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北京市某學(xué)校地源熱泵空調(diào)工程冬季運行的現(xiàn)場實測顯示,“太陽能+地源熱泵+水地暖”是一種理想的供暖系統(tǒng)。
工程概況
該工程規(guī)劃總占地面積為71322平方米,其中,規(guī)劃建設(shè)用地面積為57332平方米,規(guī)劃總建筑面積35800平方米,由中小學(xué)教學(xué)樓、實驗樓、小禮堂、公寓樓、食堂、體育館和附屬用房等建筑組成。
該工程選用地源熱泵系統(tǒng)作為所有建筑物末端能量釋放系統(tǒng)用冷熱源,除體育館、教師公寓和食堂外,各建筑物只需要冬季采暖熱源,不需要夏季制冷冷源。設(shè)計地源熱泵系統(tǒng)夏季提供7~12℃冷凍水,冬季提供45~40℃空調(diào)、采暖用熱水。
該工程地源熱泵系統(tǒng)的冷設(shè)計負(fù)荷為5892KW,該工程地源熱泵系統(tǒng)的熱設(shè)計負(fù)荷為2499.84KW。
該工程教學(xué)樓、學(xué)生宿舍、小禮堂和體育館采用水地暖,教師宿舍、食堂采用風(fēng)機盤管,體育館采用風(fēng)機盤管和全熱交換空調(diào)機組。
該工程地埋管系統(tǒng)冬季吸熱熱負(fù)荷大約1875KW,夏季放熱熱負(fù)荷大約707KW。
該工程冬季調(diào)試運行現(xiàn)場實測和情況分析
一、調(diào)試運行現(xiàn)場實測
該工程于2007年10月25日開始調(diào)試運行,地埋管循環(huán)水穩(wěn)定溫度為13.6℃,11月1日調(diào)試完畢,并開始給建筑物供暖。
調(diào)試運行一個月后,系統(tǒng)運行現(xiàn)狀如下:
2007年12月5日至15日,兩臺主機同時運行4個小時后,地下埋管換熱器平均進(jìn)水溫度為3℃左右,平均出水溫度為7℃左右,出現(xiàn)機組的低溫保護(hù)自行停機,此時末端平均進(jìn)水溫度為32℃左右,平均出水溫度為28℃左右,各房間溫度均能達(dá)到設(shè)計要求。
2007年12月16日至20日,兩臺主機同時運行3個小時后,地下埋管換熱器平均進(jìn)水溫度為3℃左右,平均出水溫度為6.5℃左右,出現(xiàn)機組的低溫保護(hù)自行停機,此時末端平均進(jìn)水溫度為30℃左右,平均出水溫度為26℃左右,此時風(fēng)機盤管送出的風(fēng)溫度達(dá)不到設(shè)計要求,低溫水地板輻射采暖部分房間溫度也不能達(dá)到設(shè)計要求。
2007年12月31日調(diào)試發(fā)現(xiàn)兩臺主機根本無法正常開啟,zui后通過增大地下埋管換熱器水流量,兩臺熱泵主機能同時運行3個小時左右,地下埋管換熱器平均進(jìn)水溫度為3℃左右,平均出水溫度為6℃左右,維持5天后,機組的低溫保護(hù)自行停機,此時末端平均進(jìn)水溫度為27℃左右,平均出水溫度為23℃左右,各房間溫度均不能達(dá)到設(shè)計要求。
2008年1月5日,通過開啟一臺熱泵機組,同時調(diào)節(jié)關(guān)斷不使用的房間和樓層,分時段和功能供給公寓食堂(中午和晚上)和教學(xué)樓,此時地下埋管換熱器平均進(jìn)水溫度為3.5℃左右,平均出水溫度為6.7℃左右,末端平均進(jìn)水溫度為32℃左右,平均出水溫度為28℃左右,房間溫度有所改善。
二、調(diào)試運行現(xiàn)場實測情況分析
從以上調(diào)試運行現(xiàn)場實測情況可以看出:該工程由于沒有經(jīng)過夏天運行直接從冬季開始投入使用,也由于在該工程場區(qū)的水文地質(zhì)以及地層熱物性參數(shù)條件下地埋管換熱器大面積集中布置,地源熱泵從大地提取熱量,地埋管換熱器周圍巖土體溫度逐漸降低,取熱條件逐漸惡化,進(jìn)入地源熱泵機組的傳熱介質(zhì)溫度降低,帶來地源熱泵機組性能系數(shù)的降低,導(dǎo)致地源熱泵機組zui后經(jīng)常停機保護(hù),不能正常運行,不僅影響地源熱泵系統(tǒng)的供熱效果,也降低了地源熱泵系統(tǒng)的整體節(jié)能性,特別是該工程冬、夏季逐時動態(tài)負(fù)荷相差甚遠(yuǎn),即冬季供暖時從地下取熱的累計熱量遠(yuǎn)大于夏季空調(diào)時釋放到地下的累計熱量,也就是負(fù)荷總量變化特征是累積取熱型,這就意味著地埋管換熱器周圍巖土溫度逐年下降,zui終將不能運行,調(diào)整的關(guān)鍵措施是增加排熱。
