01地蓄热 深化设计

系统深化设计方案系统深化设计方案 杭州华电华源环境工程有限公司 2008 年 3 月 6 日 中航雷达与电子设备研究院中航雷达与电子设备研究院 苏州生产试验基地苏州生产试验基地 地源热泵及冰蓄冷系统地源热泵及冰蓄冷系统 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 2 目目 录录 一 前言前言 4 二 工程概况工程概况 7 1 工程概况 7 2 空调设计参数 7 3 空调负荷分布 8 三 系统深化设计综述系统深化设计综述 10 1 系统深化设计思路 11 1 1 系统配置深化设计 11 1 2 系统运行深化设计 11 1 3 地埋管系统深化设计 12 2 地源热泵原理简介 13 2 1 地源热泵的工作原理 13 2 2 地源热泵的系统构成 14 2 3 地源热泵效益分析 15 3 冰蓄冷空调系统原理 16 3 1 冰蓄冷技术的特点 16 3 2 蓄冰模式选择 17 4 地源热泵 冰蓄冷冷源系统设计概述 18 4 1 系统设计要素 18 4 2 系统技术优势 19 四 冷热源系统设备配置说明冷热源系统设备配置说明 21 1 综述 21 2 系统主要设备选型 21 2 1 地源热泵制冷机组 21 2 2 蓄冰装置 22 2 3 冷却水泵 25 2 4 乙二醇泵 25 2 5 冷热水泵 26 2 6 制冷板式换热器 26 2 7 强制湍流换热器 27 2 8 水处理配套设备 28 2 9 系统膨胀定压设备 30 2 10 系统设备汇总一览表 32 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 3 五 系统运行策略说明系统运行策略说明 33 1 前言 33 2 运行策略分析输入条件 34 2 1 冬夏季设计日逐时负荷 34 2 2 不同负荷状态全年分布表 34 2 3 苏州市冰蓄冷空调系统电价表 34 3 夏季供冷运行方案 34 3 1 100 设计日负荷运行策略 34 3 2 75 设计日负荷运行策略 38 3 3 50 设计日负荷运行策略 40 3 4 25 设计日负荷运行策略 42 4 冬季供暖运行方案 44 六 地埋管系统深化设计地埋管系统深化设计 45 1 总体布局篇 46 1 区域划分说明 47 2 地埋管小区内分集水器定位说明 49 2 可靠性分析篇 50 1 综述 51 2 地下热交换器校核及优化设计依据 51 3 空调冷热负荷分析 52 4 地下换热器校核及优化设计 53 5 总结 61 3 水力平衡分析篇 62 1 综述 63 2 水力平衡计算 63 4 冷热量平衡分析篇 68 1 综述 69 2 冷热量平衡分析 69 3 冷热量平衡技术措施 78 5 系统运行方法篇 80 1 运行方法要点 81 2 闭式冷却塔运行方法建议 81 6 系统维护说明篇 85 7 系统故障诊断及处理篇 87 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 4 一 一 前言前言 坐落于苏州国家级高新技术开发区并在 无锡建有研发中心的中航雷达与电子设备研 究院 是中航一集团按照国防科工委关于军 品科研生产能力调整的总体部署 针对目前 航空电子设备领域的现状和航空电子系统的 发展需求 为精干军品生产主体 优化资源 配置 提高军品科研生产效益 进一步提高 航空电子核心竞争力 决定并报国防科工委批准 将中国雷华电子技术研究所和苏州长 风有限责任公司进行重组整合而正式组建成立的 这是中航一集团在实施 整合 凝聚 创新 卓越 大集团战略中对航空电子产业的结构调整 深化科研体制改革和企业改革 的又一重要举措 是实现强强联合 优化资源 提高实力 做强主业的重大战略性决策 也为加速开发 生产新一代机载雷达和其他航空电子产品提供了有利条件 与此同时 也将对业已起步的企业主辅分离 副业改制工作给予有利的推动 这些都将对我国国防 科技工业改革和发展产生积极影响 中国第一航空工业集团公司 中国一航 下属中航雷达与电子设备研究院是经国防 科工委批准 于 2004 年 3 月由原六 七所和长风机械厂整合成立的 苏州新区生产实验 基地位于苏州高新区建林路西侧 总投资 4 6 亿元 占地面积 348 亩 其中一期工程总 建筑面积 10 1 万平方米 计划 2008 年 9 月底竣工 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 5 本工程为生产科研综合楼 中央空调冷热源系统采用了地源热泵及冰蓄冷技术 本 工程在冷热源系统采用了节能环保的地源热泵及冰蓄冷技术 充分利用了储存在土壤的 低品位能量 改善了地源热泵机组的冬夏季运行工况 并实现了地下能量的可持续循环 利用 是目前国家大力推荐的建筑节能技术 冰蓄冷系统在宏观上可为国家实现移峰填 谷 