武漢某項(xiàng)目地源熱泵復(fù)合式全變頻能源站設(shè)計(jì)

#武漢某項(xiàng)目地源熱泵復(fù)合式全變頻能源站設(shè)計(jì)摘要通過(guò)對(duì)武漢某項(xiàng)目一期空調(diào)負(fù)荷計(jì)算及系統(tǒng)用能特點(diǎn)的分析，提出了一種地埋管地源熱泵與高電壓冷水機(jī)組復(fù)合式集成能源站系統(tǒng)，既能滿足實(shí)際需求又可減少污染物排放。介紹了高電壓離心式冷水機(jī)組及地源熱泵配置、全變頻控制系統(tǒng)的特點(diǎn)、用戶側(cè)二級(jí)泵水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、埋管區(qū)設(shè)計(jì)，并對(duì)土壤換熱器熱平衡進(jìn)行了計(jì)算及模擬分析。關(guān)鍵詞土壤源熱泵；高電壓離心式冷水機(jī)組；復(fù)合式系統(tǒng)；全變頻集成能源站；二級(jí)泵系統(tǒng)1工程概況該項(xiàng)目位于武漢市漢陽(yáng)四新組團(tuán)，其中1號(hào)能源站的供能范圍為：博覽中心萬(wàn)展廳區(qū)、 萬(wàn)商業(yè)區(qū)及“二期工程”國(guó)際會(huì)議中心（ 萬(wàn)）。展館建筑層數(shù)為層，一層包括為展館服務(wù)的車庫(kù)、商業(yè)、人行快速通道、設(shè)備用房：外環(huán)1區(qū)~6區(qū)、7區(qū)~12區(qū)為車庫(kù),內(nèi)環(huán)13~1區(qū)9為商業(yè)用房，二層為12個(gè)展廳及其登錄廳。國(guó)際會(huì)議中心建筑層數(shù)為6層，由33個(gè)會(huì)議廳和1個(gè)大宴會(huì)廳構(gòu)成。包含會(huì)議廳、宴會(huì)廳、休息廳（含走道）、接待室、門廳在內(nèi)的空調(diào)區(qū)域建筑面積為5.萬(wàn)5平方米。1號(hào)能源站為集中空調(diào)系統(tǒng)提供冷源、并同時(shí)為商業(yè)區(qū)及國(guó)際會(huì)議中心的集中空調(diào)系統(tǒng)提供熱源。會(huì)議中心按綠色三星標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，1號(hào)能源站采用地埋管的地源熱泵系統(tǒng)，通過(guò)地源熱泵供熱、地源熱泵與全變頻高壓離心機(jī)同時(shí)供冷。圖1武漢國(guó)際博覽中心核心區(qū)鳥(niǎo)瞰效果圖對(duì)能源站供能區(qū)域的建筑進(jìn)行了空調(diào)冷負(fù)荷的逐項(xiàng)逐時(shí)計(jì)算，總冷負(fù)荷為,計(jì)算總熱負(fù)荷為 。結(jié)果如下表所示?？紤]到展館的同時(shí)使用系數(shù)，及展覽高峰時(shí)段一般在不太炎熱的五、六月份及九、十月份，而五月份空調(diào)系統(tǒng)的峰值冷負(fù)荷約為最炎熱七月份的49%、十月份空調(diào)系統(tǒng)的峰值冷負(fù)荷約為最炎熱七月份的42%。綜合考慮展館使用功能及長(zhǎng)期發(fā)展的需求，空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷按計(jì)算總冷負(fù)荷的60%確定，能滿足展覽高峰期時(shí)所有12個(gè)展館同時(shí)使用的需求，按此原則確定的空調(diào)系統(tǒng)冷量可滿足在最炎熱的七月份能同時(shí)投入7個(gè)展館布展?？紤]到展館區(qū)與國(guó)際會(huì)議中心的冷熱源中心公用合建為1號(hào)能源站，國(guó)際會(huì)議中心的集中空調(diào)冷熱源裝機(jī)容量按70%的同時(shí)使用系數(shù)確定。按照上述原則確定的號(hào)能源站的設(shè)計(jì)裝機(jī)冷負(fù)荷為 ，裝機(jī)熱負(fù)荷為表1空調(diào)負(fù)荷及裝機(jī)容量表能1源站主機(jī)配置設(shè)計(jì)1號(hào)能源站設(shè)在展館7區(qū)的一層冷凍機(jī)房處，根據(jù)業(yè)主要求，展廳部分按單冷式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，商業(yè)區(qū)及國(guó)際會(huì)議中心按冷暖雙制式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。熱源由地埋管地源熱泵機(jī)組提供，冷源由地源熱泵機(jī)組及水冷離心式冷水機(jī)組共同提供。通過(guò)冷熱源方案比選能源站內(nèi)設(shè)臺(tái)高電壓離心式冷水機(jī)組單臺(tái)制冷量為 ，同時(shí)預(yù)留了一臺(tái)機(jī)組的安裝機(jī)位機(jī)房?jī)?nèi)另設(shè)臺(tái)離心式地源熱泵機(jī)組 ，單臺(tái)制冷量為 制熱量為制冷裝機(jī)總?cè)萘繛?，制熱裝機(jī)總?cè)萘繛?。