铁路站房地源热泵系统工程热平衡分析

沈德安

铁路站房地源热泵系统工程热平衡分析

沈德安

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

结合具体工程,根据某车站空调采暖系统设计工况及该工程地埋管换热特性测试报告,采用地源热泵系统作为冷热源。考虑地源热泵系统的冷热平衡需要,分析采用地源热泵+锅炉辅助系统及太阳能地源热泵耦合系统两种不同热平衡方案用于铁路站房,计算各自需要的热泵机组容量及室外埋管换热器具体设计规模。详细介绍两种系统的冷热平衡方式,并对各自特点及工程运用进行论述,提出在具体工程中因地制宜,应根据不同情况,采用合适的系统热平衡方式。

地源热泵;换热特性;冷热平衡;冷热源

铁路站房具有数量多,位置偏僻等特点,与市政集中供热管网连接较难实现,一般设置自用锅炉房和冷水机房实现冬夏季供热及供冷需求。随着国民经济的高速增长,铁路车站规模、功能不断扩大,车站能耗也在快速增长,尤其是随着客运站和货运站的服务功能和经济功能的进一步开发和完善,必然造成客运站和货运站更大的能耗[1]。

根据国家节能减排政策的响应,在铁路车站尤其中小型站房中采用地源热泵等可再生能源技术具有广阔前景。地源热泵系统以土壤为热源或热汇,由于地下一定深度处的土壤温度全年可保持相对稳定,因此地源热泵系统在运行过程中具有较高的性能系数[2]。但对于严寒或寒冷地区,系统冬夏季取热及释热不平衡,如何解决好此问题,保证系统长久高效运行十分必要,结合具体工程分析采用不同的措施解决地源热泵系统冷热平衡问题。

1 工程概况

本铁路车站站房所在城市地处东北亚中心的辽宁中部城市群,是吉林、黑龙江两省通往其他省市和出海港口的重要通道。工程所在地火车站距市区约8 km。站房总建筑面积为4 456m2,最高集聚人数为500人,建筑最高处为17.5 m,站前广场面积4 500m2。站房如图1所示。

图1 某站房正立面效果图

1.1 气象条件

项目所在地冬季采暖室外计算温度-23℃,冬季空调室外计算干球温度-26℃,冬季空调室外计算相对湿度59%;夏季空调室外计算干球温度30.7℃,室外计算相对湿度78%。室内设计参数见表1。

表1 室内设计参数

1.2 地质状况

根据“地源热泵项目地层热物性测试报告”,项目所在区域地貌为剥蚀残丘及冲沟洼地,地形起伏较大,最大高程173.2 m,最小高程154.9 m,相对高差7～9m。场区内地层单一,无大的地质构造、断裂、新构造运动,未发现顺层滑动、圆弧滑动体等不良地质现象,场地第四系全新统地层为非液化土层。

该区域出露地层主要为:第四系全新统残积的粉质黏土、冲积的粉质黏土及上更新统冲积黏质黄土,底部为白垩系下统砂岩夹泥岩。

地下稳定水位2.1～12.8 m,主要为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水,主要受大气降水补给,随季节性降水而涨落。地下水径流方向由东向西,径流速度2.2m/d,土壤最大冻结深度0.15m。

2 空调及采暖方案

2.1 空调及采暖系统形式

根据不同使用用途及功能的房间进行系统划分。贵宾候车室采用独立变频多联机空调系统,工艺设备用房、通信机械室、车站客运信息系统用房、信号电源及继电器室等房间设机房专用空调,候车大厅、客服及售票厅采用全空气空调系统,冷负荷375 kW,其他采用风机盘管+新风系统,冷负荷110 kW。

候车厅、VIP候车室及售票厅采用低温地板辐射采暖方式,热负荷为417.5 kW;补票室、综合办公等采用风机盘管采暖,热负荷为127.6 kW。

2.2 系统冷热源方案

若采用水冷机组,须考虑冷却塔的设置,其影响车站的整体美观,且冷却塔耗水、耗电大,系统运行能耗高,不建议采用。另外,该市冬季室外气温低于-20℃,采用空气源热泵机组无法正常运行或运行效率较低,且空气源热泵室外机组安装需与建筑外观相协调,本站房屋面采用钢结构屋面,增加了机组设置难度,不适用。

考虑到站前广场面积大,地下水位较浅,地温适中,适于采用地源热泵技术。地源热泵性能系数为3～6,与传统的空气源热泵相比,要高出40%左右,运行费用为普通集中式空调系统的30%～60%[3]。该工程地处严寒地区,冬夏季负荷不平衡,设计中需考虑系统冷热平衡,设计中讨论采用以下2种方案。

