校园大规模土壤源热泵系统的调适策略的应用与研究

王建玉

WANG Janyu

(江苏城乡建设职业学院,江苏 常州 213147)

可再生能源的利用是绿色校园建设的重要组成部分,大规模土壤源热泵系统作为一种节能、环保并对环境无害的绿色采暖空调技术成为校园能源系统的首选[1]。大规模土壤源热泵系统供热与供冷面积较大,地埋管换热井分布的范围广,冷冻水输送的距离大以及系统控制复杂,无论在前期规划、设计与施工,还是后期的运行和管理任何阶段出了问题,都可能导致系统工程出现土壤热失衡、水力失衡、控制失灵等问题,使得系统能效没有达到设计要求,甚至无法正常使用。因此,土壤源热泵系统能效的提升及高效应用是当前关注的热点问题[2]。

调适作为一种质量保证工具,是从系统规划和设计阶段开始,到后续的施工和运营维护,所进行的一系列跨越整个工程项目周期的质量认证过程,目的是确保在整个过程中的每个阶段都要符合设计意图和满足业主的项目需求[3]。运用调适策略确保校园大规模土壤源热泵系统的工程质量,是目前较为有效提升系统运行能效的方法之一。

1　调适团队的建立

大规模土壤源热泵系统作为绿色校园中重要的能源系统之一,由于其技术复杂、生命周期长等特点,需要建立一支独立于规划、设计、施工与运行管理的调适技术团队。由校园节能(或绿色校园运营)负责人牵头,学校基建负责人、学校后勤负责人、暖通空调系统工程师、系统控制工程师等组成调适团队。根据系统实施的不同阶段,可以临时聘请技术专家对调适工作进行指导。如在规划阶段,可以聘请区域能源规划专家对系统的适用性进行评估；在设计阶段,可以聘请暖通空调系统的专家对设计方案进行论证；在施工验收阶段对系统的施工质量进行评价；在运行阶段对系统的能效进行测评等。

2　立项与规划阶段调适

2.1　调适的主要任务

2.1.1明确用户需求

在构建绿色校园过程中,为了充分利用可再生能源,江苏城乡建设职业学院新校区需要建设大规模的土壤源热泵系统,通过将教学办公区与生活区错峰交替运行控制的方式,为学院的行政楼、食堂、学生宿舍区、教育技术中心、图书馆、研发楼、大学生活动中心、建筑展览馆共计建筑面积153 900m2空间的空气进行调节,同时要求每天提供100 t的生活热水,供学生洗澡使用,希望在满足要求的同时,最大限度地节约能源。

2.1.2系统特征分析

1)气候特征

本项目位于常州市钟楼区殷村职教园(北纬31°78′、东经119°75′),属北亚热带润湿季风气候区,四季分明,最高温度39.4℃,最低温度-15.5℃,主导风向为东南风,无霜期225d,雨水充沛,年均降水量1076mm,光照充足,年均蒸发量1 558mm。降水量集中在夏秋两季,春季阴湿多雨,冷暖交替；夏季梅雨明显,湿热的高湿期长；秋季受台风影响,秋旱及连日有雨相间出现；冬季干燥寒冷,严寒期短,年平均日照时间2075h。

2)水文与地质条件

项目位于滆湖附近,河港汊荡纵横交错。地下水主要为潜水,主要由大气降水补给,蒸发排泄为主,季节性变化明显。水位埋深一般在0.5～1.5m之间。根据钻孔和静力触探的结果以及土层成因和时代等的综合分析,在勘查深度范围内,自上而下地基土可划分为4个工程地质层,分别为：

填土层灰杂色,主要由人工填土、沥青路面、亚黏土或耕植土等组成,层厚一般1.0～2.5m不等;

黏土层黄褐色、灰褐、灰色等,可塑至硬塑,部分含少量深褐色铁、锰质结核,层厚一般为2～6m;

粉质黏土层灰色,可塑,含较多浅灰色高岭土条带,层厚一般在1～2m;

粉砂层灰色,部分含少量云母片,中密,饱和,层厚5～7m不等;