冷熱源機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)一臺(tái)板式換熱器，與地埋管系統(tǒng)和熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器形成并聯(lián)環(huán)路，在熱泵機(jī)組冬季供熱時(shí)，關(guān)閉部分地埋管環(huán)路，以蒸發(fā)器的低溫出水為一次冷凍水，通過(guò)板式換熱器交換，產(chǎn)生免費(fèi)的二次冷凍水為國(guó)際會(huì)議中心的內(nèi)區(qū)制冷提供冷源。圖2冷熱源機(jī)房平面布置圖空2調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)空調(diào)水系統(tǒng)采用二級(jí)泵變流量系統(tǒng)，一級(jí)泵系統(tǒng)按冷水機(jī)組與熱泵機(jī)組分別設(shè)置，為兩個(gè)并聯(lián)的系統(tǒng)，其中熱泵機(jī)組的一次泵冬夏兼用；二次泵系統(tǒng)共分8個(gè)環(huán)路，1~3號(hào)展廳、4~6號(hào)展廳、13~1區(qū)6的辦公及商業(yè)、16~1區(qū)9的辦公及商業(yè)、7~9號(hào)展廳、10~1號(hào)2展廳、國(guó)際會(huì)議中心外區(qū)和內(nèi)區(qū)各為一個(gè)環(huán)路，其中國(guó)際會(huì)議中心和展館13~1區(qū)94個(gè)環(huán)路的二次泵兼作冬季供熱的空調(diào)熱水泵。夏季供回水溫度為6/1℃3,冬季空調(diào)供回水溫度為40/℃4。5地埋管水系統(tǒng)按一級(jí)泵變流量系統(tǒng)設(shè)計(jì)；地埋管水系統(tǒng)設(shè)電刷式自清洗過(guò)濾器，同時(shí)設(shè)兩臺(tái)真空脫氣機(jī)。離心式冷水機(jī)組配超低噪音橫流式冷卻塔，按4組設(shè)計(jì)，經(jīng)與業(yè)主協(xié)商，冷卻塔群設(shè)在冷凍機(jī)房附近的7米高架平臺(tái)上。與熱泵機(jī)組配套的地埋管換熱器共分4個(gè)回路。熱泵機(jī)組同時(shí)配超低噪音橫流式冷卻塔，按2組設(shè)計(jì)，其容量按熱泵機(jī)組制冷時(shí)的散熱量確定，夏季制冷季節(jié)，冷卻塔與地埋管換熱器交替運(yùn)行，控制機(jī)組向土壤的排熱量，保證土壤溫度場(chǎng)的平衡。圖集成能源站 模型圖4室外地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.土1壤熱平衡武漢地處夏熱冬冷的建筑氣候分區(qū)，夏季和冬季的空調(diào)冷熱負(fù)荷相差較大，根據(jù)詳細(xì)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果,峰值冷熱負(fù)荷相差 。這種全年空調(diào)冷、熱負(fù)荷平衡嚴(yán)重失調(diào)，如果僅使用地埋管地源熱泵系統(tǒng)提供冷熱量，排入到土壤中的冷熱量會(huì)相差更大，應(yīng)采用設(shè)置輔助冷卻源（冷卻塔）的復(fù)合式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，來(lái)維持土壤溫度在正常波動(dòng)范圍內(nèi)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的埋管長(zhǎng)度按冬季工況確定，為保證地下土壤的熱平衡，確?？照{(diào)系統(tǒng)長(zhǎng)年有效地運(yùn)行，地源熱泵設(shè)置輔助冷卻塔。4.地2埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)埋管長(zhǎng)度按冬季空調(diào)負(fù)荷確定，根據(jù)地埋管換熱器的換熱能力，換熱器設(shè)計(jì)冬季最大吸熱量為采用垂直鉆孔埋管的方式，以熱能力，換熱器設(shè)計(jì)冬季最大吸熱量為采用垂直鉆孔埋管的方式，以水為循環(huán)介質(zhì)。垂直埋管井群布置在展館中心庭院下，其型式為雙型，設(shè)計(jì)有效深度為,鉆孔間距為 X 有效深度為,鉆孔間距為 X 鉆孔直徑為；管群分為個(gè)埋管區(qū)，設(shè)計(jì)總鉆孔數(shù)為孔埋管區(qū)，設(shè)計(jì)總鉆孔數(shù)為孔6，各區(qū)鉆孔數(shù)分別為孔、區(qū) 孑k 區(qū)孔、區(qū) 孑k 區(qū)0孔；總有效井深為。雙埋管對(duì)應(yīng)的夏季設(shè)計(jì)總換熱能力為圖4埋管分區(qū)布置圖土3壤換熱器熱平衡計(jì)算模擬分析諸多工程實(shí)踐表明，短時(shí)間運(yùn)行對(duì)地埋管換熱能力影響較小，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，而長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行則由于土壤溫度的變化會(huì)導(dǎo)致地埋管換熱能力衰減，甚至能夠完全喪失換熱能力［2,。