方案一,地源热泵系统按夏季负荷设置地埋管换热器及热泵机组,不满足冬季负荷的部分由站外燃油锅炉(预留燃气条件)辅助,见图2。单台机组制冷量为271.7 kW,机组制热量为227.8 kW,制冷功率51.3 kW,夏季提供冷媒温度为7/12℃,冬季提供热媒温度为55/50℃。

在冬季,由于地源热泵系统供热能力不足,机组地源端进口水温降低,制热效率降低,系统制热量下降,为保证机组高效运行,降低机组出水温度,再将热泵机组出水经过换热器换热后达到供水温度要求。极端情况下,也可以完全有锅炉房供暖,机组停止运行。

方案二,按冬季采暖工况设置地埋管换热器及热泵机组,利用集中太阳能系统补偿冬季过多吸热量。为了充分利用太阳能系统、发挥系统优势,设计中考虑集中热水供应,实现系统供冷、供热及供热水的需求,见图3。空调采暖机组制冷量为361.2 kW,机组制热量为336.9 kW,制热功率94.3 kW,夏季提供冷媒温度为7/12℃,冬季提供热媒温度为55/50℃。太阳能系统设计容量根据冷热平衡需求及热水耗热量来确定。热水机组按需要热水供热量设计。

在5月至9月期间,太阳能丰富,利用埋管分区设计及阀门控制,实现同时供冷及太阳能回灌的目的。一部分地埋管作为空调释热使用,一部分作为太阳能回灌使用,逐年轮换。在冬季,地源端出水温度先经换热器换热,利用太阳能提高水温,再进入地源热泵机组制热,可以提高机组效率,并充分利用太阳能资源。

3 室外埋管换热器系统设计

3.1 室外埋管区换热特性测试

利用测得循环水流经地埋管换热器前后的温度、

流量,可以计算得出该测试孔的换热量。计算公式为

图2 地源热泵+锅炉辅助系统原理

图3 太阳能地源热泵耦合系统原理

式中 Q——地埋管时均换热量,W;

m——地埋管内水流量,kg/s;

cp——循环水的定压比热,kJ/(kg·K);

tin、tout——地埋管进出口水温,℃;

ql——单位孔深换热量,W/延米; l——地埋管换热器埋管深度,m。

根据线热源理论可以得出地埋管换热器内循环水平均温度与换热量的函数关系,进而推算出当地土壤热物性参数,如土壤导热系数及热扩散率等参数[4]。

本工程测试钻孔口径180mm,深80 m,成孔后将φ32mm的HDPE(高密度聚乙烯)单U管下入已打好的成孔中,用回填料回填,保证回填料均匀密实,以上工序结束后静止48 h以上,为下一步测试做好准备。

采用恒热流法测试,恒热流法是保持加热功率恒定,测量采集进出口水温度数据,然后反解传热模型可以得到土壤导热系数,如图4所示。测量仪中的管路与埋管换热器地下回路相接,循环水泵驱动流体在回路中循环流动,流体经过加热器加热后流经地下回路与地下岩土进行换热。测得的出、入口流体温度和流量、恒热功率等数据进行储存,再进行处理分析。如将恒温热源换为风冷热泵机组等冷热两用的装置,控制水箱温度,可直接测出冬夏季吸热量数值[5]。

图4 测试装置原理

经测试,地埋孔埋深范围内的岩土层的原始平均温度为12.5℃。扣除水平连接管与周围环境的传热量即可得到垂直的埋管传热能力。结果见表2。

表2 热物性测试结果

根据测试数据及地质情况,该项目区域地埋孔(80m深、单U型、De32管)夏季换热量范围约为42～46W/延米,冬季换热量范围约为25～30W/延米。

3.2 室外埋管换热器设置

方案一,根据夏季工况设计。地源热泵埋地换热系统采用单U形管垂直埋管系统,打130个深80m地埋管孔,孔径180 mm,U形管管材为φ32×3PE管(PE80型),见图5。为确保地埋管换热器的可靠性,每个竖直钻孔换热器支管路直接接至分集水器井内的分集水器,整个支管路中间不设接头,降低了施工难度,检修方便。某个换热器出现泄漏,直接在分集水器井内关闭该支路即可,不影响其他换热器使用,系统运行可靠。

方案二,根据冬季工况设计。地源热泵埋地换热系统采用单U形管垂直埋管系统,打210个深80m地埋管孔,孔径180 mm,U形管管材为φ32×3PE管(PE80型)。设置方式同方案一。