降低电网夏季电力负荷 延缓发电厂及输配电设施的建设 在微观上则可充分利用 当地峰谷电电价政策 为业主大幅降低系统运行费用 雷电院苏州生产试验基地中央空 调系统集众多中央空调新技术于一身 是一个技术含量非常高的空调系统 本中央空调系统采用了较多了建筑节能新技术 在系统的设计 施工 调试以及运 行过程中有其特殊性 经过全体 华源人 的共同努力 我司在地源热泵 水源热泵领 域获得了众多的工程业绩 为体现我司对本设计方案的理解深度 说明我司完全具有相 当的技术实力执行好本工程 本着 严谨 细致 科学 务实 的原则 依据招标单位所 提供的招标文件 答疑文件以及相关技术资料 并凭借我司多年潜心研究所积蕴的丰富 蓄能空调理论及众多类似工程的经验 结合本工程的实际情况对本地源热泵冰蓄冷系统 设计方案进行详细阐述 重点阐述本系统的可靠性 先进性以及经济性 以下工程均为我司承接的大型地源热泵 水源热泵冰蓄冷中央空调系统 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 6 华电华源地华电华源地 水源热泵冰蓄冷部分业绩表水源热泵冰蓄冷部分业绩表 序号序号工程名称工程名称 建筑面积建筑面积 m2 蓄冷量蓄冷量 RTh 工程概况工程概况项目类型项目类型 1无锡江南大学图书馆400001284图书馆华源总承包 2山东福田重工科技办公楼250001684办公楼华源总承包 3北京新世纪商场900002526商场供货与集成 4沈阳商业场华源总承包 5合肥大剧院9000089000剧场华源总承包 6淄博杜庚工贸有限公司400003210图书馆供货与集成 7山东理工大学500003825办公楼供货与集成 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 7 二 工程概况二 工程概况 1 工程概况工程概况 苏州新区生产实验基地位于苏州高新区建林路西侧 占地面积 348 亩 其中一期工 程总建筑面积 10 1 万平方米 计划 2008 年 9 月底竣工 一期工程地源热泵冰蓄冷系统 主要负责为 3 4 5 厂房夏季供冷冬季供热以及提供工艺冷却系统的冷却冷源 2 空调设计参数空调设计参数 2 1 室外设计参数室外设计参数 空调参数 项目 季节 干球温度干球温度 湿球温度湿球温度 相对湿度相对湿度 通风计算通风计算 温度温度 主导风向主导风向 平均风速平均风速 m s 大气压力大气压力 hpa 夏季夏季34 628 633 0SE2 31004 9 冬季冬季 5 075 2 0NE2 31025 9 2 2 负荷数据负荷数据 项目项目3 厂房 厂房4 厂房 厂房5 厂房 厂房工艺冷却工艺冷却 夏季供冷负荷 kW3500250011002600 夏季负荷汇总 kW9700 夏季设计供回水温度 7 12 冬季供热负荷 kW25001800 400 冬季负荷汇总 kW4700 冬季设计供回水温度 50 45 说明 说明 工艺冷却的使用时间不定 其余三个厂房白天供冷按照8小时考虑 自上午8点至 下午17点 中间休息1小时 在工艺冷却系统需要提供冷源的时候 主要考虑由两工况基 载主机满足 部分负荷情况下可由融冰提供冷量 工艺冷却部分冷负荷根据答疑文件确 定 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 8 3 空调负荷分布空调负荷分布 根据招标文件以及招标图纸中提供的负荷数据 并结合我司的类似工程经验 本工 程夏季设计日空调负荷表如下 3 1 夏夏季季设设计计日日 供供冷冷负负荷荷分分布布表表 时时段段 冷冷负负荷荷 kW 时时段段 冷冷负负荷荷 kW 时时段段 冷冷负负荷荷 kW 0 00 1 0008 00 9 00615016 00 17 000 1 00 2 0009 00 10 00686017 00 18 000 2 00 3 00010 00 11 00721518 00 19 000 3 00 4 00011 00 12 00792519 00 20 000 4 00 5 00012 00 13 00863520 00 21 000 5 00 6 00013 00 14 00899021 00 22 000 6 00 7 00014 00 15 00970022 00 23 000 7 00 8 00015 00 16 00792523 00 24 000 工艺冷却负荷认为在设计供冷期间维持 2600kW 不变 3 5 厂房设计日负荷状态下 平均负荷为 5325kW 参见招标图纸设施 53 中相关说明 3 2 夏夏季季设设计计日日供供冷冷 负负荷荷分分布布图图 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 9 3 3 冬冬季季设设计计日日 供供热热负负荷荷分分布布表表 时时段段 