中國(guó)北方高校供暖狀況調(diào)研與優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

田太鵬 孫聞 蘭子偉

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧 阜新 123000)

2020 年,習(xí)主席在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上做出兩點(diǎn)承諾：第一是在2030 年之前,中國(guó)要在巴黎承諾的基礎(chǔ)上提前碳排放達(dá)峰；第二是中國(guó)提出終點(diǎn)方案,即中國(guó)到2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和[1]?；诖朔N時(shí)代背景,本文針對(duì)中國(guó)北方地區(qū)高校供暖狀況進(jìn)行了調(diào)研,并對(duì)供暖系統(tǒng)的優(yōu)化方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析——以遼西地區(qū)某高校校區(qū)為例。本文調(diào)研發(fā)現(xiàn)2017 年之前該校區(qū)供暖效果極差,教學(xué)樓溫度10℃左右,宿舍溫度16℃左右,2018 年該校區(qū)通過(guò)整體供暖改造,大大提升了供暖系統(tǒng)效果與人員舒適度。

地源熱泵系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用非常廣泛。截至2012 年底,我國(guó)地源熱泵應(yīng)用面積近24000 萬(wàn)m2[2]。且作為制冷空調(diào)行業(yè)一個(gè)新興的產(chǎn)品類別,熱泵相對(duì)于燃?xì)夤┡?、直接電加熱等產(chǎn)品,具有明顯的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì),是一種高效清潔的能源利用方式[3],可以有效控制和減少電站燃燒產(chǎn)物中的粉塵、SO2和NOX等大氣污染物[4]。遼寧沈陽(yáng)結(jié)合得天獨(dú)厚的水文地質(zhì)特點(diǎn)優(yōu)勢(shì),經(jīng)過(guò)科學(xué)分析,大力發(fā)展水源熱泵技術(shù),在推廣水源熱泵應(yīng)用方面走在了全國(guó)的前列[5]。本文通過(guò)調(diào)取數(shù)據(jù)資料與走訪調(diào)查等方式對(duì)該校區(qū)2017 年之前供暖系統(tǒng)存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析,并結(jié)合當(dāng)前該校區(qū)的實(shí)際情況設(shè)計(jì)出了地源熱泵改造方案,為中國(guó)北方地區(qū)高校供暖系統(tǒng)改造提供了參考價(jià)值。

1 測(cè)量分析

遼西地區(qū)冬季氣候干燥寒冷,多風(fēng),高校校園往往位于空曠的城市邊緣地區(qū),建筑熱損失大。高校園區(qū)內(nèi)建筑能功能形式多樣,包含住宿區(qū)、教學(xué)區(qū)、辦公區(qū)及體育場(chǎng)館等,每個(gè)區(qū)域建筑群供暖負(fù)荷特性和高峰用熱需求時(shí)間各不相同,同時(shí)園區(qū)內(nèi)各功能區(qū)建筑群相對(duì)集中,但各功能區(qū)距離較遠(yuǎn),很容易出現(xiàn)供熱不均,供熱系統(tǒng)最不利端的建筑供熱效果往往很難保障。本文通過(guò)調(diào)取2017 年之前該校區(qū)供暖數(shù)據(jù)進(jìn)行(轉(zhuǎn)下頁(yè))計(jì)算分析,現(xiàn)將問(wèn)題總結(jié)如下：

1.1 教學(xué)區(qū)總供熱量不足

改造前檢測(cè)團(tuán)隊(duì)利用超聲波流量計(jì)對(duì)于教學(xué)區(qū)換熱器實(shí)際流量進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果為696m3/h(泵額定流量為720m3/h),二次網(wǎng)供回水溫差為7℃,即二次網(wǎng)總供熱量為5684kW,承擔(dān)供熱面積為196353m2,則教學(xué)區(qū)建筑的采暖面積熱指標(biāo)僅為28.9W/m2。低于《實(shí)用供熱供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中“住宅45-70W/m2；辦公室60-80W/m2”的通用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 一、二次網(wǎng)板式換熱器傳熱系數(shù)偏低

測(cè)算數(shù)據(jù)顯示,換熱站內(nèi)板式換熱器的對(duì)數(shù)平均換熱溫差為16℃,面積為兩組220m2,換熱量為5684kW,則其平均換熱系數(shù)為807.39W/m2/℃,常規(guī)板式換熱器傳熱系數(shù)至少應(yīng)為為2000W/m2/℃以上。

1.3 換熱站內(nèi)壓力損失較大,供熱資用壓力不足,且末端管路管徑較小,循環(huán)阻力大,導(dǎo)致熱水循環(huán)不暢

圖1 換熱站內(nèi)壓力分布圖

由換熱站內(nèi)壓力分布圖1 可知,供熱循環(huán)泵的實(shí)際揚(yáng)程為27 米水柱(0.28MPa),基本接近泵的額定揚(yáng)程28 米水柱,但27米水柱(0.27MPa) 的揚(yáng)程在換熱站內(nèi)損失達(dá)到17 米水柱(0.17MPa),導(dǎo)致分集水器見熱用戶的資用壓力為10 米水柱(0.1MPa)。且損失的17 米水柱主要浪費(fèi)在了泵的出口到換熱器入口的管路中,達(dá)到12 米的水頭損失。

