某廠房低環(huán)溫空氣源熱泵系統(tǒng)供暖運(yùn)行效果分析

劉 博，王玥娜，張 雨，楊少兵

(1.蘭州高新技術(shù)新能源有限公司，甘肅 蘭州 730010;2.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

隨著2016年國(guó)務(wù)院下發(fā)《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》中目標(biāo)的確定，能源消費(fèi)燃煤總量要控制在50億t標(biāo)準(zhǔn)煤以內(nèi)，SO2、NOx排放總量分別要控制在1580萬t、1574萬t，比上一個(gè)年度要下降15%[1]。在2017年《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017～2021)》出臺(tái)，對(duì)清潔能源取暖有了明確要求，到2021年，電供暖(含熱泵)面積達(dá)到15億m2[2]。推進(jìn)北方地區(qū)冬季清潔取暖等6個(gè)問題，都是關(guān)系廣大人民群眾生活的大事，是重大的民生工程、民心工程。由此，“清潔取暖”首次進(jìn)入全國(guó)視野，在北方地區(qū)引起廣泛應(yīng)用。在此大背景下，甘肅慧聯(lián)信息科技發(fā)展有限責(zé)任公司供暖項(xiàng)目采用了低環(huán)溫空氣源熱泵為廠房及辦公樓提供熱源。

2 項(xiàng)目概況及供暖系統(tǒng)介紹

2.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于甘肅省慶陽市環(huán)縣，地屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，旱、雹、風(fēng)、凍、蟲五災(zāi)俱全，尤以旱災(zāi)為重。年平均氣溫9.2 ℃，無霜期200 d；年均降雨量300 mm左右，日照時(shí)間2600 h，蒸發(fā)量2000 mm。總供暖面積為2983. m2。其中包括鋼構(gòu)結(jié)構(gòu)廠房面積為1872 m2，鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)辦公樓面積為1111.7 m2。供暖熱源選用低環(huán)溫空氣源熱泵，廠房末端使用立式明裝風(fēng)機(jī)盤管，辦公樓采用地暖供暖。由于廠區(qū)經(jīng)常性的停電，為防止停電期間無人值守時(shí)設(shè)備及管道凍裂，故整個(gè)供暖系統(tǒng)中加入防凍液(-25 ℃)代替軟化水。

2.2 供暖系統(tǒng)

該項(xiàng)目采用低環(huán)溫空氣源熱泵為熱源，由空氣源熱泵把系統(tǒng)中防凍液(-25 ℃)加熱到45 ℃，系統(tǒng)主管道分兩路送到采暖末端設(shè)備立式明裝風(fēng)機(jī)盤管及地暖盤管為室內(nèi)散熱，為便于獨(dú)立控制，辦公樓地暖盤管供回水主管道分別加裝蝶閥；防凍液(-25 ℃)溫度降到35 ℃時(shí)，再由循環(huán)水泵吸到低環(huán)溫空氣源熱泵加熱，整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)如此運(yùn)行。供暖系統(tǒng)如圖1所示。

3 供暖方案設(shè)計(jì)

熱負(fù)荷計(jì)算。按照相關(guān)規(guī)范(表1)要求，供暖期間工作時(shí)間廠房?jī)?nèi)溫度不低于12 ℃；冬季時(shí)，環(huán)縣最低環(huán)境溫度在-15～-10 ℃之間浮動(dòng)，此時(shí)低環(huán)溫空氣源熱泵出水溫度45 ℃。建筑物熱負(fù)荷可按建筑外輪廓體積V(m3)估算：

Q=aqvV(Tn-Tw)

(1)

式(1)中，Q-供暖熱負(fù)荷(W)；qv-為建筑物供暖體積熱指標(biāo)，見表1；V-建筑外輪廓體積(m3)；Tn-室內(nèi)平均計(jì)算空氣溫度( ℃)；Tw-室外采暖計(jì)算溫度( ℃)；a-為修正系數(shù)，見表2。

利用表1、2查得體積熱指標(biāo)，代入式(1)計(jì)算供暖熱負(fù)荷：建筑面積1872 m2的廠房熱負(fù)荷為246.46 kW，建筑面積1111.7 m2辦公樓熱負(fù)荷為92 kW(原設(shè)計(jì)值)，總的建筑熱負(fù)荷為338.46 kW。

