鐵路站房地源熱泵系統(tǒng)工程熱平衡分析

沈德安

鐵路站房地源熱泵系統(tǒng)工程熱平衡分析

沈德安

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

結(jié)合具體工程,根據(jù)某車站空調(diào)采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況及該工程地埋管換熱特性測(cè)試報(bào)告,采用地源熱泵系統(tǒng)作為冷熱源?？紤]地源熱泵系統(tǒng)的冷熱平衡需要,分析采用地源熱泵+鍋爐輔助系統(tǒng)及太陽(yáng)能地源熱泵耦合系統(tǒng)兩種不同熱平衡方案用于鐵路站房,計(jì)算各自需要的熱泵機(jī)組容量及室外埋管換熱器具體設(shè)計(jì)規(guī)模。詳細(xì)介紹兩種系統(tǒng)的冷熱平衡方式,并對(duì)各自特點(diǎn)及工程運(yùn)用進(jìn)行論述,提出在具體工程中因地制宜,應(yīng)根據(jù)不同情況,采用合適的系統(tǒng)熱平衡方式。

地源熱泵;換熱特性;冷熱平衡;冷熱源

鐵路站房具有數(shù)量多,位置偏僻等特點(diǎn),與市政集中供熱管網(wǎng)連接較難實(shí)現(xiàn),一般設(shè)置自用鍋爐房和冷水機(jī)房實(shí)現(xiàn)冬夏季供熱及供冷需求。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng),鐵路車站規(guī)模、功能不斷擴(kuò)大,車站能耗也在快速增長(zhǎng),尤其是隨著客運(yùn)站和貨運(yùn)站的服務(wù)功能和經(jīng)濟(jì)功能的進(jìn)一步開發(fā)和完善,必然造成客運(yùn)站和貨運(yùn)站更大的能耗[1]。

根據(jù)國(guó)家節(jié)能減排政策的響應(yīng),在鐵路車站尤其中小型站房中采用地源熱泵等可再生能源技術(shù)具有廣闊前景。地源熱泵系統(tǒng)以土壤為熱源或熱匯,由于地下一定深度處的土壤溫度全年可保持相對(duì)穩(wěn)定,因此地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中具有較高的性能系數(shù)[2]。但對(duì)于嚴(yán)寒或寒冷地區(qū),系統(tǒng)冬夏季取熱及釋熱不平衡,如何解決好此問(wèn)題,保證系統(tǒng)長(zhǎng)久高效運(yùn)行十分必要,結(jié)合具體工程分析采用不同的措施解決地源熱泵系統(tǒng)冷熱平衡問(wèn)題。

1 工程概況

本鐵路車站站房所在城市地處東北亞中心的遼寧中部城市群,是吉林、黑龍江兩省通往其他省市和出海港口的重要通道。工程所在地火車站距市區(qū)約8 km。站房總建筑面積為4 456m2,最高集聚人數(shù)為500人,建筑最高處為17.5 m,站前廣場(chǎng)面積4 500m2。站房如圖1所示。

圖1 某站房正立面效果圖

1.1 氣象條件

項(xiàng)目所在地冬季采暖室外計(jì)算溫度-23℃,冬季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度-26℃,冬季空調(diào)室外計(jì)算相對(duì)濕度59%;夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度30.7℃,室外計(jì)算相對(duì)濕度78%。室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 地質(zhì)狀況

根據(jù)“地源熱泵項(xiàng)目地層熱物性測(cè)試報(bào)告”,項(xiàng)目所在區(qū)域地貌為剝蝕殘丘及沖溝洼地,地形起伏較大,最大高程173.2 m,最小高程154.9 m,相對(duì)高差7～9m。場(chǎng)區(qū)內(nèi)地層單一,無(wú)大的地質(zhì)構(gòu)造、斷裂、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng),未發(fā)現(xiàn)順層滑動(dòng)、圓弧滑動(dòng)體等不良地質(zhì)現(xiàn)象,場(chǎng)地第四系全新統(tǒng)地層為非液化土層。

該區(qū)域出露地層主要為:第四系全新統(tǒng)殘積的粉質(zhì)黏土、沖積的粉質(zhì)黏土及上更新統(tǒng)沖積黏質(zhì)黃土,底部為白堊系下統(tǒng)砂巖夾泥巖。

地下穩(wěn)定水位2.1～12.8 m,主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水,主要受大氣降水補(bǔ)給,隨季節(jié)性降水而漲落。地下水徑流方向由東向西,徑流速度2.2m/d,土壤最大凍結(jié)深度0.15m。

