校園大規模土壤源熱泵系統的調適策略的應用與研究

王建玉

WANG Janyu

(江蘇城鄉建設職業學院,江蘇 常州 213147)

可再生能源的利用是綠色校園建設的重要組成部分,大規模土壤源熱泵系統作為一種節能、環保并對環境無害的綠色采暖空調技術成為校園能源系統的首選[1]。大規模土壤源熱泵系統供熱與供冷面積較大,地埋管換熱井分布的范圍廣,冷凍水輸送的距離大以及系統控制復雜,無論在前期規劃、設計與施工,還是后期的運行和管理任何階段出了問題,都可能導致系統工程出現土壤熱失衡、水力失衡、控制失靈等問題,使得系統能效沒有達到設計要求,甚至無法正常使用。因此,土壤源熱泵系統能效的提升及高效應用是當前關注的熱點問題[2]。

調適作為一種質量保證工具,是從系統規劃和設計階段開始,到后續的施工和運營維護,所進行的一系列跨越整個工程項目周期的質量認證過程,目的是確保在整個過程中的每個階段都要符合設計意圖和滿足業主的項目需求[3]。運用調適策略確保校園大規模土壤源熱泵系統的工程質量,是目前較為有效提升系統運行能效的方法之一。

1　調適團隊的建立

大規模土壤源熱泵系統作為綠色校園中重要的能源系統之一,由于其技術復雜、生命周期長等特點,需要建立一支獨立于規劃、設計、施工與運行管理的調適技術團隊。由校園節能(或綠色校園運營)負責人牽頭,學校基建負責人、學校后勤負責人、暖通空調系統工程師、系統控制工程師等組成調適團隊。根據系統實施的不同階段,可以臨時聘請技術專家對調適工作進行指導。如在規劃階段,可以聘請區域能源規劃專家對系統的適用性進行評估；在設計階段,可以聘請暖通空調系統的專家對設計方案進行論證；在施工驗收階段對系統的施工質量進行評價；在運行階段對系統的能效進行測評等。

2　立項與規劃階段調適

2.1　調適的主要任務

2.1.1明確用戶需求

在構建綠色校園過程中,為了充分利用可再生能源,江蘇城鄉建設職業學院新校區需要建設大規模的土壤源熱泵系統,通過將教學辦公區與生活區錯峰交替運行控制的方式,為學院的行政樓、食堂、學生宿舍區、教育技術中心、圖書館、研發樓、大學生活動中心、建筑展覽館共計建筑面積153 900m2空間的空氣進行調節,同時要求每天提供100 t的生活熱水,供學生洗澡使用,希望在滿足要求的同時,最大限度地節約能源。

2.1.2系統特征分析

1)氣候特征

本項目位于常州市鐘樓區殷村職教園(北緯31°78′、東經119°75′),屬北亞熱帶潤濕季風氣候區,四季分明,最高溫度39.4℃,最低溫度-15.5℃,主導風向為東南風,無霜期225d,雨水充沛,年均降水量1076mm,光照充足,年均蒸發量1 558mm。降水量集中在夏秋兩季,春季陰濕多雨,冷暖交替；夏季梅雨明顯,濕熱的高濕期長；秋季受臺風影響,秋旱及連日有雨相間出現；冬季干燥寒冷,嚴寒期短,年平均日照時間2075h。

2)水文與地質條件

項目位于滆湖附近,河港汊蕩縱橫交錯。地下水主要為潛水,主要由大氣降水補給,蒸發排泄為主,季節性變化明顯。水位埋深一般在0.5～1.5m之間。根據鉆孔和靜力觸探的結果以及土層成因和時代等的綜合分析,在勘查深度范圍內,自上而下地基土可劃分為4個工程地質層,分別為：

填土層灰雜色,主要由人工填土、瀝青路面、亞黏土或耕植土等組成,層厚一般1.0～2.5m不等;

黏土層黃褐色、灰褐、灰色等,可塑至硬塑,部分含少量深褐色鐵、錳質結核,層厚一般為2～6m;

粉質黏土層灰色,可塑,含較多淺灰色高嶺土條帶,層厚一般在1～2m;

粉砂層灰色,部分含少量云母片,中密,飽和,層厚5～7m不等;

