李顏頤， 李玉幸， 劉 芳， 張曉彤， 翁 宇， 狄彥強(qiáng)

(1. 中國(guó)建筑技術(shù)集團(tuán)有限公司，北京 100013；2. 中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

節(jié)能降耗的要求隨著全球能源的日趨緊張而日益緊迫，而在我國(guó)所有能源消耗中，建筑能耗占有較大比重。建筑中節(jié)能減排也就成為了緩解能源壓力、解決能源污染環(huán)境問(wèn)題的強(qiáng)有力方案。在建筑能耗中，空調(diào)能耗大概占據(jù)整個(gè)建筑能耗的60%，因此關(guān)注建筑空調(diào)的節(jié)能減排，極力推廣可再生能源替代的發(fā)展、應(yīng)用，具有非常現(xiàn)實(shí)的重要意義[1]。地源熱泵系統(tǒng)是一種新型清潔能源設(shè)備，目前，在我國(guó)雖然還未大面積普及，但已經(jīng)受到了廣泛關(guān)注。

地源熱泵系統(tǒng)主要是利用淺層地能來(lái)進(jìn)行供熱制冷的一種新型能源利用技術(shù)。該系統(tǒng)熱量的蓄存器為土壤，冬取夏蓄，同時(shí)在夏季利用空調(diào)的冷凝熱加熱生活熱水，很大程度上避免了夏季空調(diào)熱污染；規(guī)避了夏季開(kāi)式冷卻塔的耗水，避免了冷卻塔的濕污染。該系統(tǒng)以年為周期形成冷熱循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的功能。

本文針對(duì)具體項(xiàng)目，分析了地源熱泵項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法，并根據(jù)當(dāng)?shù)仨?xiàng)目的具體氣候條件提出了適合當(dāng)?shù)厍闆r的智能控制方案，最后針對(duì)本項(xiàng)目的投資費(fèi)用與常規(guī)供冷供熱系統(tǒng)的投資費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比分析，得出地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。

1 工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)分析

1.1 工程概況

本工程為江蘇某建筑科技系統(tǒng)工程地源熱泵項(xiàng)目，該項(xiàng)目統(tǒng)一采用集中地源側(cè)分戶地源熱泵系統(tǒng)，為各公寓戶內(nèi)供應(yīng)空調(diào)冷熱源及整年24h生活熱水。末端冬天采用低溫?zé)崴匕宀膳?，夏天空調(diào)采用風(fēng)機(jī)盤管，以及全年采用新風(fēng)換氣機(jī)提供新風(fēng)。本工程利用土壤作為室外冷熱源，采用集中地源側(cè)分戶地源熱泵系統(tǒng)，共設(shè)計(jì)地埋孔1 232個(gè)，有效埋深100m，全部布置于地下室范圍內(nèi)。

1.2 集中泵房供配電設(shè)計(jì)分析

依據(jù)JGJ 16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.2.6條文規(guī)定：區(qū)域性采暖鍋爐房、換熱站等用電負(fù)荷，應(yīng)根據(jù)規(guī)模及重要性等因素確定負(fù)荷等級(jí)，負(fù)荷等級(jí)不低于二級(jí)。本項(xiàng)目集中泵房中供熱設(shè)備用電負(fù)荷定義為二級(jí)負(fù)荷，在配電所處采用母聯(lián)互投。集中泵房負(fù)荷計(jì)算表如表1所示。

用電設(shè)備負(fù)荷計(jì)算表 表1

采用放射式供電，由于條件的限制，變配電所距離集中泵房大約180m，由于供電半徑較大，應(yīng)根據(jù)電壓損失校驗(yàn)電纜截面。

在配電設(shè)計(jì)中，應(yīng)滿足用電設(shè)備端子電壓處的電壓偏差不超過(guò)規(guī)范規(guī)定值，并根據(jù)低區(qū)電網(wǎng)電壓偏差的情況，確定電壓損失允許值，當(dāng)缺少相關(guān)資料時(shí)，根據(jù)規(guī)范要求，變壓器二次側(cè)母線開(kāi)始計(jì)算，低壓線路允許電壓損失為5%[2]。

三相平衡負(fù)荷線路中，電壓損失計(jì)算公式如式(1)。

ΔU%=(Pr+Qx)l/10Un2

(1)

式中，Un為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，kV；l為某一個(gè)集中負(fù)荷至線路末端的線路長(zhǎng)度，km；P為負(fù)荷有功功率，kW；Q為負(fù)荷無(wú)功功率，kvar；r、x分別是三相電力線路單位長(zhǎng)度的電阻、電抗，Ω/km。

根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》表9.4-19，查找相應(yīng)電纜對(duì)應(yīng)的相關(guān)參數(shù)，因壓降隨線路長(zhǎng)度增加而增加，故只需計(jì)算最遠(yuǎn)處設(shè)備線路壓降，末端設(shè)備線路壓降計(jì)算電壓損失計(jì)算如圖1所示。

圖1 最不利條件下線路電壓損失計(jì)算電路

在此次設(shè)計(jì)中，配電箱內(nèi)各元件造成的電壓損失忽略不計(jì)，電纜的型號(hào)滿足電壓損失校驗(yàn)。但是，在方案階段仍應(yīng)盡量縮短供電半徑，以便保證負(fù)荷末端電能質(zhì)量、減少節(jié)約一次性投資及有色金屬消耗。

1.3 集中泵房群控設(shè)計(jì)

