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地源热泵技术“江南模式”的探索应用

来源:九正建材网 发布日期:2010-11-18 11:30:58 查看次数:
【九正建材网】 南京铁道职业技术学院苏州新校区座落在阳澄湖西岸—苏州市相城区教育园区,系配合苏州火车客运站改扩建工程整体搬迁

    南京铁道职业技术学院苏州新校区座落在阳澄湖西岸—苏州市相城区教育园区,系配合苏州火车客运站改扩建工程整体搬迁而新建的高标准、现代化、园林式校区。占地面积895.94亩,其中最引人注目的单体建筑就是位于校区中央建筑面积25000m2的图书馆。建设方在反复调研和对众多方案进行对比、论证、优选的基础上,采用地埋管地源热泵系统,统筹考虑和解决了图书馆中央空调制冷、供暖和全校近万名学生一年四季的生活热水供应问题。从而取消了浪费热能资源、影响环境的冷却塔,取消了热水锅炉,解决了地下温度场的热平衡问题。本案例地源热泵系统及中央热水系统成为该校区建设的一大亮点。

   本项目地源热泵热回收方式的对比分析

   1“机组热回收”与“系统热回收”

    通过热回收的方式大量生产生活热水的途径解决地下热平衡,一举多得,这是对地下热平衡进行反复计算和分析后,校企双方形成的共识。但具体采用什么形式的热回收,当时主要有两种方案:一种是采用带热回收功能的热泵机组。这种方案的弊端在于,夏季空调制冷时机组热回收的热水和冬季供暖时机组“分配”的热水量太小,远远不能满足全校近万名学生的洗澡问题,而春秋过渡季节空调停用时更不好办,不仅需要另外配置锅炉,而且地下热平衡问题无法真正解决,还得配置冷却塔。另一种方案是采用“系统热回收”:即专门配置一台高温热水热泵机组,与空调机组的地源侧供、回水联成一个大系统,根据空调机组夏季制冷、冬季供暖和春秋季停用三种不同情况,采用方便灵活的调控手段和不同季节的不同热回收方式,实现一年四季的“系统热回收”。这样既完全解决了全校学生一年四季的生活热水需求,又有效地解决了地下热平衡问题。“系统热回收”又分为“直接热回收”和“间接热回收”。

    2“直接热回收”

    空调机组夏季制冷时,从系统源侧总分水器中分配约三分之一的水(准备回到地下的空调热泵机组冷凝器出水)给热水热泵机组作为源侧供水使用,热水热泵机组源侧回水送到系统总集水器供空调机组直接使用。理论上讲,空调机组引到热水机组的地源侧供水的热量已被热水机组制热水时“回收”,而且“回收”的热量超过了空调热泵机组冷凝器排出的同等水量中的热量,这部分水就不再送到地下,而直接回到系统源侧总集水器供空调机组直接使用。此举明显减轻了空调机组源侧循环泵的负荷。由于热水热泵机组和空调热泵机组地源侧供、回水互为反向使用,同时由于空调机组源侧循环泵减少了三分之一的运行负荷,从系统总分水器引过来的空调机组冷凝器出水流量、流速、压力稳定、可靠,在这种状态下热水机组地源侧专用循环泵不必开启,照样保证热水机组安全、稳定地运行,因而更加节能。以上所说的就是“系统热回收”中的“直接热回收”。

    3“间接热回收”

    空调机组冬季制热时,热水机组的地源侧用水与空调机组相同,全部从系统总集水器中分配使用,回水全部由总分水器送往地下。由于设计地埋管数量时,是按照满足冬天三台机组同时制热工况要求考虑的,所以不必担心地源侧供水流量不足或低温保护的问题。根据苏州的冬季气温规律,本案例冬季供暖的热负荷只需启动一台空调热泵机组就够了,三台机组同时制热的概率极低。春、秋季空调机组不工作时,热水机组必须满足生活热水需求。控制方法:使用另一台地源侧专用循环泵(两用一备,用电输入功率相当于空调机组源侧循环泵的三分之一),通过系统总集水器直接从地埋管六个区中的两个区(88×2=176口井)抽取地埋管总量三分之一的循环水供热水机组使用,然后通过系统总分水器回到地下。具体操作方法:开启总集、分水器通往热水机组的供、回水闸阀,同时开启总集、分水器另外六组闸阀中的两组供、回水对应闸阀,其余四组回路的闸阀全部关闭。整个春秋过渡季节,通过总集、分水器六组闸阀的定期轮流切换,使地下六个区的埋管换热器从使用时间和供回水温度显示综合考虑和控制各区热平衡。冬季和春秋过渡季热水机组直接利用地下换热器的循环水提取热量生产热水,对热水机组而言就是正常的制热工况,但从整个地源热泵大系统地下温度场全年热平衡的角度看,实际上就是“系统热回收”中的“间接热回收”。