热热负负荷荷 kW 时时段段 热热负负荷荷 kW 时时段段 热热负负荷荷 kW 0 00 1 0008 00 9 00470016 00 17 000 1 00 2 0009 00 10 00450017 00 18 000 2 00 3 00010 00 11 00430018 00 19 000 3 00 4 00011 00 12 00400019 00 20 000 4 00 5 00012 00 13 00380020 00 21 000 5 00 6 00013 00 14 00350021 00 22 000 6 00 7 00014 00 15 00330022 00 23 000 7 00 8 00015 00 16 00320023 00 24 000 3 3 冬冬季季设设计计日日 供供热热负负荷荷分分布布 图图 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 10 三 系统深化设计综述三 系统深化设计综述 任何能源系统的设计均由本能源系统的需求决定 经分析 本系统的需求包括夏季 供冷 冬季供热以及工艺冷却 为满足以上各种需求 冷热源系统采用了地源热泵及冰 蓄冷技术 对于地源热泵及冰蓄冷系统 地源热泵机组承担着夏季白天空调供冷 夜间 制冰以及冬季采暖供热的多项任务 地源热泵机组是本系统的核心设备 其各项性能参 数决定了系统其他设备的配置方法 所有设备的具体性能参数的确定均取决于相关的约束条件 对于地源热泵机组 必 须根据各种类型的负荷需要 制冰 供冷 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 11 以及采暖 和负荷的日夜 季节变化特点来制定最科学的运行策略 并结合招标文件中 地源热泵机组的相关性能参数来确定本系统最为合理的地源热泵机组的配置方法 另外 地源热泵机组在不同工况下输出的冷量 热量与其蒸发器 乙二醇溶液 冷凝器内的传 热介质 水 以及具体的工作温度和流量有关 必须根据地下水的供水流量以及供水温 度来计算机组在不同工况下输出的冷量 热量 本工程的地能利用方式采用了垂直地埋管的闭式地下水换热系统 招标文件中提供 的 地源热泵垂直埋管周围土壤温度场数值模拟 管群布置与经济分析研究报告 中对 地埋管系统的主要设计数据均进行了全面 科学的分析 确定了地埋管系统的主要设计 参数 换热器总量换热器总量 1100 根 换热孔最佳设计深度为根 换热孔最佳设计深度为 100 米 地埋管系统采用双米 地埋管系统采用双 U 型型 PE 换热管 管径换热管 管径 DN32mm 地埋管换热器埋管间距为 地埋管换热器埋管间距为 6m 采用平行四 采用平行四 边形布置 室外集 分水器做法考虑地下室安装成品集 分水器 室外集 边形布置 室外集 分水器做法考虑地下室安装成品集 分水器 室外集 分水器至机房水平埋地管道埋深分水器至机房水平埋地管道埋深 4 米 相对室外地坪自然标高 水平管道米 相对室外地坪自然标高 水平管道 采用采用 HSS 型高密度聚乙烯直埋保温管 国标焊接钢管 型高密度聚乙烯直埋保温管 国标焊接钢管 50mm 厚聚氨酯保温厚聚氨酯保温 层 聚氨酯容重层 聚氨酯容重 50kg m3 以上 管道外层为高密度聚乙烯塑料管 以上 管道外层为高密度聚乙烯塑料管 另外 系统中的 3 台三工况地源热泵机组以及 1 台两工况地源热泵机组和蓄冰装置 已经经过业主招投标 地源热泵机组采用了克莱门特热泵主机 PSRHH7204 B 蓄冰 装置则采用了美国原装进口 BAC 蓄冰钢盘管 TSC 380M 克莱门特地源热泵机组克莱门特地源热泵机组 BAC 蓄冰盘管蓄冰盘管 1 系统深化设计思路系统深化设计思路 由于业主在本工程集成项目招投标之前已经对系统进行了深入的分析 并确定了地 源热泵冰蓄冷系统关键子系统 地埋管系统 以及主要设备的主要参数 在此前提下 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 12 我司的深化设计的主要思路是 1 1 系统配置深化设计系统配置深化设计 根据已经确定的关键设备性能参数以及地埋管 换热系统的主要设计要素 计算系统内其他配套设 备的性能参数 并对已经提供的相关图纸进行深化 设计 主旨在于提高机房内设备布置和管线连接的 美观度 机房内各专业管线安装的合理性 便利性 等等 另一个重要的深化设计内容即本地源热泵冰蓄冷自动控制系统的深化设计 详参 自动控制方案 1 2 系统运行深化设计系统运行深化设计 结合已经选择的地源热泵机组的具体性能以及地埋管系 统可提供的地下水温度情况分析其在具体某工况下的制冷量 以及制热量 根据拟定的夏季供冷负荷以及冬季供热负荷分 析系统最科学 合理 经济的运行策略 在进行运行策略分 析的时候 除了结合当地电价在满足空调负荷的前提下节约系统运行费用 