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    地源熱泵系統在廠房、工業園等工業建筑上的應用

    文章出處:   責任編輯:   發布時間:2020-07-18 22:33:08    點擊數:-   【

    地源熱泵技術在工業領域的應用,可以大大節約煤炭等有限資源。它將工業廢氣、廢水中的余熱再次利用,有效降低高溫的廢氣廢水排放到自然環境中造成的熱污染。目前已經有部分企業做出了很好的嘗試,工業建筑能耗問題得到了很好的解決。

    地源熱泵系統在廠房、工業園等工業建筑上的應用

    地源熱泵技術以前主要是利用地下水,通過技術和設備獲取地下水的熱量。淺層地下水即便儲量豐富,采集地下水終究對地質情況的要求較為嚴格,長時間采集容易造成一定區域內地下水匱乏,采集深層地下水還需配合回灌技術。因此,將地源熱泵應用在工業領域,是地源熱泵技術的一大突破,做到了既不破壞地下水資源,又能節約有限資源,同時減少污染。

    節能、減排、降耗是現代工業與民用建筑一直需要解決的問題,本文通過對地源熱泵空調系統的介紹,詳細了解熱泵在工業建筑中實現節能、降耗的作用。

    地源熱泵系統在廠房、工業園等工業建筑上的應用

    1、引言

    地源熱泵是利用地球表面淺層水源(如地下水、河流和湖泊)和土壤源中吸收的太陽能和地熱能,并采用熱泵原理,既可供熱又可制冷的高效節能空調系統。即輸入少量的高品位能源(如電能),實現低溫位熱能向高溫位轉移。地能分別在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季空調的冷源,即在冬季,把地能中的熱量“取”出來,提高溫度后,供給室內采暖;夏季,把室內的熱量取出來,釋放到地下去。它不向外界排放任何廢水、廢氣,能有效保護環境,是一種高效、節能的可再生能源空調系統形式。

    2、工程概況

    本廠房總建筑面積約9000m2,共三層,其中一層為沖壓車間,二層為模具車間,三層為成品倉庫,一層、二層采用舒適性空調,三層采用調溫型除濕。建設地屬于夏熱冬冷地區,夏季有制冷要求,冬季有制熱要求,滿足地源熱泵的先決條件。

    3、空調負荷

    本工程地源熱泵空調主要用于車間一層和二層。本工程負荷特點:⑴、車間內具有設備散熱(且比較穩定),占總冷負荷的絕大部分;⑵、本車間圍護結構的負荷只占很小一部分,可視為比較恒定的;⑶、夏季冷負荷高,冬季熱負荷??;⑷、車間只對溫度要求,無濕度要求。

    地源熱泵系統在廠房、工業園等工業建筑上的應用

    空調面積約6000m2,按杭州氣候參數,夏季條年使用120d,冬季使用90d,每天按10個小時計算。根據負荷計算軟件算得本車間夏季最大冷負荷為1170kW,冬季最大熱負荷為610kW。根據全年動態負荷計算結果,夏季總冷負荷累計約為1160000kWh,冬季總熱負荷累計約為450000 kWh。

    由于夏季的總冷負荷和冬季的總熱負荷相差懸殊,本項目以冬季的熱量來選擇供熱方式,而夏季其余部分采用冷卻塔解決。

    4、地質勘探及換熱參數測試

    本工程前期地質勘探及換熱參數測試由浙江某地質勘探院完成,通過現場勘探及實際換熱試驗,提供了本次設計最關鍵的設計參數。

    4.1、地質勘探

    根據鉆探結果,可將底層分為7個工程地質層,10個亞層,詳見下簡表:

    地源熱泵系統在廠房、工業園等工業建筑上的應用

    4.2、換熱參數測試結論

    (1)地埋管深度為75米,φ32單U管(PE聚乙烯管)平均單孔放熱功率為3.72kW,平均單孔取熱功率為3.17kW。

    (2)通過雙橋靜力觸探試驗,地埋管孔在樁基礎50cm以外施工基本不影響。

    (3)本項目適合采用土壤源熱泵技術。

    5、冷熱源選擇

    無論從空調冷熱負荷及全年動態負荷來看,該工程全年的總冷量遠大于總熱量,為保持土壤的熱平衡,以冬季負荷為依據設計地埋管系統,即冬季熱負荷全部由地埋管及地源熱泵機組系統承擔,夏季空調冷負荷部分由地埋管承擔,其余的采用冷卻塔補充。

    方案一:一臺地源熱泵機組+一臺水冷冷水機組,冬季采用地源熱泵機組供暖,夏季采用地源熱泵機組和水冷冷水機組共同供冷。

    地源熱泵系統在廠房、工業園等工業建筑上的應用

    方案二:兩臺地源熱泵機組,冬季采用其中一臺地源熱泵機組供暖,夏季采用兩臺地源熱泵機組供冷。

    因地源熱泵機組沒有水冷冷水機組的COP值高,因此方案一的初投資以及運行費用比方案二低。但因業主要求以及項目的特殊性,本項目不設額外備用機組,但要求所設的兩臺機組能在冬夏季互為備用,以保證其中一臺機組檢修時,空調系統還能正常運行,維持生產車間的正常工作。

    綜上所述,本工程選用兩臺一樣的地源熱泵機組作為冷熱源,兩臺機組冬夏季都可相互備用,冬季由一臺機組供熱,夏季由兩臺機組供冷。由于本車間夏季冬季負荷相差懸殊,因此,夏季設兩臺冷卻塔,補充夏季冷負荷。

    根據冬夏季負荷選擇地源熱泵機組,兩臺地源熱泵機組,每臺制冷量為585kW,制熱量為616kW,制冷時COP為5.06,制熱時COP為4.61。夏季:負荷側進出水溫度7/12℃,冷卻側32/37℃;冬季:地源側10/5℃,負荷側45/40℃??照{末端為常規設計,采用吊頂式空調及風機盤管。

