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在國家節(jié)能減排政策的推動和鼓勵下，地源熱泵系統(tǒng)在國內(nèi)各大小工程中逐步應用開來。隨著技術(shù)越來越成熟，加之各不同地區(qū)設(shè)計經(jīng)驗越來越豐富，地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效果也愈加明顯。
但是地埋管式地源熱泵一般應用在負荷總量不大、季節(jié)變化明顯的地區(qū)效果較好，在民用建筑中應用較多，在大中型電子工業(yè)潔凈廠房工程項目中應用較少，亦無相關(guān)齊全的設(shè)計資料可供參考。鑒于此，對已建成并投入使用的某太陽能光伏電池生產(chǎn)廠的地源熱泵系統(tǒng)進行分析，希望能夠?qū)ζ渌嗤蝾愃乒こ逃兴梃b。
1 工程介紹
本項目為光伏太陽能電池片工廠，位于江蘇省泰州市，占地面積7294m2，建筑面積 8 062m2，建筑高度10 m。生產(chǎn)部分為鋼結(jié)構(gòu)，1層內(nèi)部潔凈為8級和7級，附屬辦公用房為混凝土框架結(jié)構(gòu)，2層舒適性空調(diào)。
2 負荷統(tǒng)計及分布規(guī)律
由于太陽能電池廠內(nèi)部設(shè)備發(fā)熱量且新風量均較大，相比較而言，圍護結(jié)構(gòu)冷、熱負荷只占總負荷極少的部分，故平均冷、熱負荷指標可以達到700 w/m2和300 w/m2。而且電池廠還有一個顯著的特點，就是有許多潔凈的內(nèi)區(qū)發(fā)熱以及許多生產(chǎn)設(shè)備四季都需要使用工藝冷卻水，故冬季仍然需要制冷。
經(jīng)計算，本工程夏季最大冷負荷出現(xiàn)在7月，為6 817 kW（含560 kW工藝冷卻負荷），且6～9月負荷相差不大（均在10%以內(nèi)），冬季最小冷負荷為944 kW（含560 kW工藝冷卻負荷）；冬季最大熱負荷出現(xiàn)在1月，為3 296kW。
3 冷熱源方案
3.1 負荷分析
冷負荷由2部分組成，空調(diào)冷負荷及設(shè)備工藝冷卻負荷。其中空調(diào)負荷隨室外溫度會相應變化，而工藝冷卻負荷是用來冷卻生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)部的發(fā)熱器件以維持其正常使用的，不隨溫度而變化，此負荷四季恒定，數(shù)據(jù)由設(shè)備資料提供。工藝冷卻系統(tǒng)供/回水水溫為18℃/25℃，是由板式換熱機組與7℃/12℃冷水換熱制得。
3.2 空調(diào)介紹
整個潔凈生產(chǎn)區(qū)域采用新風獨立空調(diào)加組合式空調(diào)的形式，新風經(jīng)單獨處理后與回風混合后進入組合空調(diào)箱，然后送入室內(nèi)。送風末端采用高效過濾風口以保證室內(nèi)的潔凈度。附屬辦公用房空調(diào)采用風機盤管加新風機組形式，滿足室內(nèi)舒適性即可。
3.3 主機選型
本工程由業(yè)主決定采用地源熱泵系統(tǒng)，經(jīng)分析決定由冬季熱負荷確定地埋管打孔數(shù)量，夏季制冷量不足部分由離心式冷水機組加冷卻塔提供。最終采用2臺雙冷凝器地源熱泵機組（單機冷量1 430 kW）、1臺地源熱泵機組（單機冷量1 430 kW）和1臺離心式冷水機組（2 637 kW）組合。每臺雙冷凝器地源熱泵機組其中一個冷凝器也配有冷卻塔，用于夏季輔助排熱，另一個冷凝器可以向地埋管排熱或作為制冷熱回收器使用。
4 地埋管換熱器方案
4.1 換熱器基本參數(shù)
室外共鉆孔923個，孔深70 m，孔距保持在5 m，水平管埋深2 m，孔內(nèi)采用雙U形地埋管。根據(jù)地下熱響應實驗結(jié)果，夏季散熱能力為：進水35℃時每延米散熱量61.2 w，冬季取熱能力為：進水7℃時每延米取熱量41.6 w。地下測試穩(wěn)定階段，土壤平均溫度17.5℃。
4.2 地埋管換熱器運行分析
光伏工廠的生產(chǎn)按照每天3班24 h運轉(zhuǎn)，按照常規(guī)運行策略，土壤的冷/熱聚積將會很大，長久運行必然會對系統(tǒng)造成不利影響。由于廠區(qū)室外可供埋管區(qū)域較大，經(jīng)過與業(yè)主協(xié)商，本項目將室外地埋管區(qū)域均分為3地塊，平時運行最多使用2塊埋管區(qū)，根據(jù)埋管區(qū)回水溫度控制3地塊輪流運行。夏季排熱量最大時，僅使用1塊埋管區(qū)，其余均使用冷卻塔散熱。
4.3 地下土壤溫度模擬
以鉆孔布置為5 m×5 m 時為例，鉆孔的布置及各個鉆孔的編號如圖所示。鉆孔直徑為130 mm，孔間距為5 m，認為管群30 m以外的區(qū)域不受換熱的影響，為土壤的初始溫度。本項目中土壤的初始溫度取17.5℃，土壤的導熱系數(shù)取1.8/m.K，密度取1 925 kg/m3，比熱取2 300J/kg.K。
本次取地下埋管制熱運行5個月以及制冷運行5個月的土壤溫度分布云圖，以及連續(xù)運行5年的地下土壤平均溫度變化曲線作為地下埋管設(shè)計的最終校核依據(jù)。
根據(jù)模擬結(jié)果，連續(xù)運行5年后管群周圍土壤平均溫度升高了0.5℃。可見，經(jīng)過5年的運行，土壤的平均溫度發(fā)生變化很小，可忽略熱平衡問題。
5 結(jié)論
本工程2010年底完工并投入生產(chǎn)，目前已運行1年以上，效果良好。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，能耗較傳統(tǒng)的采用水冷機組+熱水鍋爐的電池生產(chǎn)廠房節(jié)能達10%。由于本工程制冷量遠大于制熱量且制冷周期長，所以2種方式的能耗比值看似不明顯，但是節(jié)能總量巨大，從長遠看其經(jīng)濟利益仍然十分可觀。
在冷熱負荷相差較大且連續(xù)運行時間很長的項目中，地下埋管連續(xù)長時間排熱/取熱，會造成大量的熱量/冷量聚積，使得系統(tǒng)偏離設(shè)計工況，嚴重時會導致系統(tǒng)停機。所以必須要考慮采用輔助取/排熱手段（如配置輔助冷卻塔和放大地埋管換熱器裕量），以保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行。
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