3因］此，需要根據(jù)各分區(qū)鉆井布置情況和地源熱泵系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行情況對(duì)地埋管長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行換熱能力變化規(guī)律進(jìn)行分析。將表1中的典型負(fù)荷作為設(shè)計(jì)工況，對(duì)于設(shè)計(jì)負(fù)荷條件下，地源熱泵系統(tǒng)的地埋管能否實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行取決于土壤溫度累積效應(yīng)或恢復(fù)情況。因此，需要對(duì)地源熱泵系統(tǒng)地下埋管換熱器的設(shè)計(jì)負(fù)荷進(jìn)行基本的匹配性檢驗(yàn)，即通過(guò)長(zhǎng)期模擬計(jì)算觀測(cè)土壤溫度的變化情況。在地埋管冷熱負(fù)荷不平衡率為10%情況下，5年中土壤平均溫度年變化曲線如圖5所示。從圖中可以看出，土壤每一年終溫是呈上升趨勢(shì)，但總體上升幅度不大，5年運(yùn)行期滿后，土壤平均溫度升高了約0.℃8，8地埋管換熱效率受到的影響較小，基本可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖5多年運(yùn)行工況土壤平均溫度變化5全變頻能源站控制系統(tǒng)冷熱源系統(tǒng)采用“全變頻集成式冷凍站”設(shè)計(jì)，空調(diào)水采用二級(jí)泵變流量系統(tǒng)，冷卻水采用一級(jí)泵變流量系統(tǒng)。冷熱源系統(tǒng)控制：本項(xiàng)目全變頻自控系統(tǒng)運(yùn)用智能的數(shù)學(xué)模型和算法［4，］實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)冷凍站內(nèi)各子設(shè)備的運(yùn)行模式，調(diào)整其運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化操作：控制系統(tǒng)的電腦芯片中保存了冷水機(jī)組、水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的“最高效率運(yùn)行曲線”，隨著系統(tǒng)負(fù)荷的變化而主動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的供冷量，并實(shí)時(shí)比較系統(tǒng)的總綜合效率線是否接近“最高效率運(yùn)行曲線”，并向冷水機(jī)組、水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)發(fā)出控制指令，使整個(gè)系統(tǒng)的部分負(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)值最大化。控制系統(tǒng)對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)和冷卻水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用按"系統(tǒng)冷量需求"來(lái)控制，系統(tǒng)給冷凍機(jī)提供一個(gè)用以控制其運(yùn)行的冷凍水輸出溫度設(shè)定點(diǎn)，冷水機(jī)組、冷卻塔風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和水泵轉(zhuǎn)速根據(jù)"相等邊際性能原則"來(lái)改變，使整個(gè)系統(tǒng)的能耗最低。冷卻塔與地埋管復(fù)合式系統(tǒng)運(yùn)行控制策略：（1）設(shè)定熱泵主機(jī)冷凝器進(jìn)（出）口溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)開(kāi)啟冷卻塔；(2)熱泵冷凝器進(jìn)(出)口流體溫度與室外濕球溫度之差超過(guò)設(shè)定值時(shí)開(kāi)啟冷卻塔。(2)制冷季初終期優(yōu)先使用冷卻塔、檢測(cè)年土壤溫度升高率確定冷卻塔使用頻率。項(xiàng)目經(jīng)過(guò)5年的運(yùn)行期，節(jié)能效果顯著，本項(xiàng)目根據(jù)負(fù)荷特點(diǎn)及周邊資源情況，采用可再生能源及常規(guī)電制冷復(fù)合式全變頻集成能源站系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低了初投資，減少了碳排放?？紤]到項(xiàng)目間歇使用附加負(fù)荷大，高大空間供熱預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)所造成的能源浪費(fèi)，1號(hào)能源站預(yù)留了同2號(hào)能源站聯(lián)絡(luò)的通道，通過(guò)與2號(hào)能源站的聯(lián)通達(dá)到資源共享、節(jié)能減排的目標(biāo)。[1]於仲義，雷建平，陳焰華，等.武漢某博覽中心一期供熱供冷能源系統(tǒng)應(yīng)用分析J].武漢勘察設(shè)計(jì)，2012,