    地源熱泵系統在廠房、工業園等工業建筑上的應用

    6、地源熱泵系統設計

    6.1、地源熱泵系統流程圖設計

    根據以上的結論,地源熱泵系統流程簡圖如下:

    說明:

    1)“夏季制冷1”:地下冷熱負荷平衡后,夏季制冷狀態;“夏季制冷2”:地下冷熱負荷平衡前,夏季制冷狀態;“夏季制冷3”:地下冷熱負荷平衡后,DYRB-1.2檢修時的制冷狀態;“夏季制冷4”:地下冷熱負荷平衡后,DYRB-1.1檢修時的制冷狀態;“夏季制冷5”:地下冷熱負荷平衡前,DYRB-1.2檢修時的制冷狀態;“夏季制冷6”:地下冷熱負荷平衡前,DYRB-1.1檢修時的制冷狀態;“冬季制熱1”:冬季開DYRB-1.1的制熱狀態;“冬季制熱2”:冬季開DYRB-1.2的制熱狀態。

    2)DYRB-1.1與DYRB-1.2冬夏季時都可互為備用,即在一臺設備檢修時,可保證冬季全部熱負荷和夏季部分冷負荷。

    3)夏季使用天數為120d,冬季使用天數為90d;根據全年負荷情況,地源熱泵冬季使用天數為90d,地源熱泵夏季使用天數約為95d,其余部分由冷卻塔解決;同時通過地下土壤以及冷卻回水溫度監測,分析地下土壤長時間的溫度變化,從而在保證系統最大節能運行。

    6.2、地埋管的形式及布置

    根據地質勘探的分析報告,綜合考慮各種因素,本工程地源換熱系統設計為垂直單U形地埋管系統,經分析,采用Dn32的單U形地埋管系統,鉆孔孔徑取150mm,管路布置采用并聯多環路異程系統,盡量布置在生產車間旁的綠化帶上面,不足部分布置在生產車間的正下方。連接地源井的水平支管采用4~5口井一回路,同程式連接,根據地埋管孔布置圖設置單級分集水器,共6個并聯環路,并在集水器上設置平衡閥,水平埋管深約2米,系統最高點設自動排氣閥。

    地源熱泵系統在廠房、工業園等工業建筑上的應用

    經計算,共需地埋管孔數200個,考慮一定余量后實際鉆孔數為240個,鉆孔間距最小為4m,個別孔位根據現場情況適當調整。地下地埋管布孔平面簡圖如下:

    6.3、地埋管的管材及連接

    地埋管采用化學穩定性好、耐腐蝕、導熱率大,流動阻力較小的聚乙烯(PE)管,地埋管的質量應符合“給水用聚乙烯(PE)管材”GB/T13663及“冷熱用聚乙烯(PE)管道系統”GB/T19473.2的要求,管材公稱壓力為1.6MPa,U形豎直埋管采用Dn32的PE管。連接管道小于等于Dn63采用電熔連接,大于Dn63可采用熱熔連接。管道的施工必須滿足“埋地聚乙烯給水管道工程技術規程”CJJ101-2004的有關規定。

    6.4、地埋管長期運行的可行性分析

    通過夏季冷凍水冬季熱水的流量累計,轉成負荷來估計夏季的地源側的運行時間。并通過傳感器不斷檢測夏季冷卻水(地源側)回水溫度,當回水溫度達到32°時,地源側的冷卻效率就會低于冷卻塔效率,此時需關閉地源系統,開啟冷卻塔系統。而相對冬季而言,隨著土壤溫度的升高,其運行效率將更加高效。

    地源熱泵系統在廠房、工業園等工業建筑上的應用

    7、設計總結及建議

    根據本工程設計可以得出以下結論及建議:

    (1)通過本工程的地源熱泵設計,可見地源熱泵系統在工業廠房中也是可行的。地源熱泵不僅高效、節能、環保,其運行費用比傳統中央空調系統大約低25%,鑒于地源熱泵初投資比較大,如果沒有相關政策補貼,很難在工業廠房中推廣。

    (2)為了降低初投資以及運行費用,夏季冷負荷宜由水冷冷水機組(冷卻塔散熱)+地源熱泵機組(地埋管散熱)共同承擔,冬季熱負荷全部由地源熱泵機組(地埋管吸收)承擔。

    以土壤作為熱源,冬季從土壤中吸取熱能,通過熱泵系統實現供暖;夏季將熱量釋放到土壤中,滿足制冷、制熱、生活熱水需求;不受室外環境影響,穩定可靠,高效節能;運行費用低,維護費用低,目前公認對環境最友好的制冷制熱系統。

    基本原理是以土壤作為低位冷/熱源(載體),冬季利用埋入地下的管道環路(地下換熱器)從土壤中吸取熱能,通過熱泵系統實現向建筑物的供暖;夏季從建筑中吸取熱量,通過埋入地下的管道環路將熱量釋放到土壤中,實現向建筑的供冷,冬夏兩用。是目前公認的對環境最友好的制冷制熱系統。

    a) 系統優點

    (1)、一機多,可同時滿足制冷、制熱、生活熱水需求;

    (2)、供冷/供熱不受室外環境影響,穩定可靠,高效節能;

    (3)、運行費用低,僅為常規系統的65%;

    (4)、夏季可提供幾乎免費的生活熱水;

    (5)、末端形式多種多樣,系統維護費用低;

    b) 系統缺點

    (1)、設計、施工要求高,初投資高;

    (2)、使用受到場地限制,沒有足夠的場地滿足不了能量交換

    (3)、施工工藝較為復雜,品質要求高;

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