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- 地源熱泵技術(shù)“江南模式”的探索與應(yīng)用
- 蘇州大學(xué)陽(yáng)澄湖校區(qū)地源熱泵案例介紹及思考
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- 摘 要
- 本文用主要篇幅介紹了蘇州大學(xué)陽(yáng)澄湖校區(qū)(原南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州校區(qū))地源熱泵系統(tǒng)工程,但文章的核心部分是通過(guò)介紹這一工程案例而引發(fā)的思考。作者針對(duì)長(zhǎng)江以南地區(qū)的氣候特點(diǎn)、地理特點(diǎn)、地質(zhì)特點(diǎn)、淺層地?zé)崮苜Y源特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的特點(diǎn),結(jié)合本工程案例的設(shè)計(jì)思路和主要做法,提出了推廣應(yīng)用地源熱泵技術(shù)的“江南模式”及其配套的“系統(tǒng)熱回收”技術(shù),并將其分為“最佳模式”和“基本模式”。相信本文介紹的工程案例以及作者關(guān)于“江南模式”的思考,對(duì)促進(jìn)江南地區(qū)乃至黃河以南地區(qū)因地制宜地推廣應(yīng)用地源熱泵技術(shù),會(huì)起到拋磚引玉的積極作用。
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- 工程概況
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蘇州大學(xué)陽(yáng)澄湖新校區(qū)座落在陽(yáng)澄湖西岸—蘇州市相城區(qū)教育園區(qū),系配合蘇州火車(chē)客運(yùn)站改擴(kuò)建工程而整體搬遷新建的高標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)代化、園林式校區(qū),占地面積895.94畝,其中最引人注目的單體建筑就是位于校區(qū)中央,建筑面積25000㎡的圖書(shū)館。建設(shè)方在反復(fù)調(diào)研和對(duì)眾多方案進(jìn)行對(duì)比、論證、優(yōu)選的基礎(chǔ)上,最終選擇采用地埋管地源熱泵系統(tǒng),統(tǒng)籌考慮和解決了圖書(shū)館中央空調(diào)制冷、供暖和全校近萬(wàn)名學(xué)生一年四季的生活熱水供應(yīng)問(wèn)題。從而取消了浪費(fèi)熱能資源、影響環(huán)境的冷卻塔,取消了熱水鍋爐,解決了地下溫度場(chǎng)的熱平衡問(wèn)題;整個(gè)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了“零排放”(這里指廢熱、廢氣、廢水)。本項(xiàng)目地源熱泵系統(tǒng)工程(包括通往每幢學(xué)生公寓樓的4000m預(yù)制直埋保溫供、回?zé)崴埽┯上到y(tǒng)集成商施工安裝,和熱泵機(jī)組生產(chǎn)廠家共同調(diào)試完成。本案例地源熱泵系統(tǒng)及中央熱水系統(tǒng)已被全校公認(rèn)為新校區(qū)建設(shè)的一大亮點(diǎn)。
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- 地下?lián)Q熱器熱平衡計(jì)算與分析