3)負荷特點分析

根據常州地區的氣候特點,宿舍區與工作區分時控制,可以計算出8∶00—20∶00系統的最大熱負荷和冷負荷分別為3999kW和5366kW,20∶00—8∶00系統的最大熱負荷和冷負荷分別為2835kW和4480kW。考慮到學校寒暑假的放假情況,夏季制冷向地下的全年累計排熱量為7023MWh,冬季供暖從地下取熱量為4224MWh,排、取熱量之差約為2799MWh,排熱量是取熱量的1.66倍,需要采取熱平衡措施。

2.1.3系統的機房與地埋管井區域選址

為了減少系統的輸送能耗,機房選擇在供能區域的中心位置(現代技術教育中心的地下室),確保系統的供能半徑控制在500m范圍。地面管井選擇在機房附近區域,根據地質勘探的結果,考慮到地下水系的分布情況,選擇在圖書館西廣場和體育場分四個區域布置。

2.1.4投資概算

根據系統的供能范圍及負荷情況,計算系統的末端數量,估算管線的管徑與長度，計算水泵、機組、閥門等的數量,可以對系統的投資進行初步概算。

2.1.5土壤源熱泵系統的適易性評價

根據系統的特征可以初步估算出：系統的能效比3.06，一次能源的利用率99%，投資回收期10.7年和標煤的替代量470400kg。綜合考慮系統的節能性、經濟性、環境性和平衡性,認為在該地區建立大規模土壤源熱泵系統是適宜的。

2.2　調適應形成的文檔

在立項與規劃階段應該形成的文檔主要包括：

1)初步調適計劃對各個階段的調適內容、調適參與人員、調適結果以及調適費用進行計劃；

2)規劃階段調適問題日志對立項和規劃階段出現的問題以及解決方案進行記錄；

3)調適會議記要由調適團隊組織,邀請建設單位和設計單位參與的規劃階段調適會議,對調適過程中發現問題進行交流討論的記錄；

4)規劃階段的調適報告根據系統的制冷、制熱的范圍和時長,舒適性等用戶要求,分析系統的特征,提出機房、地埋管井的選址建議,說明投資概算依據,從經濟、技術、環境等方面分析系統的可行性。

3　設計階段調適

3.1　調適的主要任務

1)復核系統負荷,對機組的選型進行調適

根據每幢建筑圍護結構的特征,計算其冷、熱負荷的最大與最小值；根據同一時間段負荷最大值和最小值的情況,對機組的選型進行調適。為了便于部分負荷時對機組進行階梯控制,用4臺機組分擔系統負荷。

2)復核系統向地下吸、排熱量,對地埋管井數量及系統的平衡設施進行調適

根據同一時段系統制冷、制熱負荷,計算系統全年的總制冷量和總制熱量,以及向地下排熱和吸熱的總量,對地埋管井的深度、間距及數量進行復核。計算冬季每日100 t生活熱水的吸熱量后,對冷卻塔的容量進行復核計算。

3)對水力進行復核計算,對水力平衡、管道及水泵的選型進行調適

對地埋管側的水力進行復核計算,4個分區分布采用一臺水泵為地埋管側的水循環提供動力,分區的地埋管采用同程方式,根據各個分區阻力及流量,確定地源側水泵的尺寸。對冷凍水一次泵與二次泵的水力進行復核計算,每臺機組對應1臺一次泵,根據其流量和阻力確定一次泵的參數。在確保分水器分出各支路水力平衡的前提下,根據系統的阻力和流量范圍,確定水泵和變頻器的參數。對冷卻水的水力進行復核計算,根據冷卻塔的高度、管道阻力和流量確定冷卻水平的參數。

4)核對系統的傳感器、執行器的位置和數量,對系統的控制策略進行調適

3.2　調適應形成的文檔

在設計階段應該形成的文檔主要包括：

1)設計階段調適問題日志對系統設計文件中出現的問題進行記錄；

2)調適會議記要由調適團隊組織,邀請建設單位和設計單位參與的設計階段調適會議,對調適過程中發現問題進行交流討論的記錄；

3)設計階段的調適報告根據復核計算的結果,對地埋管井的數量、間距和深度,管材的選擇,機組與水泵的選型,平衡與控制策略等，提出優化建議。

4　施工階段調適

4.1　調適的主要任務

1)地埋管井及管道的施工調適

檢查地埋管井群的區域劃分、地埋管井的間距與深度是否符合設計要求；檢查鉆井、布管、連接和回填的施工流程和施工工藝是否符合規范要求；進行壓力實驗,穩壓5 d,記錄每天的壓力情況,分析系統的密閉性。

