摘要：太陽能(neng)光伏電池工廠冷熱(re)負荷(he)相差較(jiao)大且系統連(lian)續運(yun)行時間很長，必(bi)須要考慮采用輔(fu)助排熱(re)的(de)手(shou)段，以保證地源(yuan)熱(re)泵系統安(an)全穩(wen)定的(de)運(yun)行。本文結合工程(cheng)設計實例，介紹地埋管地源(yuan)熱(re)泵中(zhong)央(yang)空調系統在大中(zhong)型(xing)電子工業潔凈廠房(fang)工程(cheng)項目中(zhong)的(de)應用。
關鍵詞：地源(yuan)熱泵 地埋管(guan)換熱器 太陽(yang)能光伏 潔凈廠房
The application of ground source heat pump in solar photovoltaic battery factory
Guo Yuan
The IT Electronics Eleventh Design & Research Institute of LT, CO., LTD. Nanjing Branch
Abstract: Cooling and heating load in solar photovoltaic battery factory have much difference and system operation lasts for a long time. Auxiliary equipment is necessary to exhaust heating load in order to ensure the system safety and stable operation. With a design case, the paper describes application of ground source heat pump in the clean room of large and medium-sized electronic plant.
Keywords: ground source heat pump，ground heat exchanger，solar photovoltaic，clean plant
引言
在國家節能減排政策(ce)的推動和鼓(gu)勵下，地源熱泵系(xi)統在國內各大小工程中逐步(bu)應用(yong)開來(lai)。隨著技術(shu)越(yue)來(lai)越(yue)成熟，加(jia)之(zhi)各不同地區設計經驗越(yue)來(lai)越(yue)豐(feng)富(fu)，地源熱泵系(xi)統的節能效果也愈加(jia)明顯。
但(dan)是地埋管(guan)式地源(yuan)熱(re)泵一般(ban)應(ying)用(yong)(yong)在負荷總(zong)量不大(da)、季節變化(hua)明顯的(de)地區效(xiao)果(guo)較好，在民用(yong)(yong)建筑中(zhong)(zhong)應(ying)用(yong)(yong)較多，在大(da)中(zhong)(zhong)型電子工(gong)(gong)業潔凈廠(chang)房(fang)工(gong)(gong)程(cheng)項目中(zhong)(zhong)應(ying)用(yong)(yong)較少，亦(yi)無相關齊(qi)全的(de)設(she)計資(zi)料(liao)可(ke)供參考(kao)。鑒于(yu)此，對已建成并(bing)投(tou)入使用(yong)(yong)的(de)某太(tai)陽能(neng)光伏電池生產廠(chang)的(de)地源(yuan)熱(re)泵系統(tong)進行分析(xi)，希望(wang)能(neng)夠(gou)對其他相同或類似工(gong)(gong)程(cheng)有所借鑒。
1 工程介紹
本(ben)項目為(wei)(wei)光(guang)伏太陽能電池(chi)片工廠，位(wei)于江(jiang)蘇(su)省泰州市，占地(di)面積7294m2，建筑面積 8 062m2，建筑高度10 m。生產部(bu)分為(wei)(wei)鋼結構，1層(ceng)內部(bu)潔凈為(wei)(wei)8級和7級，附屬辦公(gong)用房為(wei)(wei)混凝土框(kuang)架結構，2層(ceng)舒適性空調。
2 負荷(he)統計及分布規律
由于(yu)太陽能電(dian)池(chi)廠內(nei)部設(she)備(bei)發(fa)熱量且新(xin)風量均較(jiao)大，相比(bi)較(jiao)而言，圍護結構冷(leng)(leng)、熱負(fu)荷只占總負(fu)荷極少(shao)的(de)部分，故平(ping)均冷(leng)(leng)、熱負(fu)荷指標(biao)可以(yi)達到700 w/m2和300 w/m2。而且電(dian)池(chi)廠還有一個顯著的(de)特點，就(jiu)是有許(xu)多潔凈的(de)內(nei)區發(fa)熱以(yi)及(ji)許(xu)多生產設(she)備(bei)四季(ji)都需要(yao)(yao)使用工藝冷(leng)(leng)卻水，故冬季(ji)仍然需要(yao)(yao)制冷(leng)(leng)。