2 空調(diào)及采暖方案

2.1 空調(diào)及采暖系統(tǒng)形式

根據(jù)不同使用用途及功能的房間進(jìn)行系統(tǒng)劃分。貴賓候車室采用獨(dú)立變頻多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng),工藝設(shè)備用房、通信機(jī)械室、車站客運(yùn)信息系統(tǒng)用房、信號(hào)電源及繼電器室等房間設(shè)機(jī)房專用空調(diào),候車大廳、客服及售票廳采用全空氣空調(diào)系統(tǒng),冷負(fù)荷375 kW,其他采用風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)系統(tǒng),冷負(fù)荷110 kW。

候車廳、VIP候車室及售票廳采用低溫地板輻射采暖方式,熱負(fù)荷為417.5 kW;補(bǔ)票室、綜合辦公等采用風(fēng)機(jī)盤管采暖,熱負(fù)荷為127.6 kW。

2.2 系統(tǒng)冷熱源方案

若采用水冷機(jī)組,須考慮冷卻塔的設(shè)置,其影響車站的整體美觀,且冷卻塔耗水、耗電大,系統(tǒng)運(yùn)行能耗高,不建議采用。另外,該市冬季室外氣溫低于-20℃,采用空氣源熱泵機(jī)組無(wú)法正常運(yùn)行或運(yùn)行效率較低,且空氣源熱泵室外機(jī)組安裝需與建筑外觀相協(xié)調(diào),本站房屋面采用鋼結(jié)構(gòu)屋面,增加了機(jī)組設(shè)置難度,不適用。

考慮到站前廣場(chǎng)面積大,地下水位較淺,地溫適中,適于采用地源熱泵技術(shù)。地源熱泵性能系數(shù)為3～6,與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比,要高出40%左右,運(yùn)行費(fèi)用為普通集中式空調(diào)系統(tǒng)的30%～60%[3]。該工程地處嚴(yán)寒地區(qū),冬夏季負(fù)荷不平衡,設(shè)計(jì)中需考慮系統(tǒng)冷熱平衡,設(shè)計(jì)中討論采用以下2種方案。

方案一,地源熱泵系統(tǒng)按夏季負(fù)荷設(shè)置地埋管換熱器及熱泵機(jī)組,不滿足冬季負(fù)荷的部分由站外燃油鍋爐(預(yù)留燃?xì)鈼l件)輔助,見(jiàn)圖2。單臺(tái)機(jī)組制冷量為271.7 kW,機(jī)組制熱量為227.8 kW,制冷功率51.3 kW,夏季提供冷媒溫度為7/12℃,冬季提供熱媒溫度為55/50℃。

在冬季,由于地源熱泵系統(tǒng)供熱能力不足,機(jī)組地源端進(jìn)口水溫降低,制熱效率降低,系統(tǒng)制熱量下降,為保證機(jī)組高效運(yùn)行,降低機(jī)組出水溫度,再將熱泵機(jī)組出水經(jīng)過(guò)換熱器換熱后達(dá)到供水溫度要求。極端情況下,也可以完全有鍋爐房供暖,機(jī)組停止運(yùn)行。

方案二,按冬季采暖工況設(shè)置地埋管換熱器及熱泵機(jī)組,利用集中太陽(yáng)能系統(tǒng)補(bǔ)償冬季過(guò)多吸熱量。為了充分利用太陽(yáng)能系統(tǒng)、發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)中考慮集中熱水供應(yīng),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供冷、供熱及供熱水的需求,見(jiàn)圖3?？照{(diào)采暖機(jī)組制冷量為361.2 kW,機(jī)組制熱量為336.9 kW,制熱功率94.3 kW,夏季提供冷媒溫度為7/12℃,冬季提供熱媒溫度為55/50℃。太陽(yáng)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量根據(jù)冷熱平衡需求及熱水耗熱量來(lái)確定。熱水機(jī)組按需要熱水供熱量設(shè)計(jì)。

在5月至9月期間,太陽(yáng)能豐富,利用埋管分區(qū)設(shè)計(jì)及閥門控制,實(shí)現(xiàn)同時(shí)供冷及太陽(yáng)能回灌的目的。一部分地埋管作為空調(diào)釋熱使用,一部分作為太陽(yáng)能回灌使用,逐年輪換。在冬季,地源端出水溫度先經(jīng)換熱器換熱,利用太陽(yáng)能提高水溫,再進(jìn)入地源熱泵機(jī)組制熱,可以提高機(jī)組效率,并充分利用太陽(yáng)能資源。

