地?zé)崴菁壚梅绞降氖孢m性和經(jīng)濟(jì)性分析

中國建筑設(shè)計(jì)研究院 ■ 曹榮光

天津城建大學(xué) ■ 李憲莉

中國地鐵工程咨詢有限責(zé)任公司 ■ 董書蕓

一 前言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，世界各國對能源的需求也越來越多。根據(jù)世界能源委員會(WEC)報告，全球三大常規(guī)能源急劇匱乏，價格急劇上漲。同時，大量使用煤炭、石油等常規(guī)能源也帶來了全球變暖、酸雨等環(huán)境污染問題。因此，可再生能源的開發(fā)和利用被放在突出位置[1]。地?zé)崮苁且环N清潔可持續(xù)利用的能源，我國有著豐富的地?zé)豳Y源。目前，在我國已興起地?zé)嶂苯永玫男赂叱?，尤其在高緯度較寒冷的三北(東北、華北、西北)地區(qū)，地?zé)崴拈_發(fā)力度加大。這項(xiàng)工作的開展，不僅有效利用地?zé)豳Y源，取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益，而且減少了大量有害物質(zhì)的排放。但是，由于過去我們?nèi)狈σ?guī)模開發(fā)的思想和技術(shù)準(zhǔn)備，對中低溫地?zé)崮芾贸州^消極的觀念，再加上大部分地?zé)岜挥糜谙丛　⒂斡境?、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及農(nóng)業(yè)，因此地?zé)崾聵I(yè)的發(fā)展明顯滯后[2]。同時，在開發(fā)地?zé)崮艿倪^程中，熱流體中所含的各種氣體和懸浮物將排入大氣中，對周圍環(huán)境造成影響。地?zé)崴羞€含有對環(huán)境有益和有害的常量、微量及放射性成分，并且排放溫度大都在40℃左右[3]。這樣，地?zé)崂靡欢ǔ潭壬显黾恿谁h(huán)境污染，且破壞了地?zé)豳Y源。因此，全面考慮低溫地?zé)崴睦弥陵P(guān)重要。水源熱泵可實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移，能回收地?zé)嵛菜臒崃?，并利用地?zé)岜P管作為末端進(jìn)行供熱。目前，熱泵和地板輻射采暖得到很好的普及，這為利用地?zé)嵛菜M(jìn)行供暖提供了良好的設(shè)備支持。

本文提出地?zé)崴菁壚梅桨?，即溫度較高地?zé)崴冗M(jìn)入散熱器散熱，溫度降低后再進(jìn)入水源熱泵的蒸發(fā)側(cè)，溫度降至一定程度后回灌；水源熱泵冷凝側(cè)得到較高溫度熱水進(jìn)入末端地?zé)岜P管放出的熱量；這樣，地?zé)崴捎脺夭钤龃?，排放溫度降低，以達(dá)到節(jié)約能源與保護(hù)環(huán)境的雙重效益。

二 梯級利用方案

地?zé)崴菁壚梅绞饺鐖D1所示，具體流程為：地?zé)崴傻責(zé)峋槌龊螅?jīng)過一次網(wǎng)送至各個用戶端，在原有鑄鐵散熱器散熱后，匯集到各個熱泵機(jī)房，由熱泵再次提取熱量，溫度降低后排放。水系統(tǒng)包括一次網(wǎng)系統(tǒng)和二次網(wǎng)系統(tǒng)，其中，一次網(wǎng)系統(tǒng)是開式系統(tǒng)；二次網(wǎng)特指水源熱泵機(jī)組負(fù)載側(cè)的水系統(tǒng)，經(jīng)過二次網(wǎng)把機(jī)組制出的熱水送至各個用戶端，經(jīng)過末端地板輻射系統(tǒng)散熱后，再次回到機(jī)組，形成閉式循環(huán)。

該梯級利用方案采用低溫?zé)崴匕遢椛洳膳?，比散熱器對流采暖?guī)定的房間平均溫度可降低1～3℃，且溫度沿高度方向均勻分布，房間上部溫度升高所增加的無效熱損失減少，節(jié)省了采暖能耗。另外，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)三種供暖運(yùn)行模式：在供暖初寒期和末寒期，室外溫度較高時，可僅采用散熱器供暖以滿足用戶的溫度要求，即地?zé)崴?jīng)過散熱器散熱后直接從旁通管回灌；隨室外溫度降低，僅靠散熱器不能滿足用戶需求時，采用散熱器與地板輻射串聯(lián)的供暖方式，散熱器的回水直接進(jìn)入地板輻射盤管，兩種散熱設(shè)備同時向用戶提供熱量；當(dāng)室外溫度繼續(xù)下降，這種模式也未能滿足要求時，開啟水源熱泵，利用水源熱泵制出的熱水供給地板輻射盤管，提高地板輻射盤管的散熱量以滿足用戶要求。采用這三種供暖運(yùn)行管理模式，可充分利用低溫地?zé)崴@種低品位能源，從而節(jié)省高品位能源的電能。