另外一个要 点为分析在不同负荷状态下地埋管系统的排热量和排冷量 根据地埋管系统的主要设计 参数和招标文件提供的 地源热泵垂直埋管周围土壤温度场数值模拟 管群布置与经济地源热泵垂直埋管周围土壤温度场数值模拟 管群布置与经济 分析研究报告分析研究报告 分析地埋管系统运行的可靠性以及单日 全年热量平衡情况 1 3 地埋管系统深化设计地埋管系统深化设计 根据目前确定的地埋管系统的主要设计参数要求 结合苏州雷电院新基地的工程现 场实际情况 并按照国家相关工程技术规范对地埋管系统进行深化设计 要点包括 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 13 地埋管系统的总体布局深化设计地埋管系统的总体布局深化设计 地埋管系统的运行可靠性分析地埋管系统的运行可靠性分析 地埋管系统的水力平衡分析地埋管系统的水力平衡分析 地埋管系统的全年热量平衡分析以及优化建议地埋管系统的全年热量平衡分析以及优化建议 地埋管系统的运行方法分析地埋管系统的运行方法分析 地埋管系统关键节点的施工工艺地埋管系统关键节点的施工工艺 垂直钻孔 水平管路敷设 分集水器工艺等 详参 施工组织计划 地埋管系统的运行 维护管理说明地埋管系统的运行 维护管理说明 地埋管系统的故障诊断及处理方法地埋管系统的故障诊断及处理方法 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 14 2 地源热泵原理简介地源热泵原理简介 热泵能有效利用空气 水体和土壤中蕴藏的低温位 热能 地源热泵 GSHP Ground Source Heat Pump 系统是21世纪能源利用的最 优方式之一 国家规范 GB50366 2005 地源热泵系 统工程技术规范 对地源热 泵的具体定义为 以岩土体 地下水或地表水为低温热源 由水源热泵机组 地热能交 换系统 建筑物内系统组成 的空调系统 根据地热能交 换系统形式的不同 地源热 泵系统分为地埋管地源热泵 系统 地下水地源热泵系统 和地表水地源热泵系统 右图为地源热泵系统的常见分类情况 根据本工程的实际情况 采用了国内外应用较广的垂直地埋管地源热泵系统 2 1 地源热泵的工作原理地源热泵的工作原理 热泵 这一术语是借鉴 水泵 一词得来 在 自然环境中 水往低处流动 热向低温位传递 而地 表土壤是一个所含能量极其巨大的蓄能体 在土壤中 因吸收太阳能以及其他形式的能量交换而储存了大量 的低品位能源 可以通过 热泵 对土壤中所含能量 进行品位提升 满足制冷供热等建筑物环境控制要求 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 15 水泵将水从低处泵送到高处利用 而热泵可将低温位热能 泵送 交换传递 到 高温位提供利用 其工作原理是 由电能驱动压缩机 使工质 如 R22 循环运动反复 发生物理相变过程 分别在蒸发器中气化吸热 在冷凝器中液化放热 使热量不断得到 交换传递 并通过阀门切换使机组实现制热 或制冷 功能 在此过程中 热泵的压缩 机需要一定量的高位电能驱动 其蒸发器吸收的是低位热能 但热泵输出的热量是可利 用的高位热能 在数量上是其所消耗的高位热能和所吸收低位热能的总和 2 2 地源热泵的系统构成地源热泵的系统构成 上图说明了地源热泵系统实现地能利 用的具体流程 不同类型的地源热泵系统 在此方面基本相同 地能利用过程同样反 映出地源热泵的系统构成 不同的地能利 用方式直接决定了地源热泵的系统构成方 式 其主要区别在于地能采集方式 根据 苏州雷电院项目的实际情况 其地能采集 利用系统采用了闭式循环的垂直埋管式土 壤换热器 与之相应的地源热泵系统则主 要由垂直埋管式土壤换热器 实现地能采 集 vertical ground heat exchanger 水源 热泵机组 实现地能品位提升 water source heat pump unit 和室内空气 水换热以及水 水换热设备组成 实现地能利用 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 16 2 3 地源热泵效益分析地源热泵效益分析 可再生能源利用技术可再生能源利用技术 地表浅层是一个巨大的太阳能集热器 收集了46 的太阳能量 比人类每年利用能 量的500倍还多 它不受地域 资源等限制 真正是量大面广 无处不在 这种储存于地 表浅层近乎无限的可再生能源 使得地能也 成为清洁的可再生能源一种形式 经济有效的节能技术经济有效的节能技术 地能或地表浅层地热资源的温度一年四 季相对稳定 冬季比环境空气温度高 夏季 比环境空气温度低 是很好的热泵热源和空 调冷源 这种温度特性使得地源热泵比传统 空调系统运行效率要高40 因此要节能和 节省运行费用40 左右 另外 地能温度较 恒定的特性 使得热泵机组运行更可靠 稳 