該工程采用地源熱泵與低溫地板輻射供暖和風(fēng)機盤管聯(lián)合運行方式。低溫地板輻射供暖是一種利用建筑物內(nèi)部地面進(jìn)行采暖的系統(tǒng),該系統(tǒng)以整個或部分地面作為散熱面,其地板散熱面主要以輻射熱的形式(約占總熱量的61.25%)向室內(nèi)散熱。低溫地板輻射采暖系統(tǒng)與傳統(tǒng)的散熱器供暖形式相比,一個突出特點是熱媒溫度低,熱媒溫度要求僅在30℃~60℃之間,而風(fēng)機盤管要求的供水溫度不低于40℃,此時送出的風(fēng)溫度才能達(dá)到要求,而且地面填充層的蓄熱結(jié)構(gòu)增加了系統(tǒng)的熱惰性。在該工程的調(diào)試中發(fā)現(xiàn):如果低溫地板輻射供暖供水溫度為40℃,熱泵主機比平時上班時間需提前約1小時開啟,室內(nèi)方能達(dá)到設(shè)計溫度,而風(fēng)機盤管不需要提前開啟,室內(nèi)溫度就能達(dá)到要求;如果低溫地板輻射供暖供水溫度為35℃,熱泵主機比平時上班時間需提前約3小時開啟,室內(nèi)方能達(dá)到設(shè)計溫度,風(fēng)機盤管送出的風(fēng)不能達(dá)到設(shè)計效果;如果低溫地板輻射供暖供水溫度為30℃,熱泵主機比平時上班時間需提前約6小時開啟,室內(nèi)方能達(dá)到設(shè)計溫度,而風(fēng)機盤管送出的風(fēng)感覺很冷。以上室外溫度均為-9℃。地源熱泵主機要率提供高于40℃的低溫?zé)崴?,地埋管換熱器相應(yīng)要提供較高的供水溫度,但根據(jù)土壤源熱泵運行特點,宜采用間歇運行方式,使土壤溫度場能得到有效恢復(fù),從而提高熱泵的制冷(制熱)系數(shù)。低溫地板輻射供暖的持續(xù)性和土壤源熱泵運行的間歇性在經(jīng)濟合理的條件下如何很好地耦合而協(xié)調(diào)工作是地埋管換熱器設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
太陽能作為地源熱泵輔助熱源改造方案
一、改造方案的依據(jù)
1.該工程豎直地埋管區(qū)域土壤環(huán)境溫度自然恢復(fù)周期長
2008年5月6日,從地埋管穩(wěn)定10小時循環(huán)水溫度中觀測到地埋管中水的溫度為10.1℃。正常運行的地源熱泵系統(tǒng)通常具備一定的恢復(fù)期,這個恢復(fù)期實際為大地自然調(diào)節(jié)能力的表現(xiàn),但這種調(diào)節(jié)能力已受到負(fù)荷時間和負(fù)荷總量的限制,該工程從土壤吸收熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過大地的自然調(diào)節(jié)能力,為了系統(tǒng)的正常運行,必須增加輔助熱源。
2.豎直地埋管換熱器布置太集中
由于豎直地埋管換熱器布置太集中,埋管中心區(qū)域四面均有熱干擾,又由于低溫水地板輻射采暖的連續(xù)性,原埋管間距不能滿足地源熱泵主機的連續(xù)運行,而且當(dāng)埋管區(qū)域土壤環(huán)境溫度下降到一定程度,中心區(qū)域的豎直地埋管換熱器無法從外界獲取熱量,有效地埋管換熱器數(shù)量相對減少,這更加需要增加輔助熱源在不采暖的季節(jié)向地埋管區(qū)域土壤蓄熱,從而適當(dāng)提高地埋管區(qū)域土壤溫度,提高主機運行效率。
3.熱泵機組要提供該系統(tǒng)聯(lián)合運行的溫度
要同時滿足低溫地板輻射采暖所要求的供水溫度和風(fēng)機盤管要求的供水溫度,就必須要求熱泵機組提供不低于40℃供水溫度,也就是要求地埋管換熱器要有較高的供水溫度和地埋管區(qū)域的土壤要有較高的溫度。這就要求地埋管區(qū)域的土壤必須從外界獲取滿足冬季使用