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建筑全年的冷熱總負(fù)荷和生活熱水總負(fù)荷 根據(jù)圖書(shū)館建筑全年使用空調(diào)的具體情況及建筑所在地的逐時(shí)氣象參數(shù),對(duì)不計(jì)入熱水負(fù)荷時(shí)的全年逐時(shí)冷、熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算和模擬,見(jiàn)圖1、圖2。其中:全年累計(jì)總冷負(fù)荷(空調(diào)):1599.52MWh;全年累計(jì)總熱負(fù)荷(供暖):672.19MWh。 根據(jù)該校現(xiàn)有8500名學(xué)生,3年后達(dá)10000名學(xué)生的辦學(xué)規(guī)模,按平均每天3000人洗澡(設(shè)計(jì)最大日供熱水能力可滿足10000人同時(shí)洗澡),每人消耗40L的50℃(確保末端水溫不低于48℃)熱水計(jì)算,測(cè)算出全年生活熱水總負(fù)荷。 全年生活熱水總熱負(fù)荷:1396.42MWh。
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根據(jù)逐時(shí)負(fù)荷確定地埋管地源熱泵機(jī)組的容量:額定制冷量:2500 kW;額定制熱量:1750 kW。 經(jīng)計(jì)算,地埋管系統(tǒng)承擔(dān)制冷工況下的全年累計(jì)排熱量為1980.35MWh,承擔(dān)采暖工況下取熱量為480.13MWh,排、取熱量之差約為1500.22MWh。建筑夏季累計(jì)冷負(fù)荷是冬季累計(jì)熱負(fù)荷的2.38倍,而夏季制冷期間,系統(tǒng)向地下的排熱量是冬季供暖期間從地下取熱量的4.12倍,熱積聚量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了土壤的自恢復(fù)能力,土壤平均溫度無(wú)法回到未受擾動(dòng)的初始狀態(tài),會(huì)對(duì)系統(tǒng)的長(zhǎng)期性能產(chǎn)生不利影響。 由上述計(jì)算分析可知,如果該地埋管地源熱泵系統(tǒng)僅用于冬、夏季的供暖/制冷,其地下吸、排熱量將會(huì)存在明顯不平衡現(xiàn)象,這種情況可以從圖3、圖5、圖6、圖7中反映出來(lái)。如果將學(xué)校全年的生活熱水需求與該建筑全年的供暖、制冷統(tǒng)一考慮,尤其在夏季將空調(diào)熱泵機(jī)組冷凝器的排熱作為熱水熱泵機(jī)組的熱源時(shí),地下熱量不平衡現(xiàn)象將大為改觀,這種情況可以從圖4、圖5、圖8、圖9中明顯地反映出來(lái)。
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全年冷、熱負(fù)荷下的地埋管換熱計(jì)算與分析 經(jīng)計(jì)算,全年生產(chǎn)熱水所需的1396.42 MWh熱量中,冬季(包括4個(gè)月過(guò)渡季),由地埋管提供的熱量為685.79 MWh;夏季由空調(diào)機(jī)組冷凝器直供的熱量為500.14 MWh(其余由地埋管提供)。平衡后,夏季的地埋管側(cè)累計(jì)排熱量為1480.21 MWh,冬季地埋管的累計(jì)取熱量為1376.41 MWh,達(dá)到了較好的平衡。當(dāng)然,要考慮土壤自身也有一定的自恢復(fù)能力,只要累計(jì)排、取熱量的差異不大或在其恢復(fù)能力內(nèi)即可。這樣,在夏季制冷工況下,空調(diào)熱泵機(jī)組的一部分排熱直接用來(lái)生產(chǎn)熱水,不僅對(duì)全年累計(jì)取、排熱量起到了平衡作用,而且全年逐時(shí)負(fù)荷分布也較為均勻,有利于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行(圖3、4)??紤]熱水負(fù)荷前后的各種累計(jì)負(fù)荷的對(duì)比情況如圖5。
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- 本項(xiàng)目地源熱泵熱回收方式的對(duì)比分析與選擇
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- “機(jī)組熱回收”與“系統(tǒng)熱回收”