該校區(qū)供熱末端管路改造前多為4 分、6 分管,管徑偏小,循環(huán)阻力大,有限的循環(huán)動(dòng)力,導(dǎo)致管路內(nèi)熱水循環(huán)不暢,且越遠(yuǎn)端循環(huán)越差。

1.4 室內(nèi)散熱器片數(shù)偏少,散熱量不夠

以某辦公建筑的會(huì)議室為例,該會(huì)議室為北向128 平米,改造前共設(shè)有三組12 片,共36 片散熱器,由于缺乏產(chǎn)品數(shù)據(jù),本次分析散熱器型號(hào)采用與實(shí)際散熱器熱工性能較為接近的中心距600mmTLZY8-6/6-1.0 銅鋁復(fù)合散熱器,性能參數(shù)摘自《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》,散熱器進(jìn)出水溫度按最佳運(yùn)行工況即換熱站出水溫度45℃,回水38℃計(jì)算,室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度取18℃,則單片散熱器的散熱量為：Q=0.6751ΔT1.274=37.68W/片,則散熱器總散熱量為1356.48W,采暖平米熱指標(biāo)僅為10.59W/m2,完全不能滿足供熱需求,而此辦公建筑11 月29 日散熱器供水溫度僅為34℃,其實(shí)際散熱量更小,當(dāng)日該房間溫度也只有13.7℃。即使按散熱器單片散熱量100W 計(jì)算,其能達(dá)到的采暖面積熱指標(biāo)僅為28.125W/m2,也達(dá)不到采暖設(shè)計(jì)要求,所以就此辦公建筑而言,室內(nèi)布置散熱器片數(shù)量完全不足以保證室內(nèi)供熱品質(zhì)。

1.5 供熱不均導(dǎo)致循環(huán)末端建筑供熱效果不達(dá)標(biāo)

據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn),供暖系統(tǒng)改造前離換熱站較近的5 號(hào)宿舍樓室內(nèi)溫度集中在20℃,滿足室內(nèi)供熱品質(zhì)需求,而較遠(yuǎn)的4 號(hào)樓室內(nèi)溫度普遍低于18℃,學(xué)生反應(yīng)較冷。由于教學(xué)區(qū)總供熱量不足,使本就不多的供熱量被近端用戶占有,更加重了遠(yuǎn)端的供熱不足。

1.6 管道保溫不好導(dǎo)致末端供水溫度偏低

通過(guò)走訪得知供暖系統(tǒng)改造前換熱站內(nèi)供水溫度為45℃,而位置較遠(yuǎn)的辦公建筑散熱器供水溫度僅為34.4℃,初步推斷在供熱管路中存在熱損失。

1.7 換熱站回水溫度異常

調(diào)查顯示改造前換熱站回水溫度高于某辦公建筑供水度,初步推斷是有較小阻力的并聯(lián)回路高溫回水混合。

2 地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 工程概況

建筑概述：教室面積13.7 萬(wàn)m2,宿舍面積5.9 萬(wàn)m2。

設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)以地埋管系統(tǒng)為冷熱源,采用地源熱泵機(jī)組進(jìn)行冬季供暖。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

供暖供水60℃,回水50℃。

地埋管系統(tǒng)冬季為8℃,回水4℃。

設(shè)計(jì)負(fù)荷見表1。

表1 設(shè)計(jì)負(fù)荷

2.3 地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

主機(jī)選擇：供暖機(jī)組。

機(jī)組型號(hào)：LSBLGR-4350EMG(空調(diào)機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)見表2)。

表2 空調(diào)機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

機(jī)組數(shù)量：4 臺(tái)。

承壓：1.0MPa。

制熱運(yùn)行：熱水進(jìn)出水溫度50/60℃,熱源水進(jìn)出水溫度8/4℃。

2.4 主機(jī)使用說(shuō)明

本方案中所選用機(jī)組能夠根據(jù)室外氣候和冷熱負(fù)荷的變化自動(dòng)加載卸載,以達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。機(jī)組為全智能化自動(dòng)控制,機(jī)組可設(shè)定溫度、時(shí)間,并根據(jù)設(shè)定的參數(shù)自動(dòng)加載或卸載。同時(shí),系統(tǒng)故障自動(dòng)保護(hù)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)記錄、自動(dòng)停機(jī),能夠很好的保護(hù)機(jī)組,又方便故障排除。

2.5 機(jī)房系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空調(diào)水系統(tǒng)：空調(diào)水系統(tǒng)采用兩管制定流量系統(tǒng)。空調(diào)系統(tǒng)水采用軟化水,由軟水器制取?？照{(diào)水循環(huán)泵各選用5 臺(tái),4用1 備。

