王建玉
WANG Janyu
(江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院,江蘇 常州 213147)
可再生能源的利用是綠色校園建設(shè)的重要組成部分,大規(guī)模土壤源熱泵系統(tǒng)作為一種節(jié)能、環(huán)保并對(duì)環(huán)境無(wú)害的綠色采暖空調(diào)技術(shù)成為校園能源系統(tǒng)的首選[1]。大規(guī)模土壤源熱泵系統(tǒng)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(tǒng)控制復(fù)雜,無(wú)論在前期規(guī)劃、設(shè)計(jì)與施工,還是后期的運(yùn)行和管理任何階段出了問(wèn)題,都可能導(dǎo)致系統(tǒng)工程出現(xiàn)土壤熱失衡、水力失衡、控制失靈等問(wèn)題,使得系統(tǒng)能效沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求,甚至無(wú)法正常使用。因此,土壤源熱泵系統(tǒng)能效的提升及高效應(yīng)用是當(dāng)前關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[2]。
調(diào)適作為一種質(zhì)量保證工具,是從系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段開(kāi)始,到后續(xù)的施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù),所進(jìn)行的一系列跨越整個(gè)工程項(xiàng)目周期的質(zhì)量認(rèn)證過(guò)程,目的是確保在整個(gè)過(guò)程中的每個(gè)階段都要符合設(shè)計(jì)意圖和滿足業(yè)主的項(xiàng)目需求[3]。運(yùn)用調(diào)適策略確保校園大規(guī)模土壤源熱泵系統(tǒng)的工程質(zhì)量,是目前較為有效提升系統(tǒng)運(yùn)行能效的方法之一。
大規(guī)模土壤源熱泵系統(tǒng)作為綠色校園中重要的能源系統(tǒng)之一,由于其技術(shù)復(fù)雜、生命周期長(zhǎng)等特點(diǎn),需要建立一支獨(dú)立于規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)行管理的調(diào)適技術(shù)團(tuán)隊(duì)。由校園節(jié)能(或綠色校園運(yùn)營(yíng))負(fù)責(zé)人牽頭,學(xué)?;ㄘ?fù)責(zé)人、學(xué)校后勤負(fù)責(zé)人、暖通空調(diào)系統(tǒng)工程師、系統(tǒng)控制工程師等組成調(diào)適團(tuán)隊(duì)。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)施的不同階段,可以臨時(shí)聘請(qǐng)技術(shù)專(zhuān)家對(duì)調(diào)適工作進(jìn)行指導(dǎo)。如在規(guī)劃階段,可以聘請(qǐng)區(qū)域能源規(guī)劃專(zhuān)家對(duì)系統(tǒng)的適用性進(jìn)行評(píng)估;在設(shè)計(jì)階段,可以聘請(qǐng)暖通空調(diào)系統(tǒng)的專(zhuān)家對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論證;在施工驗(yàn)收階段對(duì)系統(tǒng)的施工質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià);在運(yùn)行階段對(duì)系統(tǒng)的能效進(jìn)行測(cè)評(píng)等。
2.1.1明確用戶需求
在構(gòu)建綠色校園過(guò)程中,為了充分利用可再生能源,江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院新校區(qū)需要建設(shè)大規(guī)模的土壤源熱泵系統(tǒng),通過(guò)將教學(xué)辦公區(qū)與生活區(qū)錯(cuò)峰交替運(yùn)行控制的方式,為學(xué)院的行政樓、食堂、學(xué)生宿舍區(qū)、教育技術(shù)中心、圖書(shū)館、研發(fā)樓、大學(xué)生活動(dòng)中心、建筑展覽館共計(jì)建筑面積153 900m2空間的空氣進(jìn)行調(diào)節(jié),同時(shí)要求每天提供100 t的生活熱水,供學(xué)生洗澡使用,希望在滿足要求的同時(shí),最大限度地節(jié)約能源。
2.1.2系統(tǒng)特征分析
1)氣候特征
本項(xiàng)目位于常州市鐘樓區(qū)殷村職教園(北緯31°78′、東經(jīng)119°75′),屬北亞熱帶潤(rùn)濕季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,最高溫度39.4℃,最低溫度-15.5℃,主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng),無(wú)霜期225d,雨水充沛,年均降水量1076mm,光照充足,年均蒸發(fā)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(zhǎng);秋季受臺(tái)風(fēng)影響,秋旱及連日有雨相間出現(xiàn);冬季干燥寒冷,嚴(yán)寒期短,年平均日照時(shí)間2075h。