三 舒適性分析

一般情況下，地板輻射采暖能保證沿高度方向3m以內(nèi)溫度分布均勻，有利于避免或減少由于寒冷產(chǎn)生的各種疾病[4]。而在大空間內(nèi)采用地板輻射采暖系統(tǒng)能否在其上部空間滿足溫度要求，是本文研究的內(nèi)容。為此采用Airpak模擬軟件對天津市動物園的長頸鹿館的采暖效果進(jìn)行模擬。

1 模擬分析

(1)物理模型

如圖2所示，長頸鹿館的館舍幾何尺寸較大(22.5 m×14.5 m×7m)，屬于供暖過程中最不利的情況，因此選擇長頸鹿館作為模擬和測試的代表。

(2)數(shù)學(xué)模型

CFD技術(shù)在室內(nèi)熱環(huán)境中的應(yīng)用是基于對室內(nèi)不可壓縮氣體質(zhì)量、動量、能量守恒微分方程的離散化處理及其數(shù)值解析[5，6]。本文研究的為紊流的三維穩(wěn)定流場流動問題，基于空氣紊流特性的微觀解析，利用Airpak軟件，采用Launder及Spalding等提出的一種平均湍流能量模型即標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型求解方程組。

控制方程如下：

①質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)質(zhì)量守恒方程如式(1)所示。

對于不可壓縮流體可簡寫為：

②動量守恒方程

式中，μ為動力粘度；I為單位張量；等式右邊第二項(xiàng)反映體積膨脹的影響。

③ 能量守恒方程

對于流體區(qū)域能量方程可用顯熱焓h表示，表達(dá)式為：

式中，k為分子電導(dǎo)率；kt為紊流傳遞形成的電導(dǎo)率，；Sh為源項(xiàng)，所定義的任何體積熱源；，Tref為298.15K。

對于固體區(qū)域，則是一個包括傳導(dǎo)熱流和固體內(nèi)部體積熱源的簡單傳導(dǎo)方程，如式（6）所示。

邊界條件：

b.對于低溫地板采暖房間，在穩(wěn)定傳熱條件下，室內(nèi)熱平衡表達(dá)式為：

式中，qf為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面凈輻射換熱量，W；τn為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，℃；F為圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積，m2；Rn為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面對流換熱熱阻，(m2·℃)/W；R0為圍護(hù)結(jié)構(gòu)總熱阻，(m2·℃)/W；α為溫差修正系數(shù)。

(3)模擬結(jié)果與分析

圖3為模擬地板表面的溫度分布，從圖中可看出，在動物活動的外圍，溫度基本低于24℃，而在靠近外墻和外門的地方，部分溫度低于20℃。在動物活動區(qū)的溫度基本在27℃以上，能滿足動物冬季采暖需求，不會出現(xiàn)由于地面溫度低而導(dǎo)致動物不適的情況。圖3還顯示在房間中心地帶溫度明顯高于其他部位，這主要是分布在周邊散熱器在空間形成渦流而造成的。

房間中心位置在垂直方向的溫度分布如圖4所示，在靠近地面2m以內(nèi)溫度變化較大，在2m以上溫度分布較均勻。

常規(guī)地板輻射采暖房間在垂直方向的溫度分布一般在0.5m以上就較均勻了，本文的模擬結(jié)果之所以出現(xiàn)這種情況主要是由于房間面積較大，高度約為7m，屬于大空間建筑，周圍散熱器的作用使得在3m以下范圍內(nèi)房間溫度波動較大，但在空間上部溫度分布十分均勻，這樣的溫度分布對長頸鹿來說是舒適的，因?yàn)殚L頸鹿較高大，上部溫度稍低，長頸鹿的軀干基本在2～3m的范圍。由模擬結(jié)果顯示地板輻射采暖在大空間內(nèi)能滿足要求。

2 實(shí)驗(yàn)研究

(1)測試儀器

本測試所用的測試儀器主要為干、濕球溫度計(jì)，美國fluke公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(圖5)，熱電偶等。

(2)測試結(jié)果與分析

① 地面溫度分布曲線

圖6為在不同位置的地板表面縱向溫度圖，從圖中可以看出，溫度的分布呈明顯先升后降趨勢，在房間中部地面溫度達(dá)到最大。為使選取測點(diǎn)具有代表性，選取的x=2.65m和x=5.3m處分別為外門正對和靠近門的地方，受冷風(fēng)滲透的影響，地板表面溫度明顯低于房間中央溫度；在靠近外門處地面溫度明顯偏低。

