淺談地源熱泵、水蓄冷系統(tǒng)工程應(yīng)用實(shí)例

【摘 要】 本文結(jié)合工程實(shí)例介紹節(jié)能環(huán)保型空調(diào)技術(shù)在工程中的應(yīng)用，并淺析地源熱泵、水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能、環(huán)保原理。 

　　【關(guān)鍵詞】 節(jié)能；環(huán)保；空調(diào)系統(tǒng)；地源熱泵；水蓄冷 
　
　　隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)生活及工作環(huán)境的要求也在不斷提高?，F(xiàn)如今空調(diào)技術(shù)已成為現(xiàn)代化建筑*的元素，又因當(dāng)今人類(lèi)面臨能源短缺、環(huán)境污染兩大難題，因此選用節(jié)能環(huán)保的空調(diào)系統(tǒng)尤為重要，其將帶來(lái)一定的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。本文結(jié)合具體工程實(shí)例，簡(jiǎn)單介紹地源熱泵、水蓄冷節(jié)能環(huán)保型空調(diào)系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用。 
　　1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介 
　　某工程總建筑面積48128m2，其中地下一層，地上七層，夏季空調(diào)總冷負(fù)荷為5015KW，冬季總熱負(fù)荷為3042KW。該工程館藏?cái)?shù)量100萬(wàn)卷以上屬于檔案館，其空調(diào)系統(tǒng)按一類(lèi)省級(jí)檔案館標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 
　　該工程積極響應(yīng)國(guó)家關(guān)于節(jié)能減排政策的號(hào)召采用可再生、環(huán)保的地球淺層地?zé)崮苜Y源作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源。通過(guò)地源熱泵冷熱水機(jī)組、螺桿式冷水機(jī)組加冷卻塔及水蓄冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供熱與制冷的目的。 
　　2 空調(diào)系統(tǒng) 
　　2.1 地源熱泵。地源熱泵是一種利用淺層地?zé)崮茉吹募瓤晒嵊挚芍评涞墓?jié)能系統(tǒng)，其通過(guò)輸入少量的高品位能來(lái)實(shí)現(xiàn)由低品位熱能向高品位能的轉(zhuǎn)移。因地表淺層是一個(gè)巨大的太陽(yáng)能集熱器，收集了47%的太陽(yáng)能量，相當(dāng)于人類(lèi)每年利用能量的500多倍，且其不受地域、資源限制，通過(guò)利用這種儲(chǔ)存于地表淺層近乎無(wú)限的地?zé)崮苁沟玫卦礋岜贸蔀橐环N可再生能源利用技術(shù)。 
　　根據(jù)地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。本工程選用了地埋管地源熱泵系統(tǒng)，為防止地源熱泵長(zhǎng)年運(yùn)行導(dǎo)致土壤得失熱量失衡，從而影響地源熱泵使用效率，該工程以冬季熱負(fù)荷作為地埋管設(shè)計(jì)依據(jù)，夏季多余熱量通過(guò)冷卻塔散去。同時(shí)根據(jù)《江蘇省檔案館遷建工程土壤源熱泵熱效應(yīng)測(cè)試報(bào)告》、工程現(xiàn)場(chǎng)條件及工程成本江蘇省檔案館地埋管采用鉆孔埋管與樁基埋管相結(jié)合的復(fù)合系統(tǒng)，共設(shè)地埋管793組：其中鉆孔埋管510組，埋管有效深度58m，樁基埋管283組，利用樁基深度為60m。 
　　因地球淺層土壤溫度全年相對(duì)穩(wěn)定，所以地源熱泵機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，整個(gè)系統(tǒng)的維修費(fèi)用也相對(duì)較少。同時(shí)夏季土壤溫度比環(huán)境空氣溫度低，冬季土壤溫度比環(huán)境空氣溫度高，使得地源熱泵機(jī)組制冷劑夏季冷凝溫度相對(duì)較低、冬季蒸發(fā)溫度相對(duì)較高，從而使得機(jī)組運(yùn)行、節(jié)能，運(yùn)行成本低。地源熱泵近年來(lái)之所以發(fā)展如此迅猛，除受?chē)?guó)家、地方相關(guān)政策的推動(dòng)外，主要還得歸功于其可再生、節(jié)能、運(yùn)行成本及維修費(fèi)用低的特性。