2)水文與地質(zhì)條件
項(xiàng)目位于滆湖附近,河港汊蕩縱橫交錯(cuò)。地下水主要為潛水,主要由大氣降水補(bǔ)給,蒸發(fā)排泄為主,季節(jié)性變化明顯。水位埋深一般在0.5~1.5m之間。根據(jù)鉆孔和靜力觸探的結(jié)果以及土層成因和時(shí)代等的綜合分析,在勘查深度范圍內(nèi),自上而下地基土可劃分為4個(gè)工程地質(zhì)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(zhì)結(jié)核,層厚一般為2~6m;
粉質(zhì)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(fù)荷特點(diǎn)分析
根據(jù)常州地區(qū)的氣候特點(diǎn),宿舍區(qū)與工作區(qū)分時(shí)控制,可以計(jì)算出8∶00—20∶00系統(tǒng)的最大熱負(fù)荷和冷負(fù)荷分別為3999kW和5366kW,20∶00—8∶00系統(tǒng)的最大熱負(fù)荷和冷負(fù)荷分別為2835kW和4480kW。考慮到學(xué)校寒暑假的放假情況,夏季制冷向地下的全年累計(jì)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(tǒng)的機(jī)房與地埋管井區(qū)域選址
為了減少系統(tǒng)的輸送能耗,機(jī)房選擇在供能區(qū)域的中心位置(現(xiàn)代技術(shù)教育中心的地下室),確保系統(tǒng)的供能半徑控制在500m范圍。地面管井選擇在機(jī)房附近區(qū)域,根據(jù)地質(zhì)勘探的結(jié)果,考慮到地下水系的分布情況,選擇在圖書(shū)館西廣場(chǎng)和體育場(chǎng)分四個(gè)區(qū)域布置。
2.1.4投資概算
根據(jù)系統(tǒng)的供能范圍及負(fù)荷情況,計(jì)算系統(tǒng)的末端數(shù)量,估算管線的管徑與長(zhǎng)度,計(jì)算水泵、機(jī)組、閥門(mén)等的數(shù)量,可以對(duì)系統(tǒng)的投資進(jìn)行初步概算。
2.1.5土壤源熱泵系統(tǒng)的適易性評(píng)價(jià)
根據(jù)系統(tǒng)的特征可以初步估算出:系統(tǒng)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(biāo)煤的替代量470400kg。綜合考慮系統(tǒng)的節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境性和平衡性,認(rèn)為在該地區(qū)建立大規(guī)模土壤源熱泵系統(tǒng)是適宜的。
在立項(xiàng)與規(guī)劃階段應(yīng)該形成的文檔主要包括:
1)初步調(diào)適計(jì)劃對(duì)各個(gè)階段的調(diào)適內(nèi)容、調(diào)適參與人員、調(diào)適結(jié)果以及調(diào)適費(fèi)用進(jìn)行計(jì)劃;
2)規(guī)劃階段調(diào)適問(wèn)題日志對(duì)立項(xiàng)和規(guī)劃階段出現(xiàn)的問(wèn)題以及解決方案進(jìn)行記錄;
3)調(diào)適會(huì)議記要由調(diào)適團(tuán)隊(duì)組織,邀請(qǐng)建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位參與的規(guī)劃階段調(diào)適會(huì)議,對(duì)調(diào)適過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行交流討論的記錄;
4)規(guī)劃階段的調(diào)適報(bào)告根據(jù)系統(tǒng)的制冷、制熱的范圍和時(shí)長(zhǎng),舒適性等用戶要求,分析系統(tǒng)的特征,提出機(jī)房、地埋管井的選址建議,說(shuō)明投資概算依據(jù),從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境等方面分析系統(tǒng)的可行性。
1)復(fù)核系統(tǒng)負(fù)荷,對(duì)機(jī)組的選型進(jìn)行調(diào)適
根據(jù)每幢建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的特征,計(jì)算其冷、熱負(fù)荷的最大與最小值;根據(jù)同一時(shí)間段負(fù)荷最大值和最小值的情況,對(duì)機(jī)組的選型進(jìn)行調(diào)適。為了便于部分負(fù)荷時(shí)對(duì)機(jī)組進(jìn)行階梯控制,用4臺(tái)機(jī)組分擔(dān)系統(tǒng)負(fù)荷。
2)復(fù)核系統(tǒng)向地下吸、排熱量,對(duì)地埋管井?dāng)?shù)量及系統(tǒng)的平衡設(shè)施進(jìn)行調(diào)適
根據(jù)同一時(shí)段系統(tǒng)制冷、制熱負(fù)荷,計(jì)算系統(tǒng)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(duì)地埋管井的深度、間距及數(shù)量進(jìn)行復(fù)核。計(jì)算冬季每日100 t生活熱水的吸熱量后,對(duì)冷卻塔的容量進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。