3)负荷特点分析

根据常州地区的气候特点,宿舍区与工作区分时控制,可以计算出8∶00—20∶00系统的最大热负荷和冷负荷分别为3999kW和5366kW,20∶00—8∶00系统的最大热负荷和冷负荷分别为2835kW和4480kW。考虑到学校寒暑假的放假情况,夏季制冷向地下的全年累计排热量为7023MWh,冬季供暖从地下取热量为4224MWh,排、取热量之差约为2799MWh,排热量是取热量的1.66倍,需要采取热平衡措施。

2.1.3系统的机房与地埋管井区域选址

为了减少系统的输送能耗,机房选择在供能区域的中心位置(现代技术教育中心的地下室),确保系统的供能半径控制在500m范围。地面管井选择在机房附近区域,根据地质勘探的结果,考虑到地下水系的分布情况,选择在图书馆西广场和体育场分四个区域布置。

2.1.4投资概算

根据系统的供能范围及负荷情况,计算系统的末端数量,估算管线的管径与长度，计算水泵、机组、阀门等的数量,可以对系统的投资进行初步概算。

2.1.5土壤源热泵系统的适易性评价

根据系统的特征可以初步估算出：系统的能效比3.06，一次能源的利用率99%，投资回收期10.7年和标煤的替代量470400kg。综合考虑系统的节能性、经济性、环境性和平衡性,认为在该地区建立大规模土壤源热泵系统是适宜的。

2.2　调适应形成的文档

在立项与规划阶段应该形成的文档主要包括：

1)初步调适计划对各个阶段的调适内容、调适参与人员、调适结果以及调适费用进行计划；

2)规划阶段调适问题日志对立项和规划阶段出现的问题以及解决方案进行记录；

3)调适会议记要由调适团队组织,邀请建设单位和设计单位参与的规划阶段调适会议,对调适过程中发现问题进行交流讨论的记录；

4)规划阶段的调适报告根据系统的制冷、制热的范围和时长,舒适性等用户要求,分析系统的特征,提出机房、地埋管井的选址建议,说明投资概算依据,从经济、技术、环境等方面分析系统的可行性。

3　设计阶段调适

3.1　调适的主要任务

1)复核系统负荷,对机组的选型进行调适

根据每幢建筑围护结构的特征,计算其冷、热负荷的最大与最小值；根据同一时间段负荷最大值和最小值的情况,对机组的选型进行调适。为了便于部分负荷时对机组进行阶梯控制,用4台机组分担系统负荷。

2)复核系统向地下吸、排热量,对地埋管井数量及系统的平衡设施进行调适

根据同一时段系统制冷、制热负荷,计算系统全年的总制冷量和总制热量,以及向地下排热和吸热的总量,对地埋管井的深度、间距及数量进行复核。计算冬季每日100 t生活热水的吸热量后,对冷却塔的容量进行复核计算。

3)对水力进行复核计算,对水力平衡、管道及水泵的选型进行调适

对地埋管侧的水力进行复核计算,4个分区分布采用一台水泵为地埋管侧的水循环提供动力,分区的地埋管采用同程方式,根据各个分区阻力及流量,确定地源侧水泵的尺寸。对冷冻水一次泵与二次泵的水力进行复核计算,每台机组对应1台一次泵,根据其流量和阻力确定一次泵的参数。在确保分水器分出各支路水力平衡的前提下,根据系统的阻力和流量范围,确定水泵和变频器的参数。对冷却水的水力进行复核计算,根据冷却塔的高度、管道阻力和流量确定冷却水平的参数。

4)核对系统的传感器、执行器的位置和数量,对系统的控制策略进行调适

3.2　调适应形成的文档

在设计阶段应该形成的文档主要包括：

1)设计阶段调适问题日志对系统设计文件中出现的问题进行记录；

2)调适会议记要由调适团队组织,邀请建设单位和设计单位参与的设计阶段调适会议,对调适过程中发现问题进行交流讨论的记录；

3)设计阶段的调适报告根据复核计算的结果,对地埋管井的数量、间距和深度,管材的选择,机组与水泵的选型,平衡与控制策略等，提出优化建议。

4　施工阶段调适

4.1　调适的主要任务

1)地埋管井及管道的施工调适

检查地埋管井群的区域划分、地埋管井的间距与深度是否符合设计要求；检查钻井、布管、连接和回填的施工流程和施工工艺是否符合规范要求；进行压力实验,稳压5 d,记录每天的压力情况,分析系统的密闭性。