根據(jù)上述計(jì)算熱負(fù)荷，選擇當(dāng)環(huán)境溫度-15 ℃時(shí)，產(chǎn)熱量為91.8 kW的低環(huán)溫空氣源熱泵數(shù)量為4臺(tái)，低環(huán)溫空氣源熱泵總的制熱量為367.2 kW。廠房?jī)?nèi)安裝33臺(tái)制熱量為9.6 kW的立式明裝風(fēng)機(jī)盤管，總制熱量為316.8 kW，末端立式明裝風(fēng)機(jī)盤管散熱量比低環(huán)溫空氣源熱泵-15 ℃時(shí)制熱量總和高15%。

4 供暖效果分析

4.1 測(cè)量數(shù)據(jù)

由于辦公樓玻璃幕墻未安裝好，因此接地暖盤管供回水主管道上蝶閥關(guān)閉，低環(huán)溫空氣源熱泵機(jī)組斷電一臺(tái)，實(shí)測(cè)時(shí)實(shí)際運(yùn)行低環(huán)溫空氣源熱泵機(jī)組3臺(tái)。

利用溫度檢測(cè)設(shè)備和低環(huán)溫空氣源熱泵機(jī)組溫控器，對(duì)低環(huán)溫空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為2019年12月24日8:00至2020年2月2日8:00，測(cè)試內(nèi)容包括：室外環(huán)境溫度、低環(huán)溫空氣源熱泵進(jìn)出口溫度、低環(huán)溫空氣源熱泵水流量、供暖室內(nèi)溫度(圖2)。

圖1 供暖系統(tǒng)

表1 工業(yè)建筑體積熱指標(biāo)[W/(m3. ℃)]

表2 修正系數(shù)a值

圖2 熱泵進(jìn)出口溫度及室內(nèi)外溫度數(shù)據(jù)

4.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)熱量計(jì)算公式：

Q=G(Tg-Th)0.95/0.86。

(2)

式(2)中,Q-制熱量(kW)；0.95-防凍液(-25 ℃)制熱能力修正系數(shù)；G-防凍液(-25 ℃)質(zhì)量流量(m3/h)；Tg-室內(nèi)平均計(jì)算空氣溫度(℃)；Th-室外采暖計(jì)算溫度(℃)。

計(jì)算出各個(gè)時(shí)間的實(shí)際制熱量Q(圖3)。

圖3 熱泵實(shí)際制熱量與水流量及室內(nèi)外溫差

把計(jì)算出各個(gè)時(shí)間的實(shí)際制熱量和測(cè)量的數(shù)據(jù)代入建筑物熱負(fù)荷建筑外輪廓體積V(m3)估算公式：

Q=aqvV(Tn-Tw)

(3)

通過計(jì)算，體積熱指標(biāo)平均值為0.369[W/(m3·℃)]，比設(shè)計(jì)選型時(shí)選擇的0.35[W/(m3·℃)]高5.4%(圖4)。

5 結(jié)論

通過對(duì)甘肅慧聯(lián)信息科技發(fā)展有限責(zé)任公司供暖項(xiàng)目的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)對(duì)于層高比較高的廠房等建筑，方案設(shè)計(jì)階段熱負(fù)荷估算采用體積熱指標(biāo)優(yōu)于面積熱指標(biāo)。

圖4 熱泵制熱量和體積熱指標(biāo)

(2)對(duì)于加防凍液的低環(huán)溫空氣源熱泵供暖系統(tǒng)，設(shè)備選型階段必須既考慮防凍液對(duì)換熱效率的影響，又考慮制熱能力修正系數(shù)。

(3)末端風(fēng)機(jī)盤管等設(shè)備熱負(fù)荷總和不能高于低環(huán)溫空氣源熱泵機(jī)組的15%。

以上是低環(huán)溫空氣源熱泵系統(tǒng)供暖的部分建議，隨著清潔能源供暖在北方的逐步普及，低環(huán)溫空氣源熱泵系統(tǒng)供暖必將占一席之地，設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣對(duì)于整個(gè)供暖系統(tǒng)后期運(yùn)行以及節(jié)能環(huán)保都至關(guān)重要。