摘要(yao)：太陽能光伏(fu)電池(chi)工(gong)廠(chang)冷熱負(fu)荷相(xiang)差較大(da)且系(xi)統連續運行(xing)時間很長，必須要(yao)考慮采用輔助排熱的(de)手段(duan)，以保證地源熱泵系(xi)統安全穩定的(de)運行(xing)。本文結合工(gong)程設計實例，介紹地埋管地源熱泵中央空(kong)調系(xi)統在大(da)中型電子工(gong)業(ye)潔凈(jing)廠(chang)房工(gong)程項目中的(de)應用。
關鍵(jian)詞：地源熱泵 地埋管換熱器 太陽能(neng)光伏 潔(jie)凈(jing)廠(chang)房(fang)
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(jie)能減排政策(ce)的推動和鼓勵下，地源熱(re)泵(beng)系統在(zai)國內(nei)各大(da)小(xiao)工程中逐步應用(yong)開來。隨著技(ji)術(shu)越來越成熟，加(jia)之各不同地區設計經驗越來越豐富，地源熱(re)泵(beng)系統的節(jie)能效果也(ye)愈(yu)加(jia)明(ming)顯(xian)。
但是地(di)埋管式地(di)源熱泵一般應(ying)用(yong)在負荷總量不大(da)、季節變化明顯的(de)地(di)區效果(guo)較好，在民用(yong)建(jian)筑中(zhong)應(ying)用(yong)較多(duo)，在大(da)中(zhong)型電(dian)子工業潔凈(jing)廠房(fang)工程項(xiang)目中(zhong)應(ying)用(yong)較少(shao)，亦無相(xiang)關齊全(quan)的(de)設(she)計資料可(ke)供參考(kao)。鑒于此(ci)，對已建(jian)成并投入使用(yong)的(de)某太陽能(neng)光伏電(dian)池生產廠的(de)地(di)源熱泵系統(tong)進行分析，希望(wang)能(neng)夠對其他(ta)相(xiang)同或類似工程有所借(jie)鑒。
1 工程介紹
本項目為光伏太陽(yang)能電池片工廠，位(wei)于江蘇省泰州(zhou)市(shi)，占地面(mian)積7294m2，建筑(zhu)面(mian)積 8 062m2，建筑(zhu)高度10 m。生產部分(fen)為鋼(gang)結構，1層內部潔凈為8級和7級，附屬辦公用房為混(hun)凝土框架(jia)結構，2層舒適性空調。
2 負荷(he)統計及分布規律
由(you)于太陽(yang)能電池(chi)廠內(nei)部設備發(fa)熱(re)量且新風量均較(jiao)大，相比較(jiao)而(er)言，圍護結構冷(leng)、熱(re)負(fu)(fu)荷只占總負(fu)(fu)荷極少(shao)的(de)(de)部分(fen)，故平均冷(leng)、熱(re)負(fu)(fu)荷指標可以(yi)達到700 w/m2和(he)300 w/m2。而(er)且電池(chi)廠還(huan)有(you)一個顯(xian)著的(de)(de)特點，就(jiu)是有(you)許多潔凈的(de)(de)內(nei)區發(fa)熱(re)以(yi)及(ji)許多生產設備四季(ji)都需要使用工藝冷(leng)卻(que)水，故冬季(ji)仍然(ran)需要制冷(leng)。
經計算，本工(gong)程夏(xia)季(ji)最大(da)冷負(fu)荷(he)(he)出(chu)現在7月，為(wei)(wei)6 817 kW（含(han)560 kW工(gong)藝冷卻負(fu)荷(he)(he)），且6～9月負(fu)荷(he)(he)相差(cha)不大(da)（均在10%以內），冬(dong)季(ji)最小冷負(fu)荷(he)(he)為(wei)(wei)944 kW（含(han)560 kW工(gong)藝冷卻負(fu)荷(he)(he)）；冬(dong)季(ji)最大(da)熱負(fu)荷(he)(he)出(chu)現在1月，為(wei)(wei)3 296kW。
3 冷熱源方案
3.1 負荷分析