3 室外埋管換熱器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 室外埋管區(qū)換熱特性測(cè)試

利用測(cè)得循環(huán)水流經(jīng)地埋管換熱器前后的溫度、

流量,可以計(jì)算得出該測(cè)試孔的換熱量。計(jì)算公式為

圖2 地源熱泵+鍋爐輔助系統(tǒng)原理

圖3 太陽(yáng)能地源熱泵耦合系統(tǒng)原理

式中 Q——地埋管時(shí)均換熱量,W;

m——地埋管內(nèi)水流量,kg/s;

cp——循環(huán)水的定壓比熱,kJ/(kg·K);

tin、tout——地埋管進(jìn)出口水溫,℃;

ql——單位孔深換熱量,W/延米; l——地埋管換熱器埋管深度,m。

根據(jù)線熱源理論可以得出地埋管換熱器內(nèi)循環(huán)水平均溫度與換熱量的函數(shù)關(guān)系,進(jìn)而推算出當(dāng)?shù)赝寥罒嵛镄詤?shù),如土壤導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率等參數(shù)[4]。

本工程測(cè)試鉆孔口徑180mm,深80 m,成孔后將φ32mm的HDPE(高密度聚乙烯)單U管下入已打好的成孔中,用回填料回填,保證回填料均勻密實(shí),以上工序結(jié)束后靜止48 h以上,為下一步測(cè)試做好準(zhǔn)備。

采用恒熱流法測(cè)試,恒熱流法是保持加熱功率恒定,測(cè)量采集進(jìn)出口水溫度數(shù)據(jù),然后反解傳熱模型可以得到土壤導(dǎo)熱系數(shù),如圖4所示。測(cè)量?jī)x中的管路與埋管換熱器地下回路相接,循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)流體在回路中循環(huán)流動(dòng),流體經(jīng)過(guò)加熱器加熱后流經(jīng)地下回路與地下巖土進(jìn)行換熱。測(cè)得的出、入口流體溫度和流量、恒熱功率等數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存,再進(jìn)行處理分析。如將恒溫?zé)嵩磽Q為風(fēng)冷熱泵機(jī)組等冷熱兩用的裝置,控制水箱溫度,可直接測(cè)出冬夏季吸熱量數(shù)值[5]。

圖4 測(cè)試裝置原理

經(jīng)測(cè)試,地埋孔埋深范圍內(nèi)的巖土層的原始平均溫度為12.5℃?？鄢竭B接管與周圍環(huán)境的傳熱量即可得到垂直的埋管傳熱能力。結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 熱物性測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)及地質(zhì)情況,該項(xiàng)目區(qū)域地埋孔(80m深、單U型、De32管)夏季換熱量范圍約為42～46W/延米,冬季換熱量范圍約為25～30W/延米。

3.2 室外埋管換熱器設(shè)置

方案一,根據(jù)夏季工況設(shè)計(jì)。地源熱泵埋地?fù)Q熱系統(tǒng)采用單U形管垂直埋管系統(tǒng),打130個(gè)深80m地埋管孔,孔徑180 mm,U形管管材為φ32×3PE管(PE80型),見(jiàn)圖5。為確保地埋管換熱器的可靠性,每個(gè)豎直鉆孔換熱器支管路直接接至分集水器井內(nèi)的分集水器,整個(gè)支管路中間不設(shè)接頭,降低了施工難度,檢修方便。某個(gè)換熱器出現(xiàn)泄漏,直接在分集水器井內(nèi)關(guān)閉該支路即可,不影響其他換熱器使用,系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

方案二,根據(jù)冬季工況設(shè)計(jì)。地源熱泵埋地?fù)Q熱系統(tǒng)采用單U形管垂直埋管系統(tǒng),打210個(gè)深80m地埋管孔,孔徑180 mm,U形管管材為φ32×3PE管(PE80型)。設(shè)置方式同方案一。

3.3 地源熱泵系統(tǒng)全年熱量平衡分析

在工程設(shè)計(jì)中,應(yīng)注意地源熱泵系統(tǒng)最大釋熱量與建筑設(shè)計(jì)冷負(fù)荷相對(duì)應(yīng),系統(tǒng)最大吸熱量與建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷相對(duì)應(yīng)