經計算，本(ben)工程夏季最(zui)大(da)冷負(fu)荷出現(xian)在(zai)7月，為(wei)(wei)6 817 kW（含(han)560 kW工藝(yi)冷卻(que)負(fu)荷），且6～9月負(fu)荷相差不大(da)（均在(zai)10%以(yi)內），冬(dong)季最(zui)小冷負(fu)荷為(wei)(wei)944 kW（含(han)560 kW工藝(yi)冷卻(que)負(fu)荷）；冬(dong)季最(zui)大(da)熱負(fu)荷出現(xian)在(zai)1月，為(wei)(wei)3 296kW。
3 冷熱源方案
3.1 負荷(he)分析(xi)
冷(leng)(leng)負(fu)荷由(you)(you)2部(bu)分組(zu)成，空調(diao)冷(leng)(leng)負(fu)荷及設備工(gong)藝(yi)(yi)冷(leng)(leng)卻(que)負(fu)荷。其中(zhong)空調(diao)負(fu)荷隨室外溫(wen)度會相應變化，而工(gong)藝(yi)(yi)冷(leng)(leng)卻(que)負(fu)荷是(shi)用(yong)來冷(leng)(leng)卻(que)生產設備內部(bu)的發熱器件(jian)以(yi)維持其正常(chang)使用(yong)的，不(bu)隨溫(wen)度而變化，此負(fu)荷四(si)季恒(heng)定，數(shu)據由(you)(you)設備資(zi)料提供(gong)。工(gong)藝(yi)(yi)冷(leng)(leng)卻(que)系統供(gong)/回水(shui)水(shui)溫(wen)為18℃/25℃，是(shi)由(you)(you)板式換熱機(ji)組(zu)與7℃/12℃冷(leng)(leng)水(shui)換熱制得(de)。
3.2 空(kong)調介紹
整個潔凈生產(chan)區域采(cai)用(yong)新風獨(du)立空(kong)調加組(zu)合式(shi)空(kong)調的形(xing)式(shi)，新風經單獨(du)處(chu)理(li)后(hou)與回風混合后(hou)進入組(zu)合空(kong)調箱，然(ran)后(hou)送入室(shi)內。送風末端(duan)采(cai)用(yong)高效過濾風口以保證室(shi)內的潔凈度(du)。附屬辦(ban)公用(yong)房空(kong)調采(cai)用(yong)風機(ji)盤(pan)管加新風機(ji)組(zu)形(xing)式(shi)，滿足室(shi)內舒(shu)適(shi)性即可。
3.3 主機(ji)選(xuan)型
本(ben)工程由業主決定采用地(di)(di)源熱(re)(re)泵(beng)(beng)系(xi)統，經分(fen)析決定由冬季(ji)熱(re)(re)負荷確定地(di)(di)埋(mai)管打孔數量(liang)，夏季(ji)制冷(leng)(leng)量(liang)不足部分(fen)由離心式(shi)冷(leng)(leng)水(shui)機(ji)(ji)組(zu)加冷(leng)(leng)卻塔(ta)提供。最終采用2臺(tai)(tai)(tai)(tai)雙冷(leng)(leng)凝器(qi)(qi)地(di)(di)源熱(re)(re)泵(beng)(beng)機(ji)(ji)組(zu)（單(dan)機(ji)(ji)冷(leng)(leng)量(liang)1 430 kW）、1臺(tai)(tai)(tai)(tai)地(di)(di)源熱(re)(re)泵(beng)(beng)機(ji)(ji)組(zu)（單(dan)機(ji)(ji)冷(leng)(leng)量(liang)1 430 kW）和(he)1臺(tai)(tai)(tai)(tai)離心式(shi)冷(leng)(leng)水(shui)機(ji)(ji)組(zu)（2 637 kW）組(zu)合(he)。每臺(tai)(tai)(tai)(tai)雙冷(leng)(leng)凝器(qi)(qi)地(di)(di)源熱(re)(re)泵(beng)(beng)機(ji)(ji)組(zu)其中一個(ge)冷(leng)(leng)凝器(qi)(qi)也配有(you)冷(leng)(leng)卻塔(ta)，用于夏季(ji)輔助排熱(re)(re)，另一個(ge)冷(leng)(leng)凝器(qi)(qi)可以向地(di)(di)埋(mai)管排熱(re)(re)或作為制冷(leng)(leng)熱(re)(re)回(hui)收器(qi)(qi)使用。
4 地埋(mai)管換熱(re)器方案
4.1 換熱器基本參數