地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)相比在運(yùn)行費(fèi)用方面存在明顯優(yōu)勢(shì)，然而初投資費(fèi)用高成了其普及路上的絆腳石。地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)初投資高主要原因有：①現(xiàn)場(chǎng)勘查不詳細(xì)可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留量過(guò)大，從而引起初投資增加?，F(xiàn)場(chǎng)勘查在地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工中是重要的一個(gè)的環(huán)節(jié)，現(xiàn)場(chǎng)勘查的結(jié)果是判斷地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性的主要依據(jù)，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)勘查的仔細(xì)與否是影響地源熱泵系統(tǒng)初投資的主要原因之一。現(xiàn)場(chǎng)勘查主要兩方面的含義，一是現(xiàn)場(chǎng)狀況的調(diào)查，二是地質(zhì)勘查。地質(zhì)勘查的主要目的是確定地下?lián)Q熱器每延米的換熱量以及地源孔施工的難易程度，從而確定地下?lián)Q熱器的大小、地源熱泵系統(tǒng)室外埋管部分的施工工藝及預(yù)期工期。如果現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)查不清楚，就可能會(huì)給設(shè)計(jì)以及將來(lái)施工帶來(lái)困難，以往實(shí)驗(yàn)表明，地下?lián)Q熱器單位孔深的換熱量為40～70W/M，范圍較大，為規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，一般設(shè)計(jì)會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取不利工況設(shè)計(jì)，地下?lián)Q熱器總長(zhǎng)度設(shè)計(jì)過(guò)大，由此引起的材料費(fèi)和安裝費(fèi)用較高，導(dǎo)致地源熱泵系統(tǒng)初投資將明顯高于其它空調(diào)系統(tǒng)。②施工管理不嚴(yán)格導(dǎo)致初投資過(guò)高，因?yàn)榈叵聯(lián)Q熱器與土壤之間的換熱主要依靠地埋管和土壤之間的導(dǎo)熱，因此地源熱泵室外地埋管施工工藝和施工管理質(zhì)量直接影響地下?lián)Q熱器的運(yùn)行性能，然而往往施工過(guò)程中未嚴(yán)格按照施工工藝進(jìn)行，導(dǎo)致地埋管成孔率低。③鉆孔成本相對(duì)較高。 
　　本工程在地源熱泵系統(tǒng)初投資控制方面采取下列措施：①全面的現(xiàn)場(chǎng)勘查，并依據(jù)江蘇省綠色建筑工程技術(shù)研究中心的關(guān)于《江蘇省檔案館遷建工程土壤源熱泵熱響應(yīng)測(cè)試報(bào)告》及其補(bǔ)充說(shuō)明進(jìn)行設(shè)計(jì)。②現(xiàn)場(chǎng)施工嚴(yán)格按照《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》GB50366-2005及地源熱泵設(shè)計(jì)說(shuō)明進(jìn)行管理，確保地埋管成孔率，從而達(dá)到減少初投資成本的目的；同時(shí)因地埋管較為隱蔽，在后道工序施工及交叉作業(yè)時(shí)極易造成地埋管損壞，所以個(gè)人認(rèn)為施工過(guò)程中加強(qiáng)協(xié)調(diào)管理、作好地埋管路由及埋深標(biāo)記、成品保護(hù)對(duì)降低初投資的作用也不容小視。③地埋管采用雙U型（使得在同樣工程條件下，比單U型換熱性能提高15～30%）以及采用樁基埋管與鉆孔埋管相結(jié)合的系統(tǒng)，從而減少鉆孔成本。 
　　2.2 水蓄冷。本工程夏季冷負(fù)荷遠(yuǎn)大于冬季熱負(fù)荷，而其又以冬季熱負(fù)荷作為地埋管的設(shè)計(jì)依據(jù)，因此僅靠地源熱泵系統(tǒng)勢(shì)必造成夏季供冷不足，在此背景之下該工程另選一臺(tái)螺桿式冷水機(jī)組（配一臺(tái)冷卻塔）并結(jié)合水蓄冷系統(tǒng)以彌補(bǔ)夏季冷量的不足。 