定 也保证了系统的高效性和经济性 环境效益显著环境效益显著 地源热泵的污染物排放 与空气源热泵相比 相当于减少 40 以上 发电污染物排放 与有机燃料供暖相比 相当于减 少80 以上 如果结合其它节能措施节能减排会更明显 该装置 的运行没有任何污染 可以建造在居民区内 没有燃烧 没有排 烟 也没有废弃物 不需要堆放燃料废物的场地 且不用远距离 输送热量 一机多用 应用范围广一机多用 应用范围广 地源热泵系统可供暖 空调 还可供生活热水 一机多用 一套系统可以替换原来 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 17 的锅炉加空调的两套装置或系统 可应用于宾馆 商场 办公楼 学校等建筑 更适合 于别墅住宅的采暖 空调 此外 机组使用寿命长 均在 15 年以上 3 冰蓄冷空调系统原理冰蓄冷空调系统原理 冰蓄冷空调系统是指在夜间低谷电时段将建筑物所需的空调冷量全部或者部分以冰 的形式制备并储存起来 在非电力低谷时段融冰供冷的一种空调系统 3 1 冰蓄冷技术的特点冰蓄冷技术的特点 冰蓄冷空调技术之所以得到各国政府以及工程技术界的重视 重要原因之一是冰蓄 冷技术具有卓越的移峰填谷功能 是电力需求侧管理的重要技术手段 冰蓄冷技术具有 以下特点 平 衡 电 网昼夜峰谷电力负荷 减缓电厂建设 提高火电厂发电效率 减少制冷主机容量 减少空调系统电力工程贴费及配电设施费用 合理利用峰谷电价差价 显著降低空调系统运行费用 空调系统使用更加灵活 节假日 休息日等小负荷状态下 可融冰供冷 无需开启 制冷主机 避免制冷主机低效运行 节能效果明显 蓄冰装置的蓄冷量可作为应急冷源 在停电时只需开启水泵即可供冷 提高了空调 系统的可靠性 冷冻水温度可降至 2 4 可实现冷冻水大温差或低温送风 降低水管 风管的口 径 降低建筑层高 低温送风技术可降低室内相对湿度 提高空调舒适性 使空调冷水机组更平稳地运行 更多时间处于满负荷工作状态 提高冷水机组的利 用率和使用寿命 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 18 供冷启动时间短 只需 15 20 分钟即可达到所需温度 常规系统约需 1 小时 3 2 蓄冰模式选择蓄冰模式选择 根据不同冰蓄冷工程项目的实际情况 通常有两种蓄冰模式可供选择 一种称之为 全量蓄冰模式 与之相对称之为分量蓄冰模式 项目项目全量蓄冰模式全量蓄冰模式分量蓄冰模式分量蓄冰模式 概念概念 主机在电力低谷期全负荷蓄冰 制 得系统全天所需要的全部冷量 在 白天电力高峰期 所有主机停运 所需冷负荷全部由融冰来满足 主机在电力低谷期全负荷运行 制 得系统全天所需要的部分冷量 在 设计日主机以与蓄冰装置联合提供 系统所需的冷量 最大限度的转移了电力高峰期的用 电量 白天系统的用电容量小 转移了电力高峰期的部分用电量 白天系统配电容量相对较大 白天全天通过融冰供冷 完全利用 夜间低价低谷电 运行成本低 部分利用夜间低价低谷电 运行费 用较全量蓄冰高 系统的蓄冰容量 制冷主机及及相 应设备容量显著增大 系统的蓄冰容量 制冷主机及相应 设备容量较小 系统的占地面积显著增大 系统的占地面积较小 优缺点对比优缺点对比 系统的初期投资显著增加 初期投资最小 回收周期短 分析 1 全量蓄冰模式与分量蓄冰模式最大的差异在于蓄冰率的高低 虽然全量蓄冰模式 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 19 蓄冰率达 100 转移电量最多 运行费用最低 但因在制冷机组 蓄冰装置上 投入过多 经过经济比较 投资回收期反而较分量模式长 目前国内绝大多数冰 蓄冷工程项目均采用分量蓄冰模式 2 由于全年空调负荷存在不均衡性 在负荷逐渐下降时 分量蓄冰系统的蓄冰率会 逐渐上升 避免了全量蓄冰模式在部分负荷下系统设备闲置过多的问题 3 根据苏州雷电院新基地一期的空调负荷以及制冷主机 蓄冰装置总蓄冰量的具体 配置情况 本工程一期接近全量蓄冰模式运行 待二期负荷发生时 可以将系统 调整至分量蓄冰模式运行 根据我司的工程经验 全量蓄冰模式运行或者分量蓄冰模式运行的选择关键 在于空调负荷的预测 目前工艺冷却部分的负荷数据以及使用特性尚不明确 在 这种情况下 更加需要进行负荷预测以及优化控制 在积累短时间的系统运行原 始数据之后 负荷预测及优化控制系统可以自动进行负荷预测计算 在预测负荷 之后 根据系统配置情况并结合优化控制的诸项约束条件 我司的负荷预测及优 化控制软件可以自动计算 编制最合理的运行模式和运行时间表 实现系统最科 学 合理运行 4 地源热泵 冰蓄冷冷源系统设计概述地源热泵 冰蓄冷冷源系统设计概述 4 1 系统设计要素系统设计要素 本系统设计要素如下 采用地源热泵 冰蓄冷设计 使系统节能降耗达到最优 地能利用方式采用闭式循环垂直埋管地能换热系统 