摘要(yao)：太陽能光伏電池工(gong)廠冷熱(re)負荷相差(cha)較大且系(xi)統連續運行時間很長，必須要(yao)考慮采用輔助排熱(re)的(de)手段(duan)，以保證地(di)源(yuan)熱(re)泵(beng)系(xi)統安(an)全穩(wen)定的(de)運行。本文結合工(gong)程設計實例，介(jie)紹地(di)埋管(guan)地(di)源(yuan)熱(re)泵(beng)中(zhong)央空調系(xi)統在大中(zhong)型電子工(gong)業潔凈(jing)廠房工(gong)程項目中(zhong)的(de)應(ying)用。
關(guan)鍵詞：地(di)源熱泵 地(di)埋管換熱器 太陽能(neng)光伏 潔凈(jing)廠(chang)房
The application of ground source heat pump in solar photovoltaic battery factory
Guo Yuan
The IT Electronics Eleventh Design & Research Institute of LT, CO., LTD. Nanjing Branch
Abstract: Cooling and heating load in solar photovoltaic battery factory have much difference and system operation lasts for a long time. Auxiliary equipment is necessary to exhaust heating load in order to ensure the system safety and stable operation. With a design case, the paper describes application of ground source heat pump in the clean room of large and medium-sized electronic plant.
Keywords: ground source heat pump，ground heat exchanger，solar photovoltaic，clean plant
引言
在(zai)國家節能減排政策的(de)推(tui)動和鼓(gu)勵下，地源(yuan)熱泵(beng)系統(tong)在(zai)國內各(ge)大(da)小(xiao)工程(cheng)中逐步應(ying)用開來(lai)。隨著技術越來(lai)越成熟(shu)，加之各(ge)不(bu)同地區設計經(jing)驗越來(lai)越豐(feng)富，地源(yuan)熱泵(beng)系統(tong)的(de)節能效果也愈加明顯。
但是(shi)地(di)(di)埋(mai)管式地(di)(di)源(yuan)熱(re)泵(beng)一般應用(yong)在(zai)負(fu)荷總(zong)量(liang)不大、季(ji)節變化明顯的(de)地(di)(di)區效果較(jiao)(jiao)好，在(zai)民用(yong)建(jian)筑中(zhong)應用(yong)較(jiao)(jiao)多，在(zai)大中(zhong)型電子(zi)工業潔凈廠房工程項目中(zhong)應用(yong)較(jiao)(jiao)少，亦無相(xiang)關齊全的(de)設計資料(liao)可供參(can)考。鑒于此，對(dui)已建(jian)成并投(tou)入使用(yong)的(de)某太陽能(neng)光(guang)伏電池生產廠的(de)地(di)(di)源(yuan)熱(re)泵(beng)系統進行分析，希(xi)望能(neng)夠對(dui)其(qi)他相(xiang)同或類似工程有所借鑒。
1 工程介紹
本項目為(wei)光伏太陽能(neng)電池片工廠，位于(yu)江蘇省泰州市，占地面(mian)(mian)積7294m2，建筑(zhu)面(mian)(mian)積 8 062m2，建筑(zhu)高度10 m。生產部(bu)分(fen)為(wei)鋼結(jie)構，1層內部(bu)潔凈為(wei)8級(ji)(ji)和7級(ji)(ji)，附屬辦(ban)公用(yong)房為(wei)混凝土框架結(jie)構，2層舒(shu)適(shi)性(xing)空調。
2 負(fu)荷(he)統計(ji)及分(fen)布規(gui)律
由于太(tai)陽能電池(chi)廠內(nei)部設備發熱量(liang)且(qie)新風量(liang)均較大，相比較而(er)言，圍護結構冷(leng)、熱負荷(he)(he)只占(zhan)總負荷(he)(he)極少(shao)的(de)(de)部分，故平(ping)均冷(leng)、熱負荷(he)(he)指標可以達到700 w/m2和(he)300 w/m2。而(er)且(qie)電池(chi)廠還有一個(ge)顯著的(de)(de)特點，就是有許多潔凈的(de)(de)內(nei)區發熱以及許多生產設備四季(ji)都需要使用工藝(yi)冷(leng)卻(que)水，故冬季(ji)仍然需要制冷(leng)。