　　水蓄冷技術(shù)是在電力負(fù)荷較低的夜間，通過(guò)運(yùn)行冷水機(jī)組將冷量以冷水的形式儲(chǔ)存起來(lái)，而在電力高峰期的白天，不開(kāi)或少開(kāi)冷水機(jī)組，充分利用夜間儲(chǔ)存的冷量進(jìn)行供冷，從而使得冷水機(jī)組避峰運(yùn)行。而往往電力部門(mén)實(shí)施分時(shí)電價(jià)，采用蓄冷空調(diào)技術(shù)并不一定節(jié)省電量，但通過(guò)電價(jià)差可為業(yè)主節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，更重要的是有利于國(guó)家電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此國(guó)家將其列為一種節(jié)能、環(huán)保的技術(shù)來(lái)大力推廣。 
　　選用水蓄冷系統(tǒng)不僅可以減少前期投資費(fèi)用，還可以節(jié)約運(yùn)行成本同時(shí)凈化環(huán)境。首先水蓄冷系統(tǒng)可以利用已選機(jī)組進(jìn)行蓄冷，另選一臺(tái)板式換熱器進(jìn)行釋冷，而板式換熱器成本相對(duì)較低，因此減少了設(shè)備投資費(fèi)用；其次水蓄冷系統(tǒng)可利用電網(wǎng)的峰谷電價(jià)差，在使主機(jī)避峰運(yùn)行的同時(shí)，具有運(yùn)行可靠、維修費(fèi)用少、管理簡(jiǎn)單等特性，另外其社會(huì)效益顯著符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策發(fā)展方向，通過(guò)運(yùn)用水蓄冷系統(tǒng)可以平衡電網(wǎng)負(fù)荷，減少電廠(chǎng)投資，凈化環(huán)境。 
　　本工程水蓄冷系統(tǒng)以消防水池作為蓄冷水池（有效容積≥1150m3），總蓄冷量為10700KWH。夜間開(kāi)啟螺桿式冷水機(jī)組配合冷卻塔或地源熱泵機(jī)組，機(jī)組內(nèi)制冷劑在壓縮機(jī)作用下變?yōu)楦邷?、高壓氣態(tài)；之后進(jìn)入冷凝器，在冷卻水或地下室的作用下形成高壓液態(tài)制冷劑；從冷凝器出來(lái)的高壓液態(tài)制冷劑經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器；在蒸發(fā)器內(nèi)低壓液態(tài)制冷劑吸收消防水池內(nèi)水的熱量而汽化；汽化后的制冷劑又重新被壓縮機(jī)吸入壓縮，如此周而復(fù)始的循環(huán)，從而制取3～7℃的低溫水以達(dá)到蓄冷的目的。白天消防水池內(nèi)的低溫水在循環(huán)水泵作用下通過(guò)板式換熱器換熱制取7℃的冷凍水，而后冷凍水在循環(huán)水泵的作用下通過(guò)末端設(shè)備與房間進(jìn)行換熱從而實(shí)現(xiàn)制冷的目的。（板式換熱器冷側(cè)進(jìn)出口溫度（4℃/9℃），熱測(cè)進(jìn)出口溫度為（7℃/12℃），換熱量為1300KW。） 
　　3 結(jié)語(yǔ) 
　　綜上所述，可知本工程運(yùn)用了當(dāng)今社會(huì)較前沿的空調(diào)技術(shù)。其空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能、環(huán)保性不言而喻，定能滿(mǎn)足當(dāng)今社會(huì)關(guān)于節(jié)能、環(huán)保、低碳、可持續(xù)發(fā)展的要求，并將帶來(lái)一定的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也將為推動(dòng)地源熱泵及水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展做出一定的貢獻(xiàn)。 
　　參考文獻(xiàn) 
　　1 東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，暖通設(shè)計(jì)說(shuō)明 
　　2 張俊巧.地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)——降低地源熱泵系統(tǒng)初投資的有效途徑.中國(guó)制冷學(xué)會(huì)2007學(xué)術(shù)年會(huì)論文集 
　　3 陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）下冊(cè).中國(guó)建筑工業(yè)出版社 
　　4 李洋、曾遠(yuǎn)，淺談水蓄冷技術(shù)，山西建筑第36卷35期

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