
对于混合地源热泵系统而言,冷却塔容量的精确计算是一个极其复杂的过程,它不仅与建筑的负荷特性有关,而且还与冷却塔的控制策略与开启时间紧密相连。根据ASHRAE 提供的工程简化设计计算方法,即首先按夏季与冬季的负荷分别计算出所需的埋管长度,然后按下式即可算得冷却塔的
冷却能力Qc = Qs(LC - L H/LC) (6)
由式(2) , (5) 可知Qs = 1 425 kW ,LC = 36 426m ,代入式( 6) 可得冷却塔的冷却能力为( 考虑5 %～10 %裕量) Qc = 450 kW。
3. 5 机房控制系统
机房自控系统采用APOGEE 系统。冷热源机房配置1 台MBC40 控制器、点扩展模块监视热泵机组等设备,设置1 台MEC 控制器及点扩展模块监控冷却水塔、热水泵、冷水泵、冷却水泵的运行。
本设计方案采用DDC 控制器方式采集热泵机组、水泵、热水循环泵的各种参数。根据设计要求,采用网关方式采集制冷机组的各种参数,在制冷机组的控制中,它可将机组的内部运行状态、过热报警、防冻报警及机组的内部温度显示在中央站上。采集到机组内部的参数,做到真正意义上的群控,使操作员更方便、直接地联系冷热源系统。同时采用DDC 直接采集冷水/ 热水及喷泉水供/ 回水总管的温度、流量的参数,监测热水的供/ 回水管的温度、流量,监测冷水旁通的压差,控制调节旁通阀开度。监测和控制电磁阀的状态,实现制冷和制热切换。
3. 6 机组的备用与切换(见图2～4)
本设计方案充分考虑了机组的备用,可以通过运行工况的调整,使各台机组在全年运行过程中有足够的时间进行维护和保养。夏季室外气温较高时,系统满负荷运行,3 台机组全部投入运行,1 号机组和2 号机组向空调房间提供冷量,3 号机组生产热水。当夏季室外气温不是很高,系统部分负荷运行时,可以将1 号机组和2 号机组相互切换运行,使其中1 台机组处于维护和保养状态。冬季正常工况, 1 号机组与3 号机组运行,分别向空调房间提供热量以及热水,2 号机组停运。
4 土壤的热平衡
本工程采用的混合式地源热泵系统,克服了单纯的地源热泵向土壤排放热量和提取热量不平衡而产生的夏季地埋管换热器出口水温升高、热泵性能降低,从而降低系统效率甚至影响系统运行的问题。冬季混合式地源热泵系统的冷却塔不运行,其工作原理与单纯的地源热泵相同,土壤作为热泵机组的低温热源,通过地埋管获取土壤中热量为建筑物供热;夏季热泵与冷却塔共同承担系统的冷负荷。冷却塔配合2 号机组使用,冷却塔和机组的启停主要由地埋管换热器的进出口水温来控制,当进出口水温超过设定的最高值时,冷却塔和机组开始运行,以满足整个系统的冷负荷要求;当地埋管换热器的进出口水温降到设定的最低值时,冷却塔和机组停止运行。这样整个热泵系统从长期运行来看,冬季从土壤中取出的热量与夏季排放到土壤中的热量基本平衡,解决了单纯地源热泵由于系统的负荷不平衡而影响整体效率的问题。
在地埋管换热器的布置上,考虑到热水系统地埋管从地下土壤中取热,没有热量相应补充,从而热泵机组的制热效率会逐年降低;而空调系统夏季又要向土壤中放热,笔者将热水系统的地埋管与空调系统的地埋管相间布置,且在两套管路系统上设置旁通阀以便相互切换,这样在夏季运行时可以形成良好的互补性,即夏季空调向土壤中排热时,热水系统埋管正好从土壤中吸热,大大提高了热水系统的运行性能,同时空调系统地埋管周围土壤温度的降低(其排热量的一部分被热水系统的埋管取走) 也可提高空调系统的制冷效率。当夏季热水系统地埋管换热器的出水温度低于设定的最低值时,说明地埋管换热器周围土壤温度过低,这时,将3号机组与1 号机组的地埋管换热器切换(见图4) ,1 号机组通过3 号机组的地埋管换热器向土壤中排热,而3 号机组通过1 号机组的地埋管换热器从土壤中吸热,由于1 号机组地埋管换热器周围土壤温度相对较高,这样可大大提高热水系统的运行效率,同时3 号机组地埋管换热器周围土壤温度相对较低,亦可提高空调系统的制冷效率。
5 地埋管的施工工艺
地埋管的施工工艺主要包括钻孔、下管、回灌及管道连接。其施工示意图见图5 。
5. 1 钻孔是竖直地埋管换热器施工中最重要的工序。孔径以略大于U 形管与灌浆管组件的尺寸为宜,钻机的钻头直径一般在100～150 mm 之间,本工程钻孔直径为110 mm ,钻孔深度为71 m。
5. 2 下管也是施工工艺的关键工序之一,下管的深度决定了集热量的多少。下管前应将U 形管与灌浆管捆绑在一起,并将管子端头包扎好,以免杂质落入U 形管。钻孔完毕后孔洞内会有大量积水,将对下管造成一定的困难;而且水中含有大量的泥砂,泥砂沉积也会减小孔洞的有效深度。为此,每钻完一个孔后应及时下管,并采取防止上浮的固定措施。在施工过程中,应注意保持套管的内外管同轴度和U 形管进出水管的距离。可采用专用的弹簧把U 形管的两个支管撑开,以减小两支管间的热量回流。
5. 3 灌浆封井也称回填工序。在回填之前应对埋
管进行试压,确认管路无泄漏后方可进行回填。为了使地埋管换热器具有更好的传热性能,采用钻孔过程中产生的泥浆沉淀物作为回填材料,也可以采用黏土与细砂按1 ∶2 配比的土砂混合物,回填材料中不得含有大粒径的颗粒。回填时回填材料通过灌浆管进入空洞底部以填充其空隙,并根据灌浆速度将灌浆管逐步抽出,使混合浆自下而上回灌封井,确保回灌密实无空腔,以减小传热热阻。当上返泥浆密度与灌注材料的密度相同时,回填过程结束。
5. 4 管道连接有焊接、承插和活接头三种方法。
U形管换热器应尽量利用单根管制成一个埋管单元,以减少连接管件。对于聚乙烯( PE) 管段和管件之间的连接采用专用设备进行热熔焊接。对于埋深不大或场地允许时,应在地面把管道连接好,然后利用钻塔进行下管。
6 结语
根据工程建筑负荷特点和当地的地质资料,本工程采用了混合式地源热泵系统,并较好地满足了设计要求,将热水系统的地埋管换热器与建筑物空调系统的地埋管换热器相间布置,两套管路系统可相互切换,在夏季运行时形成了良好的互补,提高了整个系统的能效比、性能系数和运行的可靠性,使系统真正达到了节能与环保的运行效果。混合式地源热泵系统能有效地降低工程造价、减小土壤换热器的面积,保持土壤的热平衡,在冷热负荷相差较大的大中型工程中有着广阔的推广应用前景。
青岛理工大学张义林☆ 周恩泽崔红社董华