水系統(tǒng)膨脹定壓：空調(diào)水系統(tǒng)采用定壓補(bǔ)水泵定壓補(bǔ)水,設(shè)軟化水箱,并設(shè)補(bǔ)水泵,補(bǔ)水泵為一用一備,初期上水可兩臺(tái)同時(shí)開啟。

開機(jī)循序：空調(diào)水循環(huán)泵- 熱源水供水泵- 熱泵主機(jī)；停機(jī)循序：熱泵主機(jī)- 熱源水供水泵- 空調(diào)水循環(huán)泵。

機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)污水坑和排污泵,防止因檢修、調(diào)試等原因而出現(xiàn)存水的現(xiàn)象,影響電氣控制。

2.6 地埋管方案設(shè)計(jì)

建筑物熱負(fù)荷及冬季地下?lián)Q熱量計(jì)算(計(jì)算結(jié)果見表3),本設(shè)計(jì)工況下制熱的COP2計(jì)算地下傳熱量：

Q'2=Q2(1-1/COP2)

其中Q'2——冬季空調(diào)從土壤吸收的熱量(kW)；

Q2——冬季空調(diào)設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷(kW)；

COP2——設(shè)計(jì)工況下地源熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)。

根據(jù)最大熱量(即取冬季空調(diào)從土壤吸收的熱量Q'2)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算

表3 建筑物熱負(fù)荷及冬季地下?lián)Q熱量計(jì)算

2.7 地下?lián)Q熱器設(shè)計(jì)

根據(jù)要求熱交換器采用垂直豎井U 型管布置方式。

串聯(lián)或并聯(lián)形式的確定：地下熱交換器中流體流動(dòng)的回路形式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種,串聯(lián)系統(tǒng)管徑較大,管道費(fèi)用較高,并且長(zhǎng)度壓降特性限制了系統(tǒng)能力。并聯(lián)系統(tǒng)管徑較小,管道費(fèi)用較低,且常常布置成同程式,當(dāng)每個(gè)并聯(lián)環(huán)路之間流量平衡時(shí),其換熱量相同,其壓降特性有利于提高系統(tǒng)能力。因此,本系統(tǒng)采用并聯(lián)同程式。

選擇管材：一般來(lái)講,一旦將換熱器埋入地下后,基本不可能進(jìn)行維修或更換,這就要求保證埋入地下管材的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定并且耐腐蝕。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中使用的金屬管材在這方面存在嚴(yán)重不足,且需要埋入地下的管道的數(shù)量較多,應(yīng)該優(yōu)先考慮使用價(jià)格較低的管材。所以,本系統(tǒng)采用聚乙烯(PE32)管材,它們可以彎曲或熱熔形成更牢固的形狀,可以保證使用50 年以上。

2.8 運(yùn)行費(fèi)用分析

空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用＝裝機(jī)容量×調(diào)節(jié)系數(shù)×運(yùn)行天數(shù)×每天運(yùn)行時(shí)間×電價(jià)。

冬季供暖運(yùn)行費(fèi)用為：

空調(diào)主機(jī)：1001×3.75×0.6×150×16×0.5526＝2987024元。

系統(tǒng)水循環(huán)泵：75×4×150×24×0.5526＝596808 元。

地源側(cè)循環(huán)泵：90×4×0.6×150×24×0.5526＝429702元。

則冬季運(yùn)行費(fèi)用合計(jì)為401.35 萬(wàn)元,合采暖費(fèi)用熱指標(biāo)為20.48 元/m2。

2.9 計(jì)算條件

機(jī)組冬季運(yùn)行150 天,平均每天運(yùn)行16 小時(shí)。

機(jī)組日逐時(shí)溫度變化季節(jié)變化引起的負(fù)荷綜合調(diào)節(jié)系數(shù)為0.6。

電費(fèi)按照0.5526 元/度計(jì)算。

2.10 社會(huì)效益分析

總需電：7263000kw 7263000×0.404/1000=2934.252t(標(biāo)準(zhǔn)煤)

碳排放：2934.252X2.7725=8135.2137t

3 結(jié)論

地源熱泵技術(shù)是一種理想的綠色技術(shù),在冬季供暖時(shí)不需要鍋爐,無(wú)廢氣、廢渣、廢水的排放,可大幅度地減少碳排放,保護(hù)環(huán)境。該系統(tǒng)使用壽命比現(xiàn)有的大多空調(diào)系統(tǒng)和采暖設(shè)備的壽命都長(zhǎng),且系統(tǒng)可靠性強(qiáng),可獨(dú)立供冷或供熱,個(gè)別機(jī)組故障不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。雖然初期投資較高,但系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯,是當(dāng)今時(shí)代背景下較優(yōu)的供暖系統(tǒng)改造方式。