浅谈地源热泵、水蓄冷系统工程应用实例

浅谈地源热泵、水蓄冷系统工程应用实例

【摘 要】 本文结合工程实例介绍节能环保型空调技术在工程中的应用，并浅析地源热泵、水蓄冷空调系统的节能、环保原理。 

　　【关键词】 节能；环保；空调系统；地源热泵；水蓄冷 
　
　　随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，人们对生活及工作环境的要求也在不断提高。现如今空调技术已成为现代化建筑*的元素，又因当今人类面临能源短缺、环境污染两大难题，因此选用节能环保的空调系统尤为重要，其将带来一定的社会效益与经济效益。本文结合具体工程实例，简单介绍地源热泵、水蓄冷节能环保型空调系统在工程中的应用。 
　　1 项目简介 
　　某工程总建筑面积48128m2，其中地下一层，地上七层，夏季空调总冷负荷为5015KW，冬季总热负荷为3042KW。该工程馆藏数量100万卷以上属于档案馆，其空调系统按一类省级档案馆标准进行设计。 
　　该工程积极响应国家关于节能减排政策的号召采用可再生、环保的地球浅层地热能资源作为空调系统的冷热源。通过地源热泵冷热水机组、螺杆式冷水机组加冷却塔及水蓄冷系统实现供热与制冷的目的。 
　　2 空调系统 
　　2.1 地源热泵。地源热泵是一种利用浅层地热能源的既可供热又可制冷的节能系统，其通过输入少量的高品位能来实现由低品位热能向高品位能的转移。因地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，相当于人类每年利用能量的500多倍，且其不受地域、资源限制，通过利用这种储存于地表浅层近乎无限的地热能使得地源热泵成为一种可再生能源利用技术。 
　　根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。本工程选用了地埋管地源热泵系统，为防止地源热泵长年运行导致土壤得失热量失衡，从而影响地源热泵使用效率，该工程以冬季热负荷作为地埋管设计依据，夏季多余热量通过冷却塔散去。同时根据《江苏省档案馆迁建工程土壤源热泵热效应测试报告》、工程现场条件及工程成本江苏省档案馆地埋管采用钻孔埋管与桩基埋管相结合的复合系统，共设地埋管793组：其中钻孔埋管510组，埋管有效深度58m，桩基埋管283组，利用桩基深度为60m。 
　　因地球浅层土壤温度全年相对稳定，所以地源热泵机组运行稳定、可靠，整个系统的维修费用也相对较少。同时夏季土壤温度比环境空气温度低，冬季土壤温度比环境空气温度高，使得地源热泵机组制冷剂夏季冷凝温度相对较低、冬季蒸发温度相对较高，从而使得机组运行、节能，运行成本低。地源热泵近年来之所以发展如此迅猛，除受国家、地方相关政策的推动外，主要还得归功于其可再生、节能、运行成本及维修费用低的特性。地埋管地源热泵空调系统与常规中央空调系统相比在运行费用方面存在明显优势，然而初投资费用高成了其普及路上的绊脚石。地埋管地源热泵空调系统初投资高主要原因有：①现场勘查不详细可能导致设计时预留量过大，从而引起初投资增加。现场勘查在地源热泵系统设计施工中是重要的一个的环节，现场勘查的结果是判断地源热泵系统的经济性的主要依据，同时现场勘查的仔细与否是影响地源热泵系统初投资的主要原因之一。现场勘查主要两方面的含义，一是现场状况的调查，二是地质勘查。地质勘查的主要目的是确定地下换热器每延米的换热量以及地源孔施工的难易程度，从而确定地下换热器的大小、地源热泵系统室外埋管部分的施工工艺及预期工期。如果现场情况调查不清楚，就可能会给设计以及将来施工带来困难，以往实验表明，地下换热器单位孔深的换热量为40～70W/M，范围较大，为规避风险，一般设计会根据经验取不利工况设计，地下换热器总长度设计过大，由此引起的材料费和安装费用较高，导致地源热泵系统初投资将明显高于其它空调系统。②施工管理不严格导致初投资过高，因为地下换热器与土壤之间的换热主要依靠地埋管和土壤之间的导热，因此地源热泵室外地埋管施工工艺和施工管理质量直接影响地下换热器的运行性能，然而往往施工过程中未严格按照施工工艺进行，导致地埋管成孔率低。③钻孔成本相对较高。 