- 通過(guò)熱回收的方式,以大量生產(chǎn)生活熱水的途徑達(dá)到地下熱平衡,一舉多得,這是對(duì)地下熱平衡進(jìn)行反復(fù)計(jì)算和分析后,校企雙方形成的共識(shí)。但具體采用什么形式的熱回收,當(dāng)時(shí)主要有兩種方案:一種是采用帶熱回收功能的熱泵機(jī)組。這種方案的弊端在于,夏季制冷時(shí)機(jī)組熱回收得到的熱水量和冬季供暖時(shí)機(jī)組“分配”得到的熱水量太小,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足全校近萬(wàn)名學(xué)生的洗澡問(wèn)題,而春秋過(guò)渡季節(jié)空調(diào)停用時(shí),不僅需要另外配置鍋爐,而且地下熱平衡問(wèn)題無(wú)法真正解決,還得配置冷卻塔。另一種方案是采用本項(xiàng)目系統(tǒng)集成商獨(dú)創(chuàng)的“系統(tǒng)熱回收”。“系統(tǒng)熱回收”就是專門(mén)配置一臺(tái)或幾臺(tái)(本案例配置一臺(tái))高溫?zé)崴疅岜脵C(jī)組,將熱水機(jī)組和空調(diào)機(jī)組的地源側(cè)供、回水管路串聯(lián)成一個(gè)大系統(tǒng),共用一組總集、分水器,根據(jù)空調(diào)夏季制冷、冬季供暖和春秋季停用三種不同工況,采用科學(xué)合理的調(diào)控手段和不同季節(jié)的不同熱回收方式(夏季空調(diào)制冷期間采用“直接熱回收”,冬季供暖和春秋過(guò)渡季空調(diào)停用期間采用“間接熱回收”),實(shí)現(xiàn)一年四季的“系統(tǒng)熱回收”的技術(shù)模式。這樣既完全滿足了全校學(xué)生一年四季的生活熱水需求,又有效地解決了地下熱平衡問(wèn)題。采用“系統(tǒng)熱回收”的方式,使用起來(lái)方便、靈活、安全、可靠,熱回收的效率更高,回收的熱量更大,更加經(jīng)濟(jì)合理。“系統(tǒng)熱回收”又分為“直接熱回收” 和“間接熱回收”。
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- “直接熱回收”
- 直接熱回收就是在夏季空調(diào)制冷工況下,熱水機(jī)組(地源側(cè)供水)直接利用空調(diào)機(jī)組冷凝器的排熱(空調(diào)機(jī)組地源側(cè)出水)作為熱源生產(chǎn)熱水,熱水機(jī)組直接回收這部分熱量后再次供空調(diào)機(jī)組冷凝器作為地源側(cè)冷卻水使用,從而減少系統(tǒng)向地下的排熱量的熱回收方式。夏季制冷時(shí),從系統(tǒng)地源側(cè)總分水器中,將空調(diào)機(jī)組冷凝器出水的三分之一(這里僅指本案例的設(shè)定量,而不同項(xiàng)目的設(shè)定量是有差別的)分配給熱水機(jī)組作為源側(cè)供水使用(本項(xiàng)目夏季由空調(diào)機(jī)組冷凝器直供熱水機(jī)組的熱量為500.14 MWh),熱水機(jī)組的源側(cè)回水送到系統(tǒng)總集水器供空調(diào)機(jī)組直接使用。理論上講,這部分冷凝水中的熱量已被熱水機(jī)組“回收”,就不再送到埋管系統(tǒng),而是直接回到地埋管系統(tǒng)總集水器供空調(diào)機(jī)組直接使用。此舉明顯減輕了空調(diào)機(jī)組源側(cè)循環(huán)泵的負(fù)荷。由于采用直接熱回收時(shí)熱水機(jī)組和空調(diào)機(jī)組的供、回水互為反向使用,同時(shí)由于空調(diào)機(jī)組源側(cè)循環(huán)泵減少了三分之一的運(yùn)行負(fù)荷,從系統(tǒng)總分水器引過(guò)來(lái)的空調(diào)機(jī)組冷凝器出水流量、流速、壓力穩(wěn)定、可靠,在這種狀態(tài)下熱水機(jī)組地源側(cè)專用循環(huán)泵不必開(kāi)啟,即可保證熱水機(jī)組安全、穩(wěn)定地運(yùn)行,因而更加節(jié)能。這就是“系統(tǒng)熱回收”中的“直接熱回收”。
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- “間接熱回收”