3)對(duì)水力進(jìn)行復(fù)核計(jì)算,對(duì)水力平衡、管道及水泵的選型進(jìn)行調(diào)適
對(duì)地埋管側(cè)的水力進(jìn)行復(fù)核計(jì)算,4個(gè)分區(qū)分布采用一臺(tái)水泵為地埋管側(cè)的水循環(huán)提供動(dòng)力,分區(qū)的地埋管采用同程方式,根據(jù)各個(gè)分區(qū)阻力及流量,確定地源側(cè)水泵的尺寸。對(duì)冷凍水一次泵與二次泵的水力進(jìn)行復(fù)核計(jì)算,每臺(tái)機(jī)組對(duì)應(yīng)1臺(tái)一次泵,根據(jù)其流量和阻力確定一次泵的參數(shù)。在確保分水器分出各支路水力平衡的前提下,根據(jù)系統(tǒng)的阻力和流量范圍,確定水泵和變頻器的參數(shù)。對(duì)冷卻水的水力進(jìn)行復(fù)核計(jì)算,根據(jù)冷卻塔的高度、管道阻力和流量確定冷卻水平的參數(shù)。
4)核對(duì)系統(tǒng)的傳感器、執(zhí)行器的位置和數(shù)量,對(duì)系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行調(diào)適
在設(shè)計(jì)階段應(yīng)該形成的文檔主要包括:
1)設(shè)計(jì)階段調(diào)適問(wèn)題日志對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)文件中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行記錄;
2)調(diào)適會(huì)議記要由調(diào)適團(tuán)隊(duì)組織,邀請(qǐng)建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位參與的設(shè)計(jì)階段調(diào)適會(huì)議,對(duì)調(diào)適過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行交流討論的記錄;
3)設(shè)計(jì)階段的調(diào)適報(bào)告根據(jù)復(fù)核計(jì)算的結(jié)果,對(duì)地埋管井的數(shù)量、間距和深度,管材的選擇,機(jī)組與水泵的選型,平衡與控制策略等,提出優(yōu)化建議。
1)地埋管井及管道的施工調(diào)適
檢查地埋管井群的區(qū)域劃分、地埋管井的間距與深度是否符合設(shè)計(jì)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(guī)范要求;進(jìn)行壓力實(shí)驗(yàn),穩(wěn)壓5 d,記錄每天的壓力情況,分析系統(tǒng)的密閉性。
2)冷凍水與冷卻水管道施工調(diào)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(guī)范要求;按照設(shè)計(jì)要求或規(guī)范要求,先進(jìn)行分區(qū)、分層試壓,然后再進(jìn)行系統(tǒng)試壓,在觀察壓力表有無(wú)壓降的同時(shí),進(jìn)行反復(fù)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(fēng)機(jī)盤(pán)管施工調(diào)適
檢查風(fēng)盤(pán)安裝是否牢固,以免產(chǎn)生振動(dòng)發(fā)出噪音;檢查風(fēng)機(jī)盤(pán)管的下部接水盤(pán)的底安裝是否水平,保證接水盤(pán)內(nèi)有一個(gè)合理的排水坡度。
4)主機(jī)房設(shè)備安裝調(diào)適
對(duì)照設(shè)計(jì)圖,對(duì)設(shè)備基礎(chǔ)的幾何尺寸位置進(jìn)行復(fù)核;檢查基礎(chǔ)的水平度及減振墊的放置情況,確保主機(jī)平穩(wěn)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(jī)的聯(lián)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(tǒng)保溫施工調(diào)適
對(duì)照?qǐng)D紙,確保需要保溫管道全部進(jìn)行保溫施工;檢查保溫材料是否符合設(shè)計(jì)要求;檢查保溫工程的接口(端面和縱向)是否嚴(yán)合。
6)控制系統(tǒng)施工調(diào)適
對(duì)照?qǐng)D紙和設(shè)計(jì)規(guī)范,檢測(cè)傳感器和執(zhí)行器的安裝位置、安裝流程、安裝工藝,確??刂破髋c傳感器和執(zhí)行器數(shù)據(jù)傳輸正確,軟件的控制策略符合設(shè)計(jì)要求。
7)系統(tǒng)調(diào)試與試運(yùn)行的調(diào)適
檢查系統(tǒng)的水力平衡情況,確保在水量減少時(shí),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(shè)計(jì)要求;檢查系統(tǒng)熱平衡情況,確保土壤溫度不會(huì)逐年升高;檢查傳感器、執(zhí)行器數(shù)據(jù)的傳輸情況,確??刂撇呗缘膶?shí)施。