3.3 地源热泵系统全年热量平衡分析

在工程设计中,应注意地源热泵系统最大释热量与建筑设计冷负荷相对应,系统最大吸热量与建筑设计热负荷相对应

式中,Qe为地源热泵系统最大释热量;Qc为建筑物空调冷负荷;COPc为地源热泵机组制冷性能系数; Qg为冷媒输送过程中的热量;Qp为水泵释放热量;Qa为地源热泵系统最大吸热量;Qh为建筑物低温采暖热负荷;COPh为地源热泵机组制热性能系数;QL为热媒输送过程中热损失。

由前面分析可知,方案一采用保证夏季供冷需求的前提下,减少冬季吸热量而用燃油锅炉房辅助的方法,实现系统冬夏季冷热平衡。系统运行过程中,通过调节锅炉房辅热量,维持系统最佳运行状况,最大限度利用地热能量。

方案二采用保证冬季供暖需求(系统最大负荷需求),夏季将太阳能回灌入地下,补充冬季过多吸热量。根据“中国建筑热环境分析专用气象数据集”,5月至9月太阳能回灌,晴天率约75%,日回灌时间为5～8 h,冬夏季热泵系统长时间70%能力运行,分析得出系统不平衡热量为950 kW。考虑埋管区地下水位迁移及全年太阳能辐照的影响,太阳能回灌能力按不平衡热量的30%～50%设计,并预留太阳能系统增容条件(工程运用中,系统回灌能量的最佳比例尚待进一步研究)。太阳能集热系统计算过程见文献[6]。

4 结论

文中介绍了恒热流法测试地埋管区的热物性,利用计算出的地层综合传热系数,反推出冬季吸热量,对测试设备有限的情况下提供了测试思路。

(1)不同地区、不同运行工况条件下,应采用不同的冷热平衡措施。在夏热冬冷地区采用冷却塔或带热回收技术是实现系统冷热平衡的常用措施;严寒及寒冷地区,地源热泵辅助锅炉房系统和太阳能地源热泵耦合系统是很好的选择。

(2)地源热泵+燃油锅炉辅助系统规模小,初投资低,运行简单,但是要消耗一次能源,对环境造成污染,未能充分利用可再生地热能,适用于投资少,环保要求不高的项目;太阳能地源热泵耦合系统除了消耗少量电能外,完全使用可再生清洁无污染能源,但是初投资较高,系统运行复杂,但长远来看,是未来发展的趋势。本工程位置偏僻且考虑投资因素,采用地源热泵辅助燃油锅炉房的方式。

参考文献:

[1] 樊永涛,李夏苗.铁路能耗因素分析及节能措施研究[J].管理观察,2009(6):232-233.

[2] 贝尼尔马.闭环地源热泵耦合系统[J].美国采暖制冷与空气调节工程师协会杂志,2006(9):12-19.

[3] 刁永飞,张小力,伍贻文.地源热泵的优越性及前景展望[J].能源研究与信息,2002,18(1):89-90.

[4] 胡平放,孙启明,於仲义,等.地源热泵地埋管换热量与岩土热物性的测试[J].煤气与热力,2008,28(8):1-4.

[5] 沈德安,侯卫华,林颖.西北地区地源热泵工程运用分析[J].节能技术,2010,28(2):137-140.

[6] 沈德安.太阳能地源热泵耦合系统工程运用分析[J].铁道标准设计,2010(S2):82-85.

Analysis on Heat Balance of G round Source Heat Pum p System in Railway Station

SHEN De-an
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi'an 710043,China)

In regard to an actual railway station,based on its design circumstance ofair-condition heating system and its testing reportof ground heat transfer characteristics,the ground source heat pump system was adopted as its cold and heat source.Considering the need for heat balance of the ground source heat pump system,this thesis analyzes the two different schemes used in railway station buildings:the one is a ground source heat pump system assisted by boiler,and the other is a coupled system of solar energywith ground source heat pump.And then respectively for both schemes,this thesis calculates the required capacity of ground source heat pump unit and the required design scale of ground heat exchanger.This thesis also discusses how to achieve the cold and heatbalance for the two different schemes,and analyzes each characteristics and applicability in actual projects.Finally this thesis points out:it is necessary to use suitable and customized heat balancemodes for different projects on the basis of local conditions.

ground source heat pump;heat transfer characteristics;cold and heat balance;cold and heat source

TU831.3

A

1004-2954(2013)07-0119-04

2013-01-10

沈德安(1981—),男,工程师,2008年毕业于哈尔滨工业大学,工学硕士,E-mail:shen123s@163.com。