2)冷冻水与冷却水管道施工调适

检查弯管、连接、除锈与刷漆等施工流程与工艺是否符合规范要求；按照设计要求或规范要求,先进行分区、分层试压，然后再进行系统试压,在观察压力表有无压降的同时,进行反复巡查,防止有局部滴漏或渗漏；检查管道安装的坡度,供、回水管不得有反坡。

3)风机盘管施工调适

检查风盘安装是否牢固,以免产生振动发出噪音；检查风机盘管的下部接水盘的底安装是否水平,保证接水盘内有一个合理的排水坡度。

4)主机房设备安装调适

对照设计图,对设备基础的几何尺寸位置进行复核；检查基础的水平度及减振垫的放置情况,确保主机平稳的坐落在减振垫上；检查水泵在减振器(或减振垫)上的固定情况；检查水管与泵或主机的联接处使用减振软管接头(减振喉)的情况,检查软管两端是否有支撑。

5)系统保温施工调适

对照图纸,确保需要保温管道全部进行保温施工；检查保温材料是否符合设计要求；检查保温工程的接口(端面和纵向)是否严合。

6)控制系统施工调适

对照图纸和设计规范,检测传感器和执行器的安装位置、安装流程、安装工艺,确保控制器与传感器和执行器数据传输正确,软件的控制策略符合设计要求。

7)系统调试与试运行的调适

检查系统的水力平衡情况,确保在水量减少时,最不利末端水量按比例下降；检查末端的制冷和制热性能是否符合设计要求；检查系统热平衡情况,确保土壤温度不会逐年升高；检查传感器、执行器数据的传输情况,确保控制策略的实施。

4.2　调适应形成的文档

在施工阶段应该形成的文档主要包括：

1)施工阶段调适问题日志对施工过程中出现的问题进行记录；

2)调适会议记要由调适团队组织,邀请建设单位、施工单位、监理单位和设计单位参与的施工阶段调适会议,对调适过程中发现问题进行交流讨论的记录；

3)施工阶段的调适报告对在施工图与深化设计方案中发现问题的记录与分析；对施工过程中现场查验情况全面的记录和分析；对系统功能与性能测试情况全面的记录和分析；根据最终结果提出调适建议。

5　运行阶段调适

5.1　调适的主要任务

1)检测供能区域的温湿度情况

在系统运行过程中,实时检测各用能区域的温湿度情况,出现过热和过冷时及时对系统进行调适。

2) 检测系统的能效比

根据系统的制热、制冷量与耗电量,可以及时检测出系统的能效比,当能效比较低时,分析原因,制定调适策略。

3) 检测输送能效比

检测输送能耗比的大小,当输送能耗较高时,对水泵的运行策略,特别是冷冻水二次泵的变频策略进行调适,同时要保证水力的动态平衡。

4) 检测控制系统的运行状况

检测传感器和执行器的数据与现场数据是否吻合,数据分析后,对控制策略优化提出调适方案。

5.2　调适应形成的文档

在运行阶段应该形成的文档主要包括：

1)运行阶段调适问题日志对运行过程中出现的问题进行记录；

2)调适会议记要由调适团队组织,邀请建设单位和运维单位参与的运行阶段调适会议,对调适过程中发现问题进行交流讨论的记录；

3)运维阶段的调适报告每个制冷或采暖季都应该将运行过程中系统的运行情况,包括能效比、输送能效比、系统的舒适性以及控制策略进行评估分析,提出调适方案,对系统进行节能优化,确保系统高效稳定运行。

6　结　语

校园大规模土壤源热泵系统的调适开始于方案规划阶段,贯穿图纸设计、施工安装、单机试运转、性能测试和运行维护各个阶段,要确保设备和系统在使用过程中达到设计要求。通过系统调适至少可以带来以下一些好处：

1)尽可能减少系统潜在的规划与设计问题,最大程度地降低设计变更带来的负面影响。

2)减少安装完工时的质量缺陷,防止工期延误,缩短系统移交周期。

3)保证了室内空气品质,提高了人员工作效率,增加建筑的价值。

4)提高了系统的可维护性与可靠性,减少能耗,降低运行成本。

5)完善了系统资料,便于对系统进行优化提升。