式中,Qe為地源熱泵系統(tǒng)最大釋熱量;Qc為建筑物空調(diào)冷負(fù)荷;COPc為地源熱泵機(jī)組制冷性能系數(shù); Qg為冷媒輸送過(guò)程中的熱量;Qp為水泵釋放熱量;Qa為地源熱泵系統(tǒng)最大吸熱量;Qh為建筑物低溫采暖熱負(fù)荷;COPh為地源熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù);QL為熱媒輸送過(guò)程中熱損失。

由前面分析可知,方案一采用保證夏季供冷需求的前提下,減少冬季吸熱量而用燃油鍋爐房輔助的方法,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)冬夏季冷熱平衡。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,通過(guò)調(diào)節(jié)鍋爐房輔熱量,維持系統(tǒng)最佳運(yùn)行狀況,最大限度利用地?zé)崮芰俊?/p>

方案二采用保證冬季供暖需求(系統(tǒng)最大負(fù)荷需求),夏季將太陽(yáng)能回灌入地下,補(bǔ)充冬季過(guò)多吸熱量。根據(jù)“中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集”,5月至9月太陽(yáng)能回灌,晴天率約75%,日回灌時(shí)間為5～8 h,冬夏季熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間70%能力運(yùn)行,分析得出系統(tǒng)不平衡熱量為950 kW?？紤]埋管區(qū)地下水位遷移及全年太陽(yáng)能輻照的影響,太陽(yáng)能回灌能力按不平衡熱量的30%～50%設(shè)計(jì),并預(yù)留太陽(yáng)能系統(tǒng)增容條件(工程運(yùn)用中,系統(tǒng)回灌能量的最佳比例尚待進(jìn)一步研究)。太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)計(jì)算過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

4 結(jié)論

文中介紹了恒熱流法測(cè)試地埋管區(qū)的熱物性,利用計(jì)算出的地層綜合傳熱系數(shù),反推出冬季吸熱量,對(duì)測(cè)試設(shè)備有限的情況下提供了測(cè)試思路。

(1)不同地區(qū)、不同運(yùn)行工況條件下,應(yīng)采用不同的冷熱平衡措施。在夏熱冬冷地區(qū)采用冷卻塔或帶熱回收技術(shù)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)冷熱平衡的常用措施;嚴(yán)寒及寒冷地區(qū),地源熱泵輔助鍋爐房系統(tǒng)和太陽(yáng)能地源熱泵耦合系統(tǒng)是很好的選擇。

(2)地源熱泵+燃油鍋爐輔助系統(tǒng)規(guī)模小,初投資低,運(yùn)行簡(jiǎn)單,但是要消耗一次能源,對(duì)環(huán)境造成污染,未能充分利用可再生地?zé)崮?適用于投資少,環(huán)保要求不高的項(xiàng)目;太陽(yáng)能地源熱泵耦合系統(tǒng)除了消耗少量電能外,完全使用可再生清潔無(wú)污染能源,但是初投資較高,系統(tǒng)運(yùn)行復(fù)雜,但長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。本工程位置偏僻且考慮投資因素,采用地源熱泵輔助燃油鍋爐房的方式。

參考文獻(xiàn):

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[6] 沈德安.太陽(yáng)能地源熱泵耦合系統(tǒng)工程運(yùn)用分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2010(S2):82-85.

Analysis on Heat Balance of G round Source Heat Pum p System in Railway Station

SHEN De-an
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi'an 710043,China)

In regard to an actual railway station,based on its design circumstance ofair-condition heating system and its testing reportof ground heat transfer characteristics,the ground source heat pump system was adopted as its cold and heat source.Considering the need for heat balance of the ground source heat pump system,this thesis analyzes the two different schemes used in railway station buildings:the one is a ground source heat pump system assisted by boiler,and the other is a coupled system of solar energywith ground source heat pump.And then respectively for both schemes,this thesis calculates the required capacity of ground source heat pump unit and the required design scale of ground heat exchanger.This thesis also discusses how to achieve the cold and heatbalance for the two different schemes,and analyzes each characteristics and applicability in actual projects.Finally this thesis points out:it is necessary to use suitable and customized heat balancemodes for different projects on the basis of local conditions.

ground source heat pump;heat transfer characteristics;cold and heat balance;cold and heat source

TU831.3

A

1004-2954(2013)07-0119-04

2013-01-10

沈德安(1981—),男,工程師,2008年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué),工學(xué)碩士,E-mail:shen123s@163.com。