在施工階段應(yīng)該形成的文檔主要包括:
1)施工階段調(diào)適問(wèn)題日志對(duì)施工過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行記錄;
2)調(diào)適會(huì)議記要由調(diào)適團(tuán)隊(duì)組織,邀請(qǐng)建設(shè)單位、施工單位、監(jiān)理單位和設(shè)計(jì)單位參與的施工階段調(diào)適會(huì)議,對(duì)調(diào)適過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行交流討論的記錄;
3)施工階段的調(diào)適報(bào)告對(duì)在施工圖與深化設(shè)計(jì)方案中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的記錄與分析;對(duì)施工過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)查驗(yàn)情況全面的記錄和分析;對(duì)系統(tǒng)功能與性能測(cè)試情況全面的記錄和分析;根據(jù)最終結(jié)果提出調(diào)適建議。
1)檢測(cè)供能區(qū)域的溫濕度情況
在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,實(shí)時(shí)檢測(cè)各用能區(qū)域的溫濕度情況,出現(xiàn)過(guò)熱和過(guò)冷時(shí)及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)適。
2) 檢測(cè)系統(tǒng)的能效比
根據(jù)系統(tǒng)的制熱、制冷量與耗電量,可以及時(shí)檢測(cè)出系統(tǒng)的能效比,當(dāng)能效比較低時(shí),分析原因,制定調(diào)適策略。
3) 檢測(cè)輸送能效比
檢測(cè)輸送能耗比的大小,當(dāng)輸送能耗較高時(shí),對(duì)水泵的運(yùn)行策略,特別是冷凍水二次泵的變頻策略進(jìn)行調(diào)適,同時(shí)要保證水力的動(dòng)態(tài)平衡。
4) 檢測(cè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況
檢測(cè)傳感器和執(zhí)行器的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)是否吻合,數(shù)據(jù)分析后,對(duì)控制策略優(yōu)化提出調(diào)適方案。
在運(yùn)行階段應(yīng)該形成的文檔主要包括:
1)運(yùn)行階段調(diào)適問(wèn)題日志對(duì)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行記錄;
2)調(diào)適會(huì)議記要由調(diào)適團(tuán)隊(duì)組織,邀請(qǐng)建設(shè)單位和運(yùn)維單位參與的運(yùn)行階段調(diào)適會(huì)議,對(duì)調(diào)適過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行交流討論的記錄;
3)運(yùn)維階段的調(diào)適報(bào)告每個(gè)制冷或采暖季都應(yīng)該將運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)的運(yùn)行情況,包括能效比、輸送能效比、系統(tǒng)的舒適性以及控制策略進(jìn)行評(píng)估分析,提出調(diào)適方案,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化,確保系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行。
校園大規(guī)模土壤源熱泵系統(tǒng)的調(diào)適開(kāi)始于方案規(guī)劃階段,貫穿圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、施工安裝、單機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)、性能測(cè)試和運(yùn)行維護(hù)各個(gè)階段,要確保設(shè)備和系統(tǒng)在使用過(guò)程中達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過(guò)系統(tǒng)調(diào)適至少可以帶來(lái)以下一些好處:
1)盡可能減少系統(tǒng)潛在的規(guī)劃與設(shè)計(jì)問(wèn)題,最大程度地降低設(shè)計(jì)變更帶來(lái)的負(fù)面影響。
2)減少安裝完工時(shí)的質(zhì)量缺陷,防止工期延誤,縮短系統(tǒng)移交周期。
3)保證了室內(nèi)空氣品質(zhì),提高了人員工作效率,增加建筑的價(jià)值。
4)提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性與可靠性,減少能耗,降低運(yùn)行成本。
5)完善了系統(tǒng)資料,便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化提升。