采用系统中的 3 台三工况地源热泵机组以及 1 台两工况地源热泵机组 品牌为克 莱门特热泵主机 PSRHH7204 B 其具体性能参数参见招标图纸设施 53 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 20 蓄冰装置则采用了美国原装进口 BAC 蓄冰钢盘管 TSC 380M 其具体性能 参数参见招标图纸设施 53 采用制冷主机上游 蓄冰盘管下游的单级泵串联系统流程 本系统形式效率高 控制简单可靠 使用灵活 该系统流程在全球数千工程实例中已经得到了应用 我公司亦有百余项工程应用经验 国内类似系统绝大部分由我公司承建 上图为地源热泵冰蓄冷系统流程示意上图为地源热泵冰蓄冷系统流程示意 4 2 系统技术优势系统技术优势 4 2 1 闭式循环垂直地埋管系统闭式循环垂直地埋管系统 深埋管深埋管 的技术优势的技术优势 垂直钻孔 占用场地面积小 较深的地下岩土温度稳定 换热效率高 采用深埋管工艺 因钻孔深度深 单位管长换热量大 管路接头少 闭式循环不直接接触大气和土壤 作为换热媒介的地下冷却水更易保证其水质 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 21 大幅简化了水处理工艺的要求 由于深层岩土温度场受地面温度影响很小 因此必须注意冬季吸热由于深层岩土温度场受地面温度影响很小 因此必须注意冬季吸热 量和夏季排热量的平衡 否则将影响地源热泵的长期使用效果 可考虑量和夏季排热量的平衡 否则将影响地源热泵的长期使用效果 可考虑 采用在系统中加装冷却塔或辅助加热的措施 帮助地下岩土实现热平衡 采用在系统中加装冷却塔或辅助加热的措施 帮助地下岩土实现热平衡 4 2 2 主机上游串联冰蓄冷系统的技术优势主机上游串联冰蓄冷系统的技术优势 目前 制冷主机上游的串联冰蓄冷流程在国内外不同冰蓄冷系统中的应用最为广泛 具有以下明显的优点 冰蓄冷系统可以减少制冷主机的装机容量 同样可以削减夏季向地下的排热量峰值 将白天供冷时段内的部分排热量移至夜间 即可减少地埋管换热系统的设计换热量 还能保证地下换热系统以相对稳定的换热工况运行 从板换回来乙二醇溶液先进入制冷主机降温 制冷主机能够在较高的蒸发温度下运 行 制冷效率更高 有利于提高整个冷源系统的能耗比 载冷剂在系统中经两次换热 可以取得较大温差 满足相同的空调负荷需要的乙二 醇溶液的流量较小 节省输送能耗 更经济 制冷主机位于蓄冰装置的上游 可以通过远程设置制冷主机的蒸发器出口温度 从 而实现对融冰速度的精确控制 这对系统实现合理的融冰分配提供了先决条件 这 种系统流程设计方式可确保系统均可实现主机优先或融冰优先的运行模式 在系统 实际运行过程中具有良好的工况调整灵活性 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 22 冰蓄冷主机上游单级泵串联流程示意图冰蓄冷主机上游单级泵串联流程示意图 1 双工况制冷主机 2 蓄冰装置 3 供冷板式换热器 4 乙二醇泵 5 冷冻水泵 一级 6 温度传感器 7 电动调节阀 四 冷热源系统设备配置说明四 冷热源系统设备配置说明 1 综述综述 系统配置3台三工况 制冷 制冰 制热 地源热泵机组和1台两工况 制冷 制热 地源热泵机组 均采用了型号为PSRHH7204 B的克莱门特地源热泵机组 蓄冰装置则采 用了美国原装进口BAC蓄冰钢盘管 型号为TSC 380M 数量30组 总潜热蓄冰量为 11400RTh 本工程采用了地源热泵技术 地埋管系统为地能收集器 采用闭式循环垂直埋管方 案 夏季将地源热泵机组冷凝器排热量带入地下由土壤吸收 冬季则将地源热泵机组蒸 发器排冷量带入地下由土壤吸收 双U管形式 平行四边形布置 间距6m 总孔数1100 个 本工程冷源部分采用了冰蓄冷技术 三工况主机夜间低谷电期间运行制冰模式 制 取的冷量储存在蓄冰装置内 白天供冷时 通过乙二醇载冷剂将蓄冰装置内储存的冷量 通过供冷板式换热器传递至空调冷冻水循 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 23 环系统 此板换还负责在冬季运行供热模式时 将三工况主机蒸发器产生的冷量传递至 地下水系统 本冰蓄冷系统采用的单级泵主机上游串联流程可以实现以下四种运行模式 a 主机蓄冰模式 b 融冰单独供冷模式 c 主机单供冷模式 d 主机与蓄冰装置联合供冷模式 2 系统主要设备选型系统主要设备选型 2 1 地源热泵制冷地源热泵制冷机组机组 系统配置三台三工况 制冷 制冰 制热 地源热泵机组 主要参数如下 运行工况运行工况蒸发器进出口温度蒸发器进出口温度 冷凝器进出口温度冷凝器进出口温度制冷量制冷量制热量制热量压缩机输入功率压缩机输入功率 制冷工况 12 7 34 38 2702 3kW 3286 