地埋管地源热泵系统在太阳能光伏电池工厂的应用

　　摘要：太阳能光伏电池工厂冷热负荷相差较大且系统连续运行时间很长，必须要考虑采用辅助排热的手段，以保证地源热泵系统安全稳定的运行。本文结合工程设计实例，介绍地埋管地源热泵中央空调系统在大中型电子工业洁净厂房工程项目中的应用。
　　关键词：地源热泵 地埋管换热器 太阳能光伏 洁净厂房
　　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
　　在国家节能减排政策的推动和鼓励下，地源热泵系统在国内各大小工程中逐步应用开来。随着技术越来越成熟，加之各不同地区设计经验越来越丰富，地源热泵系统的节能效果也愈加明显。
　　但是地埋管式地源热泵一般应用在负荷总量不大、季节变化明显的地区效果较好，在民用建筑中应用较多，在大中型电子工业洁净厂房工程项目中应用较少，亦无相关齐全的设计资料可供参考。鉴于此，对已建成并投入使用的某太阳能光伏电池生产厂的地源热泵系统进行分析，希望能够对其他相同或类似工程有所借鉴。
　　1 工程介绍
　　本项目为光伏太阳能电池片工厂，位于江苏省泰州市，占地面积7294m2，建筑面积 8 062m2，建筑高度10 m。生产部分为钢结构，1层内部洁净为8级和7级，附属办公用房为混凝土框架结构，2层舒适性空调。
　　2 负荷统计及分布规律
　　由于太阳能电池厂内部设备发热量且新风量均较大，相比较而言，围护结构冷、热负荷只占总负荷极少的部分，故平均冷、热负荷指标可以达到700 w/m2和300 w/m2。而且电池厂还有一个显著的特点，就是有许多洁净的内区发热以及许多生产设备四季都需要使用工艺冷却水，故冬季仍然需要制冷。
　　经计算，本工程夏季最大冷负荷出现在7月，为6 817 kW（含560 kW工艺冷却负荷），且6～9月负荷相差不大（均在10%以内），冬季最小冷负荷为944 kW（含560 kW工艺冷却负荷）；冬季最大热负荷出现在1月，为3 296kW。
　　3 冷热源方案
　　3.1 负荷分析
　　冷负荷由2部分组成，空调冷负荷及设备工艺冷却负荷。其中空调负荷随室外温度会相应变化，而工艺冷却负荷是用来冷却生产设备内部的发热器件以维持其正常使用的，不随温度而变化，此负荷四季恒定，数据由设备资料提供。工艺冷却系统供/回水水温为18℃/25℃，是由板式换热机组与7℃/12℃冷水换热制得。
　　3.2 空调介绍
　　整个洁净生产区域采用新风独立空调加组合式空调的形式，新风经单独处理后与回风混合后进入组合空调箱，然后送入室内。送风末端采用高效过滤风口以保证室内的洁净度。附属办公用房空调采用风机盘管加新风机组形式，满足室内舒适性即可。
　　3.3 主机选型
本工程由业主决定采用地源热泵系统，经分析决定由冬季热负荷确定地埋管打孔数量，夏季制冷量不足部分由离心式冷水机组加冷却塔提供。最终采用2台双冷凝器地源热泵机组（单机冷量1 430 kW）、1台地源热泵机组（单机冷量1 430 kW）和1台离心式冷水机组（2 637 kW）组合。每台双冷凝器地源热泵机组其中一个冷凝器也配有冷却塔，用于夏季辅助排热，另一个冷凝器可以向地埋管排热或作为制冷热回收器使用。
　　4 地埋管换热器方案
　　4.1 换热器基本参数
　　室外共钻孔923个，孔深70 m，孔距保持在5 m，水平管埋深2 m，孔内采用双U形地埋管。根据地下热响应实验结果，夏季散热能力为：进水35℃时每延米散热量61.2 w，冬季取热能力为：进水7℃时每延米取热量41.6 w。地下测试稳定阶段，土壤平均温度17.5℃。
　　4.2 地埋管换热器运行分析
　　光伏工厂的生产按照每天3班24 h运转，按照常规运行策略，土壤的冷/热聚积将会很大，长久运行必然会对系统造成不利影响。由于厂区室外可供埋管区域较大，经过与业主协商，本项目将室外地埋管区域均分为3地块，平时运行最多使用2块埋管区，根据埋管区回水温度控制3地块轮流运行。夏季排热量最大时，仅使用1块埋管区，其余均使用冷却塔散热。
　　4.3 地下土壤温度模拟
　　以钻孔布置为5 m×5 m 时为例，钻孔的布置及各个钻孔的编号如图所示。钻孔直径为130 mm，孔间距为5 m，认为管群30 m以外的区域不受换热的影响，为土壤的初始温度。本项目中土壤的初始温度取17.5℃，土壤的导热系数取1.8/m.K，密度取1 925 kg/m3，比热取2 300J/kg.K。
　　本次取地下埋管制热运行5个月以及制冷运行5个月的土壤温度分布云图，以及连续运行5年的地下土壤平均温度变化曲线作为地下埋管设计的最终校核依据。
　　根据模拟结果，连续运行5年后管群周围土壤平均温度升高了0.5℃。可见，经过5年的运行，土壤的平均温度发生变化很小，可忽略热平衡问题。
　　5 结论
　　本工程2010年底完工并投入生产，目前已运行1年以上，效果良好。根据现场实测数据，能耗较传统的采用水冷机组+热水锅炉的电池生产厂房节能达10%。由于本工程制冷量远大于制热量且制冷周期长，所以2种方式的能耗比值看似不明显，但是节能总量巨大，从长远看其经济利益仍然十分可观。
　　 在冷热负荷相差较大且连续运行时间很长的项目中，地下埋管连续长时间排热/取热，会造成大量的热量/冷量聚积，使得系统偏离设计工况，严重时会导致系统停机。所以必须要考虑采用辅助取/排热手段（如配置辅助冷却塔和放大地埋管换热器裕量），以保证系统安全稳定的运行。