經計(ji)算，本工程夏季(ji)最大(da)冷負荷出(chu)現(xian)在7月(yue)，為6 817 kW（含560 kW工藝冷卻(que)負荷），且6～9月(yue)負荷相差不大(da)（均在10%以內），冬(dong)季(ji)最小(xiao)冷負荷為944 kW（含560 kW工藝冷卻(que)負荷）；冬(dong)季(ji)最大(da)熱負荷出(chu)現(xian)在1月(yue)，為3 296kW。
3 冷熱源方案
3.1 負荷分析
冷負荷(he)(he)由2部(bu)分組(zu)成，空調(diao)冷負荷(he)(he)及設(she)備工(gong)藝(yi)(yi)冷卻(que)(que)負荷(he)(he)。其中空調(diao)負荷(he)(he)隨室外溫度會相(xiang)應變化(hua)，而工(gong)藝(yi)(yi)冷卻(que)(que)負荷(he)(he)是用來冷卻(que)(que)生產設(she)備內(nei)部(bu)的(de)發熱(re)器件以維持其正常使(shi)用的(de)，不隨溫度而變化(hua)，此負荷(he)(he)四(si)季恒定，數據(ju)由設(she)備資料提供(gong)。工(gong)藝(yi)(yi)冷卻(que)(que)系統供(gong)/回水水溫為18℃/25℃，是由板式換(huan)熱(re)機組(zu)與7℃/12℃冷水換(huan)熱(re)制得。
3.2 空調(diao)介(jie)紹
整(zheng)個潔凈(jing)(jing)生產區(qu)域(yu)采(cai)用(yong)新(xin)(xin)風(feng)獨立空調(diao)加組(zu)合(he)式空調(diao)的形式，新(xin)(xin)風(feng)經單獨處理后與回(hui)風(feng)混(hun)合(he)后進入組(zu)合(he)空調(diao)箱(xiang)，然后送入室內(nei)。送風(feng)末端采(cai)用(yong)高效過濾風(feng)口以保證室內(nei)的潔凈(jing)(jing)度(du)。附(fu)屬(shu)辦公用(yong)房空調(diao)采(cai)用(yong)風(feng)機盤管加新(xin)(xin)風(feng)機組(zu)形式，滿足室內(nei)舒適性即可。
3.3 主機選型
本(ben)工程由業主(zhu)決(jue)定采用(yong)(yong)地(di)(di)源(yuan)(yuan)熱(re)(re)(re)泵(beng)系統，經分析決(jue)定由冬季熱(re)(re)(re)負荷確定地(di)(di)埋(mai)(mai)管打孔數量(liang)，夏季制冷(leng)(leng)(leng)量(liang)不足部分由離心(xin)式冷(leng)(leng)(leng)水機組(zu)(zu)(zu)加(jia)冷(leng)(leng)(leng)卻塔(ta)提供(gong)。最終(zhong)采用(yong)(yong)2臺雙冷(leng)(leng)(leng)凝(ning)器地(di)(di)源(yuan)(yuan)熱(re)(re)(re)泵(beng)機組(zu)(zu)(zu)（單機冷(leng)(leng)(leng)量(liang)1 430 kW）、1臺地(di)(di)源(yuan)(yuan)熱(re)(re)(re)泵(beng)機組(zu)(zu)(zu)（單機冷(leng)(leng)(leng)量(liang)1 430 kW）和(he)1臺離心(xin)式冷(leng)(leng)(leng)水機組(zu)(zu)(zu)（2 637 kW）組(zu)(zu)(zu)合。每臺雙冷(leng)(leng)(leng)凝(ning)器地(di)(di)源(yuan)(yuan)熱(re)(re)(re)泵(beng)機組(zu)(zu)(zu)其中(zhong)一(yi)個(ge)冷(leng)(leng)(leng)凝(ning)器也配有冷(leng)(leng)(leng)卻塔(ta)，用(yong)(yong)于(yu)夏季輔助排(pai)(pai)熱(re)(re)(re)，另一(yi)個(ge)冷(leng)(leng)(leng)凝(ning)器可以向地(di)(di)埋(mai)(mai)管排(pai)(pai)熱(re)(re)(re)或作為(wei)制冷(leng)(leng)(leng)熱(re)(re)(re)回收(shou)器使用(yong)(yong)。
4 地埋管換熱器方案
4.1 換(huan)熱(re)器基本參數
室外共鉆(zhan)孔(kong)923個，孔(kong)深70 m，孔(kong)距(ju)保(bao)持在5 m，水(shui)平管(guan)埋深2 m，孔(kong)內采用雙U形地埋管(guan)。根(gen)據地下熱響應實驗結果，夏季散熱能力為(wei)：進水(shui)35℃時(shi)每(mei)延(yan)米散熱量61.2 w，冬季取(qu)熱能力為(wei)：進水(shui)7℃時(shi)每(mei)延(yan)米取(qu)熱量41.6 w。地下測試穩定(ding)階段，土壤平均溫度17.5℃。