　　本工程在地源热泵系统初投资控制方面采取下列措施：①全面的现场勘查，并依据江苏省绿色建筑工程技术研究中心的关于《江苏省档案馆迁建工程土壤源热泵热响应测试报告》及其补充说明进行设计。②现场施工严格按照《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005及地源热泵设计说明进行管理，确保地埋管成孔率，从而达到减少初投资成本的目的；同时因地埋管较为隐蔽，在后道工序施工及交叉作业时极易造成地埋管损坏，所以个人认为施工过程中加强协调管理、作好地埋管路由及埋深标记、成品保护对降低初投资的作用也不容小视。③地埋管采用双U型（使得在同样工程条件下，比单U型换热性能提高15～30%）以及采用桩基埋管与钻孔埋管相结合的系统，从而减少钻孔成本。 
　　2.2 水蓄冷。本工程夏季冷负荷远大于冬季热负荷，而其又以冬季热负荷作为地埋管的设计依据，因此仅靠地源热泵系统势必造成夏季供冷不足，在此背景之下该工程另选一台螺杆式冷水机组（配一台冷却塔）并结合水蓄冷系统以弥补夏季冷量的不足。 
　　水蓄冷技术是在电力负荷较低的夜间，通过运行冷水机组将冷量以冷水的形式储存起来，而在电力高峰期的白天，不开或少开冷水机组，充分利用夜间储存的冷量进行供冷，从而使得冷水机组避峰运行。而往往电力部门实施分时电价，采用蓄冷空调技术并不一定节省电量，但通过电价差可为业主节省运行费用，更重要的是有利于国家电网的安全运行。因此国家将其列为一种节能、环保的技术来大力推广。 
　　选用水蓄冷系统不仅可以减少前期投资费用，还可以节约运行成本同时净化环境。首先水蓄冷系统可以利用已选机组进行蓄冷，另选一台板式换热器进行释冷，而板式换热器成本相对较低，因此减少了设备投资费用；其次水蓄冷系统可利用电网的峰谷电价差，在使主机避峰运行的同时，具有运行可靠、维修费用少、管理简单等特性，另外其社会效益显著符合国家产业政策发展方向，通过运用水蓄冷系统可以平衡电网负荷，减少电厂投资，净化环境。 
　　本工程水蓄冷系统以消防水池作为蓄冷水池（有效容积≥1150m3），总蓄冷量为10700KWH。夜间开启螺杆式冷水机组配合冷却塔或地源热泵机组，机组内制冷剂在压缩机作用下变为高温、高压气态；之后进入冷凝器，在冷却水或地下室的作用下形成高压液态制冷剂；从冷凝器出来的高压液态制冷剂经膨胀阀节流降压后进入蒸发器；在蒸发器内低压液态制冷剂吸收消防水池内水的热量而汽化；汽化后的制冷剂又重新被压缩机吸入压缩，如此周而复始的循环，从而制取3～7℃的低温水以达到蓄冷的目的。白天消防水池内的低温水在循环水泵作用下通过板式换热器换热制取7℃的冷冻水，而后冷冻水在循环水泵的作用下通过末端设备与房间进行换热从而实现制冷的目的。（板式换热器冷侧进出口温度（4℃/9℃），热测进出口温度为（7℃/12℃），换热量为1300KW。） 
　　3 结语 
　　综上所述，可知本工程运用了当今社会较前沿的空调技术。其空调系统的节能、环保性不言而喻，定能满足当今社会关于节能、环保、低碳、可持续发展的要求，并将带来一定的社会效益与经济效益，同时也将为推动地源热泵及水蓄冷空调系统的发展做出一定的贡献。 
　　参考文献 
　　1 东南大学建筑设计研究院有限公司，暖通设计说明 
　　2 张俊巧.地源热泵系统优化设计——降低地源热泵系统初投资的有效途径.中国制冷学会2007学术年会论文集 
　　3 陆耀庆.实用供热空调设计手册（第二版）下册.中国建筑工业出版社 
　　4 李洋、曾远，浅谈水蓄冷技术，山西建筑第36卷35期

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