1kW583 8kW 制冰工况 6 3 34 38 1642 3kW 2149 7kW507 4kW 供热工况 11 7 45 50 2243 7kW2966kW722 3kW 系统配置一台两工况 制冷 制热 地源热泵机组 主要参数如下 运行工况运行工况蒸发器进出口温度蒸发器进出口温度 冷凝器进出口温度冷凝器进出口温度制冷量制冷量制热量制热量压缩机输入功率压缩机输入功率 制冷工况 12 7 34 38 2702 3kW 3286 1kW583 8kW 供热工况 7 3 45 50 2243 7kW2966kW722 3kW 本系统中地源热泵机组均采用了型号为 PSRHH7204 B 的克莱门特地源热泵机组 其产品质量标准通过以下国际认证 欧洲质量组织认证欧洲质量组织认证欧洲制冷协会质量标准认证欧洲制冷协会质量标准认证 欧洲安全标准欧洲安全标准 CECE 认证认证国际国际 ISO9001ISO9001 认证认证 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 24 中国中国 3C 3C 认证认证 2 2 蓄冰装置蓄冰装置 2 2 1 综述综述 蓄冰装置是冰蓄冷系统中重要的核 心设备 双工况主机夜间低谷电期间运 行制冰工况时制备的冷量通过载冷剂 通常为 25 体积比的乙二醇溶液 在 蓄冰装置内与水发生热交换 水凝结成 冰 储存在蓄冰装置内 在白天供冷时 同样通过载冷剂 在蓄冰装置内与冰发 生热交换从而获取冷量 并将冷量通过 板式换热器传递至空调冷冻水 BAC 蓄冰设备因其独特的蛇形钢盘管和优异的 传热性能 在制冰时 低温载冷剂在盘管内循环 将盘管外表面的水逐渐被冻结成 25mm 厚度的冰层 冰层之间留有空隙 仍为 0 的水 补形成冰桥 融冰时 随着融冰比例的增加 冰层与盘管之间形成水环 但冰层受到外界水的浮力作 用 始终与盘管之间保持良好接触 融冰达到 20 30 时 冰层破裂均匀散落在水中 形 成温度均衡的 0 冰水混合物 因此 可保证换热均匀 乙二醇出口温度恒定 并可控 制取冷过程 取冰率可达 100 因更优的制冰 融冰特性 不完全冻结式蓄 冰装置的综合性能优于完全冻结式蓄冰装置 目 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 25 前国内的大部分冰蓄冷空调系统均采用了不完全冻结式蓄冰装置 美国 BAC 采用钢质不 完全冻结式蓄冰装置 得益于金属远优于塑料的传热能力 美国 BAC 公司生产的蓄冰装 置的综合性能世界领先 具有以下突出优势 盘管采用外径为 26 67mm 的薄壁钢盘管 金属材质 热传导效率极高 整体热镀锌防腐处理 使用寿命长 先进的百米连续弯管焊接工艺 极大程度上减少了焊缝数量 确保不渗漏 不完全冻结式 可提供稳定的低温载冷剂 适用于大温差低温送风系统 传热面积大 结冰融冰速率稳定 蓄冰盘管优化组合 采用同程连接 流量分配均匀 外结冰 无内应力 使用寿命长 结冰厚度薄 制冷主机运行效率高 载冷剂管内循环 用量少 大大减少乙二醇投资 本工程采用 TSC 380M 蓄冰盘管 30 组 总蓄冰量为 11400RTh 2 2 2 不完全冻结式蓄冰装置性能分析不完全冻结式蓄冰装置性能分析 蓄冰装置的优劣直接关系到冰蓄冷系统能否实现设计目标 对于面积较大的集中式供 冷中央空调 要求稳定的低的融冰出口温度 对蓄冰装置的制冰性能 融冰性能和融冰率 提出了较高的要求 因此所选用的蓄冰装置须达到如下要求 较高的制冰温度 保证制冰时具有较高的制冷主机运行效率 稳定的出口温度 且温度需能达到较低的水平 融冰末期的温度必须稳定 确保供水温度不会上升 满足空调系统的供冷需求 高的融冰率 保证所蓄冷量能够利用 针对以上要求 我们对不完全冻结式蓄冰装置的特有的碎冰机理进行了分析 制冰时 盘管四周形成冰柱 制冰结束时冰柱之间不相连 融冰时由于冰比水轻 冰上浮 一直与 盘管接触 接触处先融化并直至破碎 最后形成稳定温度 0 的冰水混合物 使盘管 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 26 始终处于稳定的低的温度环境中直至融冰结束 可以保证稳定的 低的出水温度 及高的 融冰率 100 即使在融冰末期依然可以满足要求 以下具体分析融冰过程 2 3 冷却水泵冷却水泵 冷却泵的主要功能是 夏季 地下冷却水在 机组冷凝器内吸收冷凝热后 由冷却水泵将吸收 了冷凝热量的冷却水送入垂直地埋管中 由土壤 吸收循环冷却水所含的热量 完成一个取冷循环 冬季 乙二醇溶液在机组蒸发器内吸收蒸发冷后 由乙二醇泵将乙二醇溶液输送至制冷板换 在制 冷板换处蒸发器散发的冷量通过交换至地下冷却水系统 完成一个取热循环 根据项目实际情况及招标文件要求 冷却泵流量取 710m3 h 此水泵在夏季需克服 冷凝器压降 垂直地埋管系统压降和相应管道压降 