4.2 地(di)埋管換(huan)熱器運行分析(xi)
光伏工(gong)廠的生產按照每天3班(ban)24 h運(yun)(yun)轉，按照常規運(yun)(yun)行(xing)(xing)策略，土壤的冷(leng)/熱聚積將(jiang)會很大(da)，長久運(yun)(yun)行(xing)(xing)必然(ran)會對系統(tong)造(zao)成不(bu)利影響。由于廠區室外可供埋(mai)(mai)管(guan)(guan)區域較大(da)，經過與業主協商，本(ben)項目(mu)將(jiang)室外地(di)埋(mai)(mai)管(guan)(guan)區域均分為3地(di)塊，平時(shi)運(yun)(yun)行(xing)(xing)最(zui)多(duo)使用(yong)2塊埋(mai)(mai)管(guan)(guan)區，根據埋(mai)(mai)管(guan)(guan)區回水溫度控(kong)制3地(di)塊輪流(liu)運(yun)(yun)行(xing)(xing)。夏季(ji)排熱量最(zui)大(da)時(shi)，僅使用(yong)1塊埋(mai)(mai)管(guan)(guan)區，其余均使用(yong)冷(leng)卻塔散熱。
4.3 地(di)下土(tu)壤溫度模擬
以鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)布置(zhi)(zhi)為(wei)5 m×5 m 時為(wei)例，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)布置(zhi)(zhi)及各個(ge)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)編號(hao)如圖所示。鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)直徑為(wei)130 mm，孔(kong)(kong)(kong)間距為(wei)5 m，認為(wei)管群(qun)30 m以外的(de)區(qu)域不受換熱的(de)影響，為(wei)土(tu)壤的(de)初(chu)始溫(wen)度(du)。本項目中(zhong)土(tu)壤的(de)初(chu)始溫(wen)度(du)取(qu)17.5℃，土(tu)壤的(de)導熱系數(shu)取(qu)1.8/m.K，密度(du)取(qu)1 925 kg/m3，比熱取(qu)2 300J/kg.K。
本次(ci)取地下(xia)(xia)埋管制熱(re)運行(xing)5個(ge)月(yue)以及制冷運行(xing)5個(ge)月(yue)的(de)土壤溫(wen)度分布云圖，以及連續(xu)運行(xing)5年的(de)地下(xia)(xia)土壤平均溫(wen)度變(bian)化曲線作為地下(xia)(xia)埋管設計的(de)最終校核(he)依(yi)據。
根據模擬結果，連續運(yun)行5年后管群周圍土壤平均(jun)溫(wen)度(du)升高了0.5℃。可(ke)見(jian)，經(jing)過5年的運(yun)行，土壤的平均(jun)溫(wen)度(du)發生(sheng)變化很小，可(ke)忽略熱平衡問題(ti)。
5 結論
本(ben)工程(cheng)2010年(nian)底完工并投入生產(chan)，目前(qian)已運行1年(nian)以上，效(xiao)果(guo)良好。根據現場實(shi)測數(shu)據，能耗(hao)較傳統的采用水冷機組+熱水鍋爐的電池(chi)生產(chan)廠房節能達10%。由于本(ben)工程(cheng)制(zhi)冷量遠(yuan)大于制(zhi)熱量且制(zhi)冷周期長，所以2種方式的能耗(hao)比(bi)值看似不明顯(xian)，但是節能總(zong)量巨大，從長遠(yuan)看其經濟利益仍(reng)然十分(fen)可觀。
在冷熱(re)負(fu)荷(he)相差較大且連續運行時間很長的項(xiang)目中，地下埋管連續長時間排熱(re)/取熱(re)，會造(zao)成大量的熱(re)量/冷量聚積，使得系統(tong)偏離設(she)計工況，嚴重(zhong)時會導致系統(tong)停機。所(suo)以(yi)(yi)必須要考慮(lv)采用輔(fu)助(zhu)取/排熱(re)手段（如(ru)配(pei)置(zhi)輔(fu)助(zhu)冷卻塔和放大地埋管換熱(re)器(qi)裕(yu)量），以(yi)(yi)保(bao)證系統(tong)安(an)全(quan)穩定的運行。
參考文獻
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