從實(shí)測結(jié)果可以看到，地面溫度基本保持在23℃以上，最高實(shí)測值為28.67℃。

② 空間溫度分布曲線

圖7和圖8分別是測試房間垂直方向的平均溫度分布曲線和任取某一點(diǎn)垂直方向的溫度分布曲線。

從圖中可以看出，無論是整個空間同一高度的平均溫度還是某一點(diǎn)在垂直方向的溫度其分布是相似的。在靠近地面0.2m內(nèi)，溫度梯度較大，然而在整個空間內(nèi)溫度梯度變化較小，約在2.5～3.0m的范圍內(nèi)溫度達(dá)到最大，然后趨于平緩，整個房間溫度維持在20℃，從實(shí)測效果來看完全滿足實(shí)際采暖需要。高度2.5～3.0m范圍內(nèi)溫度稍高，這是由于散熱器的傳熱主要是對流散熱，熱氣流上升，使上部空間溫度明顯高于下部，而在大空間范圍內(nèi)，散熱器的散熱量不占主導(dǎo)地位，且散熱器進(jìn)出口溫度要比常規(guī)散熱器采暖溫度低，所以隨著高度的增加，散熱器的作用逐漸減弱，在上部空間溫度分布又趨于穩(wěn)定。

③ 模擬值和測試值的比較

從圖9可清楚地看出無論模擬結(jié)果還是實(shí)測結(jié)果均能滿足實(shí)際要求，房間內(nèi)溫度都在18℃以上。圖中測試值高于模擬值，經(jīng)分析認(rèn)為這主要是由于在實(shí)際運(yùn)行時，房間門窗外側(cè)有擋風(fēng)棉被和塑料布遮擋，使得房間熱負(fù)荷減小。溫度分布的模擬值和實(shí)測值能很好地吻合，從而說明地板輻射采暖在高大空間中應(yīng)用效果能滿足實(shí)際需要。

四 經(jīng)濟(jì)性分析

天津市動物園始建于1975年，歷經(jīng)5年精心建設(shè)，于1980年1月1日正式開放。原有供熱工程采用3臺4t/h燃煤鍋爐制出85℃/60℃的熱水和四柱760型鑄鐵散熱器進(jìn)行供暖。隨著動物園的不斷發(fā)展，供熱負(fù)荷逐漸增加，現(xiàn)有管網(wǎng)的承載能力已達(dá)到極限，同時由于使用時間較長，管網(wǎng)腐蝕情況嚴(yán)重，維修管理費(fèi)用逐年增加。為支持天津市“藍(lán)天工程”，保護(hù)環(huán)境，結(jié)合現(xiàn)有資源，決定采用清潔地?zé)崮茉催M(jìn)行供熱，供熱面積共計(jì)9093.8m2。動物園原有地?zé)峋豢?，井?000m，出水溫度45℃，水質(zhì)較好。針對該工程，有關(guān)部門提出兩種方案：

1 混水方案

在地?zé)崴M(jìn)入蒸發(fā)器前與機(jī)組回水混合，以降低進(jìn)水溫度。如圖10所示，45℃地?zé)崴?0℃的熱泵機(jī)組排水在熱泵機(jī)組進(jìn)口處混合至33℃左右后進(jìn)入熱泵，溫度降至10℃回灌。機(jī)組制出的熱水通過外網(wǎng)輸送到各個館舍，末端采用地板輻射或風(fēng)機(jī)盤管供暖。由于原有管網(wǎng)設(shè)計(jì)供回水溫差為25℃，而改造后的溫差為5℃，所以水流量加大，導(dǎo)致原有管網(wǎng)管徑不能滿足要求，需更換。

2 地?zé)崴菁壚梅桨?/h3>

如上所述，地?zé)崴?jīng)過散熱器降溫后，再進(jìn)入熱泵機(jī)組供熱泵提取熱量。此方案可利用原有管網(wǎng)作為一次管網(wǎng)，僅需增加二次管網(wǎng)。

工程造價是指進(jìn)行某項(xiàng)工程建設(shè)所花費(fèi)的全部費(fèi)用，它直接決定方案的可實(shí)施性，表1從機(jī)組、水泵、管網(wǎng)、末端設(shè)備造價等方面對兩種方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較。

表1 兩種方案的工程造價對比

從表1可以看出，采用梯級利用方案的工程造價低、經(jīng)濟(jì)性好。

五 結(jié)論

(1)隨著能源危機(jī)的加劇和傳統(tǒng)能源價格的升高，地?zé)嵛菜欧艤囟雀咭殉蔀橐粋€突出問題。利用熱泵回收地?zé)嵛菜械臒崃窟M(jìn)行供熱，可進(jìn)一步提高地?zé)崮艿睦寐?，同時使地?zé)崴呐欧艤囟冉档偷江h(huán)保要求，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

(2)結(jié)合實(shí)際工程，利用Airpak軟件和實(shí)驗(yàn)測試研究了高大空間的熱舒適性，通過分析得出地板輻射采暖的可行性和優(yōu)越性，并從經(jīng)濟(jì)角度分析了梯級利用方案的優(yōu)越性。

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