冬季需克服制冷板换压降 垂直地 埋管系统压降 具体校核过程参见 地埋管深化设计 章节 和相应管道压降 取最不 利情况后水泵扬程定为 38m 数量 4 台 与 3 台三工况地源热泵机组以及 1 台两工况地 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 27 源热泵机组相对应 为充分节约能源及尽量减少地下换热器的换热负荷 冷却水泵采用台数控制和变频 调节相结合 以控制垂直地埋管冷却水系统供回水温差恒定控制冷却水泵变频以及台数 自动调节 2 4 乙二醇泵乙二醇泵 乙二醇泵须满足冰蓄冷系统制冰 融冰 供冷各工况的要求 即满足系统制冰工况 联合供冷工况 主机单供冷工况 融冰单供冷工况对流量和扬程的要求 乙二醇泵需克服的最大阻力是联合供冷工况下的阻力 乙二醇泵需克服三工况机组 蒸发器压力降 蓄冰装置压力降 板式换热器压力降以及系统阀门与管路的压力降 按 设计要求乙二醇泵的循环水量取 514m3 h 扬程取 45m 因乙二醇泵在制冰 融冰 供冷各工况下克服阻力大小相差较大 故对乙二醇泵采 用变频控制 实现在不同阻力工况下 乙二醇泵的流量基本一致 有利于系统稳定可靠 运行 同时降低乙二醇泵能耗 2 5 冷热水泵冷热水泵 冷热水泵的功能 在夏季 空调循环水在制冷制热板换处获得冷量并降温之后 由 空调循环水泵输送至空调末端空气 水换热设备释放冷量 使各空调区域的室内温湿度 参数达到设计要求 冷量释放完毕之后 空调循环水回到机房继续取冷 完成一个供冷 循环 在冬季 空调循环水同样在主机冷凝器处获得热量并升温之后 由用户侧水泵输 送至空调末端空气 水换热设备释放热量 使各空调区域的室内温湿度参数达到设计要 求 热量释放完毕之后 空调循环水回到机房继续取热 完成一个供热循环 根据夏季供冷和冬季采暖的尖峰负荷以及冷冻 采暖水的设计供回水温差可以确定空 调循环泵的设计流量 扬程需克服主机冷凝器 空调末端设备和相应管路的阻力 由于 夏季空调负荷和设计温差对应的流量大于冬季 因此按照夏季工况选择水泵 经过计算 空调循环泵的设计流量为 465m3 h 扬程约 35m 共选用 4 台 另外 为节约空调循环泵的运行费用 此组水泵采用变频控制以及台数调节 根据 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 28 空调冷冻水供回水之间的压差控制水泵变频 在末端不同支路进行冷量调节的时候 通 过水泵变频稳定供水压力 确保不同支路之间的调节互不干扰 2 6 制冷板式换热器制冷板式换热器 夏季 制冷板换是将蓄冰系统中循环的乙 二醇溶液与通往空调末端系统的冷冻水隔离 同时进行低温乙二醇溶液与冷冻水之间的热交 换 产生末端所需的冷冻水 冬季 蒸发器产 生的冷量在此板换处与井水进行换热 由冷却 水将此部分冷量带入垂直地埋管地能换热系统 在确定制冷板换各项选型参数时 必须综 合板换可能发生的多种运行工况进行全面比较 根据最不利工况 即所需换热面积最大的工况进行板换选型 由于本工程一期主要设备配置容量相对于实际空调负荷而言有一定的富余 为提高 系统运行经济性 并在运行过程中尽量减少向地下土壤索取能量 需要系统以接近全量 融冰的工作模式运行 为了实现全量融冰 对蓄冰装置的融冰速度有一定的要求 而制 冷板式换热器的冷侧设计进口温度与此直接相关 经过计算 此时此设计进口温度应设 定为 5 留有一定的安全余量 而根据系统乙二醇泵的流量 可以计算出板换乙二 醇侧的设计出口温度为 9 但是本系统深化设计必须考虑在二期系统扩容时一期原始 系统配置的适用性 为此 我司按照相同的换热量 相同的板换冷冻水侧设计进出口温 度以及不同的板换乙二醇侧设计进出口温度 原设计方案的 3 11 和根据融冰需要的 5 9 以及冬季运行的具体参数 分别计算了板换运行的对数平均温差和所需的换热面 积 在三组数据中取最不利者 即板换的计算换热面积更大的对应温度参数 经过比较 原始设计方案的 3 11 所需换热面积更大 因此板换的参数据此确定 可满足目前拟 定的运行策略需要 苏州雷电院生产试验基地地源热泵冰蓄冷系统 系统深化设计方案 国电机械设计研究院 浙江 杭州 西园一路 10 号 TEL 0571 88800391 杭州华电华源环境工程有限公司 FAX 0571 88050895 29 2 7 强制湍流换热器强制湍流换热器 本工程工艺冷却系统采用了冷却塔 加冷却水池 和强制湍流换热器两级串联冷却 的技术方案 采用壳管式强制湍流换热器可以避免板间距较小的板式换热器易发生堵塞 的问题 便于设备冲洗以及维护 强制湍流换热器共计设置两台 选型参数如下 项目1 强制湍流换热器2 强制湍流换热器 换热量1100kW1500kW 冷侧进口温度 7 7 冷侧出口温度 12 12 热侧进口温度 32 32 热侧出口温度 26 28 压降 8 米水柱米水