- 間接熱回收就是在空調(diào)冬季供暖、春秋季停用的情況下,熱水機(jī)組通過(guò)系統(tǒng)總集水器驅(qū)動(dòng)地下?lián)Q熱器提取熱量生產(chǎn)熱水,間接回收、逐步消化空調(diào)熱泵機(jī)組向地下多余的排熱量,達(dá)到地下溫度場(chǎng)全年熱平衡的熱回收方式。空調(diào)機(jī)組冬季制熱時(shí),熱水機(jī)組與空調(diào)機(jī)組分配使用系統(tǒng)總集水器中的地源側(cè)供水,回水全部由總分水器送往地下。由于設(shè)計(jì)地埋管數(shù)量時(shí),是按照滿足冬天三臺(tái)機(jī)組同時(shí)制熱工況要求考慮的,所以不必?fù)?dān)心地源側(cè)供水流量不足或低溫保護(hù)的問(wèn)題。根據(jù)蘇州的冬季氣溫規(guī)律,本案例只需啟動(dòng)一臺(tái)空調(diào)熱泵機(jī)組就可滿足冬季供暖的熱負(fù)荷,三臺(tái)機(jī)組同時(shí)制熱的概率極低。春、秋季空調(diào)機(jī)組不工作時(shí),熱水機(jī)組必須滿足生活熱水需求。控制方法:使用另一臺(tái)地源側(cè)專用循環(huán)泵(兩用一備,用電輸入功率相當(dāng)于空調(diào)機(jī)組源側(cè)循環(huán)泵的三分之一),通過(guò)地埋管系統(tǒng)總集水器驅(qū)動(dòng)地埋管六個(gè)區(qū)中兩個(gè)區(qū)(88×2=176口井)的循環(huán)水供熱水機(jī)組使用,爾后通過(guò)系統(tǒng)總分水器回到地下。具體操作方法:開(kāi)啟地埋管系統(tǒng)總集、分水器通往熱水機(jī)組的供、回水總閘閥,同時(shí)開(kāi)啟兩組地埋管回路所對(duì)應(yīng)的供、回水閘閥,其余四組回路的閘閥全部關(guān)閉。從使用時(shí)間和供回水溫度方面綜合考慮,在過(guò)渡季節(jié),通過(guò)定期輪流切換總集、分水器上的六組閘閥,使地下六個(gè)區(qū)達(dá)到熱均衡。冬季和過(guò)渡季熱水機(jī)組直接提取地下?lián)Q熱器循環(huán)水的熱量生產(chǎn)熱水,從地下全年熱平衡的角度看,就是“系統(tǒng)熱回收”中的“間接熱回收”。
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- 螺旋形納米PE換熱管介紹
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- 產(chǎn)品原材料
- 高密度聚乙烯(管壁)
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- 產(chǎn)品技術(shù)路線
- 1、梅花螺旋形地埋管項(xiàng)目的確立:我司專業(yè)從事地源熱泵行業(yè)近10年,承辦了大量地源熱泵及相關(guān)工程,通過(guò)長(zhǎng)期的施工經(jīng)驗(yàn),我司發(fā)現(xiàn)在地源熱泵系統(tǒng)中占主要份額的地埋管存在產(chǎn)品形式單一、用量極大、需紊流換熱等問(wèn)題,生產(chǎn)一種新型、可靠、節(jié)能的地埋管,創(chuàng)立一套新的地埋管標(biāo)準(zhǔn)成為一種必然趨勢(shì),故我司于2009年中旬做出給予新型地源熱泵地下?lián)Q熱器專用管項(xiàng)目立項(xiàng)的決定; 2、適用低流速紊流管形研究:地源熱泵行業(yè)在國(guó)內(nèi)發(fā)展多年,技術(shù)日趨成熟,相關(guān)材料配件早已標(biāo)準(zhǔn)化配套化并得到了反復(fù)優(yōu)化,普通地埋管所用材料為高密度聚乙烯,其換熱性能良好、穩(wěn)定,已得到多年實(shí)踐的認(rèn)證,從材料方面提高地埋管換熱系數(shù)空間較小。而管形方面,傳統(tǒng)地源熱泵地埋管均采用圓形PE管,其斷面均系圓形,為達(dá)到管內(nèi)紊流,水流速度一般為0.6m/s時(shí)才能形成紊流,且其管道外表面與土壤耦合面積受到限制。若使管壁和管孔斷面呈梅花狀,表面呈梅花旋轉(zhuǎn)形,所述梅花狀斷面邊緣分別由半徑為R-1,R-2的圓弧形成,所述R-1位6mm,R-2位3mm時(shí),可增加流場(chǎng)內(nèi)小漩渦,低流速也可呈現(xiàn)紊流狀態(tài),同時(shí)增加與土壤耦合面積,增大換熱系數(shù); 3、生產(chǎn)工藝建立與完善:我司于2010年完成梅花螺旋管專用生產(chǎn)車(chē)床的投資建造,并進(jìn)行了試生產(chǎn),產(chǎn)品效果良好,同年具備對(duì)相關(guān)配套管件生產(chǎn)能力; 4、專利申請(qǐng):我司于2011年6月對(duì)本產(chǎn)品進(jìn)行專利申請(qǐng),次年1月得到專利授權(quán)。