冷(leng)負(fu)荷(he)(he)由2部(bu)分組成，空(kong)調冷(leng)負(fu)荷(he)(he)及設備工藝(yi)冷(leng)卻(que)負(fu)荷(he)(he)。其中空(kong)調負(fu)荷(he)(he)隨室(shi)外溫度會相應變化，而工藝(yi)冷(leng)卻(que)負(fu)荷(he)(he)是(shi)用來(lai)冷(leng)卻(que)生產設備內部(bu)的發熱器(qi)件以維(wei)持其正常使用的，不隨溫度而變化，此負(fu)荷(he)(he)四季恒定，數據由設備資(zi)料(liao)提供(gong)。工藝(yi)冷(leng)卻(que)系統供(gong)/回(hui)水水溫為18℃/25℃，是(shi)由板式換(huan)熱機(ji)組與7℃/12℃冷(leng)水換(huan)熱制得(de)。
3.2 空調(diao)介紹
整個潔凈生產(chan)區域采用新(xin)風(feng)(feng)(feng)獨立空調(diao)加組(zu)合(he)式空調(diao)的形式，新(xin)風(feng)(feng)(feng)經單獨處理后(hou)與回(hui)風(feng)(feng)(feng)混合(he)后(hou)進(jin)入組(zu)合(he)空調(diao)箱(xiang)，然后(hou)送入室(shi)(shi)內。送風(feng)(feng)(feng)末端采用高(gao)效過濾風(feng)(feng)(feng)口以(yi)保證(zheng)室(shi)(shi)內的潔凈度(du)。附(fu)屬辦(ban)公用房空調(diao)采用風(feng)(feng)(feng)機盤管加新(xin)風(feng)(feng)(feng)機組(zu)形式，滿足室(shi)(shi)內舒適(shi)性(xing)即可。
3.3 主機選型
本工程(cheng)由業主決定(ding)(ding)采用(yong)地(di)(di)源(yuan)熱(re)泵(beng)系統(tong)，經分析決定(ding)(ding)由冬季(ji)熱(re)負荷確定(ding)(ding)地(di)(di)埋(mai)管(guan)(guan)打孔數量(liang)(liang)，夏(xia)季(ji)制冷量(liang)(liang)不足(zu)部分由離心式冷水(shui)機組加(jia)冷卻(que)塔(ta)提(ti)供(gong)。最終采用(yong)2臺(tai)(tai)(tai)(tai)雙冷凝(ning)器地(di)(di)源(yuan)熱(re)泵(beng)機組（單機冷量(liang)(liang)1 430 kW）、1臺(tai)(tai)(tai)(tai)地(di)(di)源(yuan)熱(re)泵(beng)機組（單機冷量(liang)(liang)1 430 kW）和1臺(tai)(tai)(tai)(tai)離心式冷水(shui)機組（2 637 kW）組合。每臺(tai)(tai)(tai)(tai)雙冷凝(ning)器地(di)(di)源(yuan)熱(re)泵(beng)機組其(qi)中(zhong)一個冷凝(ning)器也配有冷卻(que)塔(ta)，用(yong)于夏(xia)季(ji)輔助排熱(re)，另(ling)一個冷凝(ning)器可以向地(di)(di)埋(mai)管(guan)(guan)排熱(re)或作為制冷熱(re)回收器使(shi)用(yong)。
4 地埋(mai)管換熱(re)器方(fang)案
4.1 換(huan)熱器基(ji)本參(can)數
室(shi)外共鉆孔923個，孔深(shen)70 m，孔距保(bao)持(chi)在5 m，水平管埋(mai)深(shen)2 m，孔內采(cai)用(yong)雙U形地埋(mai)管。根據地下(xia)熱(re)響應實(shi)驗結果，夏(xia)季散(san)熱(re)能(neng)(neng)力為(wei)：進(jin)水35℃時每(mei)延(yan)米散(san)熱(re)量61.2 w，冬(dong)季取(qu)熱(re)能(neng)(neng)力為(wei)：進(jin)水7℃時每(mei)延(yan)米取(qu)熱(re)量41.6 w。地下(xia)測(ce)試穩定階(jie)段，土壤(rang)平均溫度17.5℃。
4.2 地(di)埋管換熱器(qi)運行分析