根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，本項(xiàng)目提出最優(yōu)控制方法：根據(jù)室外溫度對(duì)冷卻塔能效的影響，優(yōu)化控制冷卻塔與地埋管之間交替耦合運(yùn)行。在初夏和末夏室外溫度相對(duì)較低時(shí)，優(yōu)先運(yùn)行冷卻塔，此時(shí)冷卻塔運(yùn)行能效比中夏時(shí)高；在中夏時(shí)，室外溫度相對(duì)較高，冷卻塔能效偏低，節(jié)能優(yōu)勢(shì)不顯現(xiàn)，此時(shí)優(yōu)先運(yùn)行地埋管系統(tǒng)，通過(guò)該運(yùn)行策略達(dá)到冷卻塔與地埋管高效耦合節(jié)能運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行策略詳見(jiàn)表2。

水泵、閥門及電動(dòng)儀表控制原理如下文所述。

(1)根據(jù)供回水的壓力，計(jì)算出供回水壓差，根據(jù)該壓差調(diào)節(jié)循環(huán)泵頻率，達(dá)到節(jié)能目的。

(2)根據(jù)供回水的溫差控制循環(huán)泵啟/停臺(tái)數(shù):只開(kāi)一期時(shí)，二次側(cè)水泵溫差取T1-T2；只開(kāi)二期時(shí)，二次側(cè)水泵溫差取T1′-T2′；一二期同時(shí)開(kāi)時(shí)，二次側(cè)水泵溫差取(T1+T1′)/2-(T2+T2′)/2。

(3)根據(jù)板換二次側(cè)的溫度，調(diào)節(jié)一次側(cè)的電動(dòng)閥門開(kāi)度。

(4)冷卻塔進(jìn)水管路處的電動(dòng)閥V3～V6與冷卻塔聯(lián)鎖，隨著冷卻塔的啟閉而啟閉。

(5)監(jiān)視循環(huán)泵變頻器輸出狀態(tài)、控制啟/停，變頻控制、故障報(bào)警。

系統(tǒng)運(yùn)行策略 表2

(6)監(jiān)測(cè)地源側(cè)回水管的壓力及溫度，當(dāng)壓力值低于設(shè)定值時(shí)應(yīng)報(bào)警。

集中泵房中所有機(jī)電設(shè)備應(yīng)根據(jù)自動(dòng)控制系統(tǒng)及最優(yōu)控制程序和預(yù)設(shè)時(shí)間程序進(jìn)行集中管理和監(jiān)控。以安全、可靠、節(jié)能、節(jié)省人力和綜合管理為目的，在滿足控制要求的前提下，實(shí)現(xiàn)全面節(jié)能，減少平時(shí)的工作量，從而減少由于維護(hù)人員的誤操作而造成的設(shè)備失控或損壞。

2 經(jīng)濟(jì)效益分析

本項(xiàng)目(集中泵房控制原理圖如圖2所示)空調(diào)夏季供冷冷負(fù)荷為9 092kW，冬季熱負(fù)荷為 4 849kW，建筑面積14.7萬(wàn)m2，本項(xiàng)目應(yīng)用能耗分析軟件eQUEST對(duì)建筑全年8 760h進(jìn)行全年動(dòng)態(tài)能耗模擬分析計(jì)算，根據(jù)模擬結(jié)果總結(jié)各種系統(tǒng)下的用電量情況，如表3～6。表7是地源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)冷熱源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比表。

圖2 集中泵房控制原理圖

相對(duì)于常規(guī)電制冷、燃?xì)忮仩t制熱、燃?xì)忮仩t制生活熱水系統(tǒng)分戶地源熱泵系統(tǒng)(地埋管集中)投資回收期為(3 675-1 764)/(833-396.7)=4.38年，由此看出，地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于常規(guī)電制冷、燃?xì)忮仩t制熱、燃?xì)忮仩t制生活熱水系統(tǒng)，整體投資回收期均可在5年內(nèi)收回。兩種形式總投資情況對(duì)比如圖3所示。

地源熱泵夏季制冷工況費(fèi)用分析 表3

地源熱泵冬季制熱工況費(fèi)用分析 表4

常規(guī)電制冷、燃?xì)忮仩t制熱、燃?xì)忮仩t制生活熱水系統(tǒng)夏季制冷工況費(fèi)用分析 表5

常規(guī)電制冷、燃?xì)忮仩t制熱、燃?xì)忮仩t制生活熱水系統(tǒng)冬季制熱工況費(fèi)用分析 表6

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)供配電方面。因?yàn)榈卦礋岜脤儆谳^為集中的設(shè)備，因此在此類工程中可以在集中泵房就近位置設(shè)置專變，減小供電半徑，提高供電質(zhì)量，方便集中管理。

(2)智能化方面。根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w氣候及條件，設(shè)置最優(yōu)化控制，不僅可以提高設(shè)備能效，還能減少故障率。

(3)高效節(jié)能方面。由于地表淺層地?zé)豳Y源溫度相對(duì)穩(wěn)定，土壤與空氣的溫差一般在17°，基于冬季較環(huán)境溫度高、夏季較環(huán)境溫度低的特點(diǎn)，地源熱泵系統(tǒng)比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率高40%～60%，因此在運(yùn)行費(fèi)用和節(jié)能上是常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的40%～50%左右。

表7 經(jīng)濟(jì)性分析對(duì)比表

圖3 兩種形式總投資情況

(4)技術(shù)方面。地源熱泵系統(tǒng)的COP值較其他的空調(diào)系統(tǒng)要高，節(jié)能性好，且具有一機(jī)多用功能，有良好可行性。