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- 產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)
- 1、采用梅花螺旋形斷面,管內(nèi)流體在低流速狀態(tài)下即可形成紊流。傳統(tǒng)地源熱泵地埋管均采用圓形PE管,其斷面均系圓形,為達(dá)到管內(nèi)紊流,流動(dòng)V>0.4m/s,一般取0.6m/s時(shí),流體才能形成紊流,但這增加了循環(huán)水泵的耗能。相比較傳統(tǒng)圓管,梅花螺旋形地埋管采用分別由半徑為R-1,R-2的圓弧形成的梅花形斷面,所述R-1位6mm,R-2位3mm時(shí),可增加流場(chǎng)內(nèi)小漩渦,低流速也可呈現(xiàn)紊流狀態(tài),倘若同為高流速狀態(tài)下,在流場(chǎng)內(nèi)已呈現(xiàn)紊流狀態(tài)的流體通過(guò)管內(nèi)螺旋形軌道的被動(dòng)旋轉(zhuǎn),進(jìn)一步增大擾流的幅度和數(shù)量,從而增大流體-內(nèi)壁-土壤間的換熱量。 2、與土壤耦合面積大,熱交換效率高。取長(zhǎng)度各為1m,管壁直徑都為32mm,管孔直徑都為26mm的梅花螺旋形地源熱泵地下?lián)Q熱器專用管和圓形地埋管進(jìn)行比較,經(jīng)測(cè)算,所述梅花螺旋形地源熱泵地下?lián)Q熱器專用管的管壁截面積為284.02mm2,管壁外表面積為52174.08mm2,而圓形地埋管的管壁面積為273.32mm2,管壁外表面積為50265.48mm2,梅花螺旋形地源熱泵地下?lián)Q熱器專用管管壁截面積比圓形地埋管大3.9%,管壁外表面積比圓形地埋管大4%,所以梅花螺旋形地源熱泵地下?lián)Q熱器專用管與土壤的耦合面積更大,換熱量更大,換熱效率相應(yīng)提高,對(duì)于土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以提高地下?lián)Q熱器的熱交換效率,減少室外鉆井埋管數(shù)量10~15%,節(jié)省工程初投資。
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- 產(chǎn)品的功能及用途
- 梅花螺旋形地源熱泵地下?lián)Q熱器專用管適用于地源熱泵空調(diào)系統(tǒng),通過(guò)室外鉆井將梅花螺旋形地源熱泵地下?lián)Q熱器專用管埋入地下,并進(jìn)行回灌,使梅花螺旋形地源熱泵地下?lián)Q熱器專用管與土壤完全接觸。通過(guò)地源側(cè)水泵的動(dòng)力,使地埋管、集水器、水泵、地源熱泵主機(jī)、分水器形成完整的循環(huán)管路,夏季時(shí),主機(jī)中制冷劑在冷凝過(guò)程中向地源側(cè)30℃左右的水放熱,從而制取7℃的末端冷凍水,冷卻水通過(guò)地源側(cè)的不斷循環(huán)與土壤維持30℃的平衡水溫;冬季時(shí),主機(jī)中制冷劑在蒸發(fā)過(guò)程中從地源側(cè)10℃左右的水中吸熱,從而制取50℃左右的熱水,地源側(cè)水體通過(guò)不斷循環(huán)與土壤換熱,維持10℃的平衡水溫。由于梅花螺旋形地源熱泵地下?lián)Q熱器專用管具有梅花螺旋形內(nèi)結(jié)構(gòu),使水體在流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生更多渦旋,增強(qiáng)紊流效果,從而增大水體與土壤的換熱量,而梅花螺旋形地源熱泵地下?lián)Q熱器專用管具有的更大的耦合面積也增大了土壤與管壁的換熱面積,從而增加了換熱效率,使地源熱泵系統(tǒng)具有更高的COP。