室外共鉆孔(kong)(kong)923個，孔(kong)(kong)深(shen)70 m，孔(kong)(kong)距(ju)保(bao)持(chi)在5 m，水平(ping)管埋深(shen)2 m，孔(kong)(kong)內采(cai)用雙U形地(di)埋管。根據地(di)下熱(re)響應實驗結果，夏季(ji)散熱(re)能(neng)力為(wei)：進(jin)水35℃時(shi)每延米散熱(re)量61.2 w，冬季(ji)取(qu)熱(re)能(neng)力為(wei)：進(jin)水7℃時(shi)每延米取(qu)熱(re)量41.6 w。地(di)下測(ce)試穩定(ding)階(jie)段(duan)，土(tu)壤平(ping)均溫度17.5℃。
4.2 地埋(mai)管換熱器運行分析
光(guang)伏工廠的生產(chan)按(an)(an)照每天(tian)3班24 h運(yun)(yun)(yun)轉，按(an)(an)照常規運(yun)(yun)(yun)行(xing)策略，土壤的冷/熱聚(ju)積將會很(hen)大，長(chang)久運(yun)(yun)(yun)行(xing)必然會對系統造成不利影響(xiang)。由(you)于廠區(qu)(qu)室外(wai)可供埋(mai)管區(qu)(qu)域(yu)較(jiao)大，經(jing)過(guo)與(yu)業主協商，本項目將室外(wai)地(di)埋(mai)管區(qu)(qu)域(yu)均分為3地(di)塊(kuai)，平時(shi)(shi)運(yun)(yun)(yun)行(xing)最多(duo)使(shi)用2塊(kuai)埋(mai)管區(qu)(qu)，根據埋(mai)管區(qu)(qu)回水(shui)溫度控制3地(di)塊(kuai)輪流運(yun)(yun)(yun)行(xing)。夏季(ji)排熱量最大時(shi)(shi)，僅使(shi)用1塊(kuai)埋(mai)管區(qu)(qu)，其余均使(shi)用冷卻塔散熱。
4.3 地下(xia)土壤溫度(du)模(mo)擬
以(yi)鉆孔(kong)布(bu)置為(wei)5 m×5 m 時為(wei)例(li)，鉆孔(kong)的(de)(de)布(bu)置及各個鉆孔(kong)的(de)(de)編號如圖所示(shi)。鉆孔(kong)直徑為(wei)130 mm，孔(kong)間距為(wei)5 m，認為(wei)管群30 m以(yi)外的(de)(de)區域不受(shou)換熱的(de)(de)影響(xiang)，為(wei)土壤的(de)(de)初始(shi)溫(wen)度。本項目(mu)中土壤的(de)(de)初始(shi)溫(wen)度取(qu)17.5℃，土壤的(de)(de)導熱系(xi)數取(qu)1.8/m.K，密度取(qu)1 925 kg/m3，比熱取(qu)2 300J/kg.K。
本(ben)次取地下(xia)(xia)埋管(guan)制熱運行(xing)5個(ge)月以及(ji)制冷運行(xing)5個(ge)月的土(tu)壤溫度分布云(yun)圖，以及(ji)連續運行(xing)5年的地下(xia)(xia)土(tu)壤平(ping)均溫度變化曲(qu)線作為地下(xia)(xia)埋管(guan)設計的最終校核依(yi)據(ju)。
根據模擬結果，連(lian)續運行5年后管群周(zhou)圍土壤平(ping)均溫度(du)升高(gao)了0.5℃。可見，經過5年的運行，土壤的平(ping)均溫度(du)發生變(bian)化(hua)很小，可忽略熱(re)平(ping)衡問題。
5 結論
本(ben)工(gong)程(cheng)(cheng)2010年底(di)完(wan)工(gong)并投(tou)入(ru)生產，目前已運行1年以上，效果良(liang)好。根據現場實(shi)測數據，能耗(hao)較(jiao)傳(chuan)統的采用水冷機組+熱水鍋(guo)爐的電(dian)池生產廠房節(jie)能達10%。由于本(ben)工(gong)程(cheng)(cheng)制冷量遠大于制熱量且制冷周期(qi)長(chang)(chang)，所以2種(zhong)方式的能耗(hao)比值看似不明顯，但是節(jie)能總(zong)量巨(ju)大，從長(chang)(chang)遠看其經濟利益仍然十分可觀(guan)。
在冷熱負荷相(xiang)差較大且連續運(yun)行時間很長的(de)項目中，地(di)(di)下埋(mai)管(guan)連續長時間排熱/取(qu)熱，會(hui)造(zao)成大量(liang)的(de)熱量(liang)/冷量(liang)聚(ju)積，使得系統(tong)偏(pian)離設(she)計工況，嚴重時會(hui)導致系統(tong)停機。所以(yi)必須要考慮采(cai)用輔助(zhu)取(qu)/排熱手段（如配置輔助(zhu)冷卻塔和放(fang)大地(di)(di)埋(mai)管(guan)換熱器裕量(liang)），以(yi)保證系統(tong)安全穩定的(de)運(yun)行。
參考文獻
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