2)冷凍水與冷卻水管道施工調適

檢查彎管、連接、除銹與刷漆等施工流程與工藝是否符合規范要求；按照設計要求或規范要求,先進行分區、分層試壓，然后再進行系統試壓,在觀察壓力表有無壓降的同時,進行反復巡查,防止有局部滴漏或滲漏；檢查管道安裝的坡度,供、回水管不得有反坡。

3)風機盤管施工調適

檢查風盤安裝是否牢固,以免產生振動發出噪音；檢查風機盤管的下部接水盤的底安裝是否水平,保證接水盤內有一個合理的排水坡度。

4)主機房設備安裝調適

對照設計圖,對設備基礎的幾何尺寸位置進行復核；檢查基礎的水平度及減振墊的放置情況,確保主機平穩的坐落在減振墊上；檢查水泵在減振器(或減振墊)上的固定情況；檢查水管與泵或主機的聯接處使用減振軟管接頭(減振喉)的情況,檢查軟管兩端是否有支撐。

5)系統保溫施工調適

對照圖紙,確保需要保溫管道全部進行保溫施工；檢查保溫材料是否符合設計要求；檢查保溫工程的接口(端面和縱向)是否嚴合。

6)控制系統施工調適

對照圖紙和設計規范,檢測傳感器和執行器的安裝位置、安裝流程、安裝工藝,確保控制器與傳感器和執行器數據傳輸正確,軟件的控制策略符合設計要求。

7)系統調試與試運行的調適

檢查系統的水力平衡情況,確保在水量減少時,最不利末端水量按比例下降；檢查末端的制冷和制熱性能是否符合設計要求；檢查系統熱平衡情況,確保土壤溫度不會逐年升高；檢查傳感器、執行器數據的傳輸情況,確保控制策略的實施。

4.2　調適應形成的文檔

在施工階段應該形成的文檔主要包括：

1)施工階段調適問題日志對施工過程中出現的問題進行記錄；

2)調適會議記要由調適團隊組織,邀請建設單位、施工單位、監理單位和設計單位參與的施工階段調適會議,對調適過程中發現問題進行交流討論的記錄；

3)施工階段的調適報告對在施工圖與深化設計方案中發現問題的記錄與分析；對施工過程中現場查驗情況全面的記錄和分析；對系統功能與性能測試情況全面的記錄和分析；根據最終結果提出調適建議。

5　運行階段調適

5.1　調適的主要任務

1)檢測供能區域的溫濕度情況

在系統運行過程中,實時檢測各用能區域的溫濕度情況,出現過熱和過冷時及時對系統進行調適。

2) 檢測系統的能效比

根據系統的制熱、制冷量與耗電量,可以及時檢測出系統的能效比,當能效比較低時,分析原因,制定調適策略。

3) 檢測輸送能效比

檢測輸送能耗比的大小,當輸送能耗較高時,對水泵的運行策略,特別是冷凍水二次泵的變頻策略進行調適,同時要保證水力的動態平衡。

4) 檢測控制系統的運行狀況

檢測傳感器和執行器的數據與現場數據是否吻合,數據分析后,對控制策略優化提出調適方案。

5.2　調適應形成的文檔

在運行階段應該形成的文檔主要包括：

1)運行階段調適問題日志對運行過程中出現的問題進行記錄；

2)調適會議記要由調適團隊組織,邀請建設單位和運維單位參與的運行階段調適會議,對調適過程中發現問題進行交流討論的記錄；

3)運維階段的調適報告每個制冷或采暖季都應該將運行過程中系統的運行情況,包括能效比、輸送能效比、系統的舒適性以及控制策略進行評估分析,提出調適方案,對系統進行節能優化,確保系統高效穩定運行。

6　結　語

校園大規模土壤源熱泵系統的調適開始于方案規劃階段,貫穿圖紙設計、施工安裝、單機試運轉、性能測試和運行維護各個階段,要確保設備和系統在使用過程中達到設計要求。通過系統調適至少可以帶來以下一些好處：

1)盡可能減少系統潛在的規劃與設計問題,最大程度地降低設計變更帶來的負面影響。

2)減少安裝完工時的質量缺陷,防止工期延誤,縮短系統移交周期。

3)保證了室內空氣品質,提高了人員工作效率,增加建筑的價值。

4)提高了系統的可維護性與可靠性,減少能耗,降低運行成本。

5)完善了系統資料,便于對系統進行優化提升。