光伏(fu)工廠的生產(chan)按照(zhao)每天3班24 h運(yun)轉，按照(zhao)常規運(yun)行(xing)策(ce)略，土壤的冷/熱聚積(ji)將會很(hen)大(da)，長久運(yun)行(xing)必然會對系統造成不利影響(xiang)。由于廠區(qu)室(shi)外(wai)可供(gong)埋(mai)管(guan)(guan)區(qu)域較大(da)，經過與業(ye)主(zhu)協商，本項(xiang)目(mu)將室(shi)外(wai)地埋(mai)管(guan)(guan)區(qu)域均(jun)分為3地塊(kuai)(kuai)，平時運(yun)行(xing)最多使(shi)用(yong)2塊(kuai)(kuai)埋(mai)管(guan)(guan)區(qu)，根據(ju)埋(mai)管(guan)(guan)區(qu)回水溫(wen)度控(kong)制3地塊(kuai)(kuai)輪流運(yun)行(xing)。夏(xia)季排熱量最大(da)時，僅使(shi)用(yong)1塊(kuai)(kuai)埋(mai)管(guan)(guan)區(qu)，其余均(jun)使(shi)用(yong)冷卻塔散熱。
4.3 地下土壤溫度模擬
以鉆孔(kong)(kong)布置為(wei)5 m×5 m 時(shi)為(wei)例，鉆孔(kong)(kong)的(de)布置及各(ge)個鉆孔(kong)(kong)的(de)編號如圖所示。鉆孔(kong)(kong)直徑為(wei)130 mm，孔(kong)(kong)間距為(wei)5 m，認為(wei)管群30 m以外的(de)區域不(bu)受換熱(re)的(de)影響，為(wei)土壤的(de)初(chu)始(shi)溫度。本項(xiang)目中土壤的(de)初(chu)始(shi)溫度取17.5℃，土壤的(de)導熱(re)系數取1.8/m.K，密度取1 925 kg/m3，比熱(re)取2 300J/kg.K。
本次取地下(xia)埋(mai)管(guan)制熱運(yun)(yun)行5個月以及制冷運(yun)(yun)行5個月的土壤(rang)溫(wen)度分布云圖，以及連(lian)續(xu)運(yun)(yun)行5年的地下(xia)土壤(rang)平均溫(wen)度變化曲(qu)線作為地下(xia)埋(mai)管(guan)設(she)計的最終校核依據。
根據模擬結(jie)果，連續運行5年(nian)后管(guan)群周(zhou)圍土(tu)壤平均溫(wen)度(du)升高(gao)了0.5℃。可(ke)見，經(jing)過(guo)5年(nian)的運行，土(tu)壤的平均溫(wen)度(du)發生變(bian)化很小，可(ke)忽略熱平衡(heng)問題。
5 結論
本工(gong)程(cheng)2010年底(di)完工(gong)并投(tou)入(ru)生(sheng)產，目前已(yi)運行1年以上，效(xiao)果良好。根據現場實測數據，能(neng)耗較傳統的(de)采(cai)用水冷機(ji)組+熱(re)水鍋爐(lu)的(de)電池(chi)生(sheng)產廠房節能(neng)達10%。由于(yu)本工(gong)程(cheng)制冷量遠(yuan)大(da)于(yu)制熱(re)量且制冷周期長(chang)，所以2種方式的(de)能(neng)耗比值看似不明(ming)顯(xian)，但是(shi)節能(neng)總量巨大(da)，從(cong)長(chang)遠(yuan)看其經濟利益仍然十分可觀(guan)。
在冷熱(re)(re)負荷相差較大(da)且連(lian)續運行時間很長(chang)的項(xiang)目(mu)中，地(di)下(xia)埋管(guan)(guan)連(lian)續長(chang)時間排熱(re)(re)/取熱(re)(re)，會造成大(da)量(liang)的熱(re)(re)量(liang)/冷量(liang)聚(ju)積(ji)，使(shi)得系統(tong)偏(pian)離設計工況，嚴重時會導致系統(tong)停機。所以(yi)必(bi)須要考(kao)慮采用輔(fu)助取/排熱(re)(re)手段（如配(pei)置輔(fu)助冷卻(que)塔和(he)放(fang)大(da)地(di)埋管(guan)(guan)換熱(re)(re)器裕量(liang)），以(yi)保證系統(tong)安(an)全穩定的運行。
參考文獻
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