    4.具有江南特色的地源热泵系统独特的运行效果

    通过地源热泵系统一年来运行参数的测试,热水机组平均生产50℃热水的成本为4.10元/t,运行成本相当于燃气锅炉的四分之一左右(该校执行的是昼、夜均为0.53元/kWh的优惠电价),如执行峰、谷电价的单位,将冬季和春秋过渡季全部改为夜间谷电时段生产热水,其生产热水全年平均运行费用相当于燃气锅炉的五分之一左右。夏季空调机组运行时的冷凝温度不会超过30℃,冬季空调机组运行时的蒸发温度不会低于8℃,由此证明整个系统完全达到了设计要求。不仅解决了建筑制冷、供暖问题,还取消了传统设计的冷却塔和热水锅炉;不仅解决了全校近万名学生一年四季的生活热水问题,还解决了地下温度场的热平衡问题。经测算,项目地源热泵系统制冷、供暖和生产生活热水节能率达60%以上。经综合测算,该项目每年减少了1000吨以上CO2排放,因为不仅地源热泵系统取消冷却塔减少了400吨以上CO2排放,而且取消了燃油或燃气锅炉又额外减少了约700吨CO2排放。真正实现了地源热泵系统高效、节能、环保和多功能等综合优势和资源价值利用的最大化及对资源、环境负面影响的最小化。

    5.对推广应用地源热泵技术的“江南模式”的思考

    从上述工程实例,值得思考的是江南地区如何从实际出发,因地制宜地推广应用地源热泵技术,如何发挥江南地区的优势,规划与设计出江南地区地源热泵技术的运用策略。实际上本工程实例已经从一个侧面作出了回答。在此基础上,经反复琢磨、思考和探讨,“江南模式”的理念浮出了水面。现将主要观点及构想简述如下:

    因此,从低碳经济和可持续发展的高度出发,针对江南地区的气候特点、地理特点、地质特点、资源特点和项目功能要求特点,科学合理地解决好地下热平衡,最大限度地将多余的热量从排放的“废弃物”回收为宝贵的热能资源,充分发挥地源热泵系统高效、节能、环保和多功能的综合优势,实现资源价值利用的最大化和负面影响的最小化,是应用地源热泵技术的“江南模式”的核心内容。根据实际情况,“江南模式”可分为“最佳模式”和“基本模式”。

   “最佳模式”是以满足夏季冷负荷为基础安排空调与供暖,利用“系统热回收”或机组热回收的方式,生产相对应量的生活热水或增加转移到其它建筑物所需的热量,科学合理地“消化”系统排出的多余热量,实现地下温度场热平衡的地源热泵技术应用模式。

    本文上述工程实例可以看出,空调工况下向地下的排、取热量之差为1500.22MWh(1MW=1000KW),如此巨大的热量被科学合理的利用起来,一方面成了生产热水的宝贵热能资源,大大节约了生产运行成本;另一方面减少甚至取消了向大气层的大量废热排放,这相当于400多吨CO2,还不包括如配置锅炉额外增加的CO2排放量。
 
    商场夏季空调制冷工况下,通过“系统热回收”中的“直接热回收”生产热水,冬季和春秋过渡季利用夜间谷电时段生产热水,可大大降低生产热水的运行成本。通过向用户供应热水还可创造一笔可观且稳定的利润。对四幢公寓楼盘的销售,无疑增加了一大亮点。适用“最佳模式”的项目,应坚持三个原则:一是使用功能(主要指热水)上确有需求,二是负荷(主要指空调总冷热负荷与热水负荷的比例)计算上要恰如其分,三是使用效果上要恰到好处。保证地下热平衡的关键技术是各种负荷的设计、计算与模拟,找准平衡点;其次是对地下温度场变化情况的监测和调控,有科学可行的调控措施和手段,在动态中求平衡。

    “基本模式”是以满足冬季热负荷为基础安排制冷和供暖,采用复合式补充冷源满足夏季制冷需求,实现地下热平衡的地源热泵技术应用模式。

 

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