地源热泵及冰蓄冷系统系统深化设计方案

PAGE地源热泵及冰蓄冷系统系统深化设计方案目录TOC\o"1-3"\h\z一．前言 4二．工程概况 71.工程概况 72.空调设计参数 73.空调负荷分布 8三．系统深化设计综述 101.系统深化设计思路 111.1系统配置深化设计 111.2系统运行深化设计 111.3地埋管系统深化设计 122.地源热泵原理简介 132.1地源热泵的工作原理 132.2地源热泵的系统构成 142.3地源热泵效益分析 153.冰蓄冷空调系统原理 163.1冰蓄冷技术的特点 163.2蓄冰模式选择 174.地源热泵＋冰蓄冷冷源系统设计概述 184.1系统设计要素 184.2系统技术优势 19四．冷热源系统设备配置说明 211.综述 212.系统主要设备选型 212.1地源热泵制冷机组 212.2蓄冰装置 222.3冷却水泵 252.4乙二醇泵 252.5冷热水泵 262.6制冷板式换热器 262.7强制湍流换热器 272.8水处理配套设备 282.9系统膨胀定压设备 302.10系统设备汇总一览表 32五．系统运行策略说明 331.前言 332.运行策略分析输入条件 342.1冬夏季设计日逐时负荷 342.2不同负荷状态全年分布表 342.3苏州市冰蓄冷空调系统电价表 343.夏季供冷运行方案 343.1100％设计日负荷运行策略 343.275％设计日负荷运行策略 383.350％设计日负荷运行策略 403.425％设计日负荷运行策略 424.冬季供暖运行方案 44六．地埋管系统深化设计 451总体布局篇 461区域划分说明 472地埋管小区内分集水器定位说明 492可靠性分析篇 501综述 512地下热交换器校核及优化设计依据 513空调冷热负荷分析 524地下换热器校核及优化设计 535总结 613水力平衡分析篇 621综述 632水力平衡计算 634冷热量平衡分析篇 681综述 692冷热量平衡分析 693冷热量平衡技术措施 785系统运行方法篇 801运行方法要点 812闭式冷却塔运行方法建议 816系统维护说明篇 857系统故障诊断及处理篇 87一．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。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。华电华源地/水源热泵冰蓄冷部分业绩表序号工程名称建筑面积m2蓄冷量RTh工程概况项目类型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办公楼供货与集成二．工程概况1.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2.1室外设计参数参数项目季节空调通风计算温度(℃)主导风向平均风速(m/s)大气压力(hpa)干球温度(℃)湿球温度(℃)相对湿度(%)夏季34.628.633.0SE2.31004.9冬季-5.075%2.0NE2.31025.92.2负荷数据项目3＃厂房4＃厂房5＃厂房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－kW25001800400－冬季负荷汇总－kW4700冬季设计供回水温度－℃50/45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。3.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夏季设计日供冷负荷分布表时段冷负荷（kW）时段冷负荷（kW）时段冷负荷（kW）0:00-1:0008:00-9:00615016:00-17:0001:00-2:0009:00-10:00686017:00-18:0002:00-3:00010:00-11:00721518:00-19:0003:00-4:00011:00-12:00792519:00-20:0004:00-5:00012:00-13:00863520:00-21:0005:00-6:00013:00-14:00899021:00-22:0006:00-7:00014:00-15:00970022:00-23:0007:00-8:00015:00-16:00792523:00-24:000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夏季设计日供冷负荷分布图3.3冬季设计日供热负荷分布表时段热负荷（kW）时段热负荷（kW）时段热负荷（kW）0:00-1:0008:00-9:00470016:00-17:0001:00-2:0009:00-10:00450017:00-18:0002:00-3:00010:00-11:00430018:00-19:0003:00-4:00011:00-12:00400019:00-20:0004:00-5:00012:00-13:00380020:00-21:0005:00-6:00013:00-14:00350021:00-22:0006:00-7:00014:00-15:00330022:00-23:0007:00-8:00015:00-16:00320023:00-24:0003.3冬季设计日供热负荷分布图三．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1100根，换热孔最佳设计深度为100米。地埋管系统采用双U型PE换热管，管径DN32mm。地埋管换热器埋管间距为6m，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、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），水平管道采用HSS型高密度聚乙烯直埋保温管（国标焊接钢管、50mm厚聚氨酯保温层，聚氨酯容重50kg/m3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BAC蓄冰盘管1.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，我司的深化设计的主要思路是：1.1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：⊙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⊙地埋管系统的运行方法分析⊙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⊙地埋管系统的故障诊断及处理方法2.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,GroundSourceHeatPump）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“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。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，verticalgroundheatexchanger）、水源热泵机组（实现地能品位提升，water-sourceheatpumpunit）和室内空气－水换热以及水－水换热设备组成。（实现地能利用）2.3地源热泵效益分析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。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。项目全量蓄冰模式分量蓄冰模式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。优缺点对比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。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4.1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；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4.2系统技术优势4.2.1闭式循环垂直地埋管系统(深埋管)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，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。4.2.2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。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1.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2.1地源热泵制冷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：运行工况蒸发器进出口温度冷凝器进出口温度制冷量制热量压缩机输入功率制冷工况12℃/7℃34℃/38℃2702.3kW3286.1kW583.8kW制冰工况-6℃/-3℃34℃/38℃1642.3kW2149.7kW507.4kW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：运行工况蒸发器进出口温度冷凝器进出口温度制冷量制热量压缩机输入功率制冷工况12℃/7℃34℃/38℃2702.3kW3286.1kW583.8kW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制冷协会质量标准认证欧洲安全标准CE认证国际ISO9001认证中国“3C”认证2.2蓄冰装置2.2.1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。2.7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≤8米水柱承压等级0.6MPa0.6MPa根据招标文件要求，选用“山东济南市宏达供热设备有限公司”的产品。2.8水处理配套设备本工程由三大循环系统构成：地埋管冷却水系统、乙二醇系统以及空调冷热水系统。三大循环系统均采用闭式循环，与大气不直接接触。根据以上三大循环系统的实际工作情况，我司提出水处理方案如下：2.8.1地埋管冷却水系统地埋管冷却水系统由1100根DN32的PE双U管、土壤下直埋水平管道以及机房内管道系统组成。针对DN32的双U管系统，由于PE（聚乙烯）管道在土壤温度环境、含氧量环境下其化学、物理性质较为稳定，内壁光滑且不易腐蚀，不需要考虑过于复杂的水处理工艺。同时，为了防止长时间运行后在口径较小的塑料管道内壁上结垢，地埋管冷却水系统全部采用经软化处理的软化水，大幅降低冷却水中的钙镁离子浓度，延缓管壁结垢，杜绝长时间运行后管壁结垢对换热效果以及水系统阻力的不利影响。另外，由于地埋管冷却水系统由数量庞大的U型小口径塑料换热管组成，在系统充水的过程中难以将换热管系统内的空气完全排出，如果水系统内气体含量过高，将对换热效果以及冷却水泵稳定运行产生不良影响，为此，在地埋管冷却水系统内配置真空脱气机，采用国际知名的荷兰“SPIROVENT（史派鲁特）”真空脱气机，逐渐将地埋管系统内的气体完全排出，以物理处理方式保证了地埋管冷却水系统正常稳定运行。真空脱气机的工作原理是：将循环系统中的一部分水抽到水罐中，进行真空脱气。根据亨利定律，在真空状态下这部分气体将完全被从水中分离出来，分离出来的气体通过脱气机放气口排出。脱除了气体的具有吸收性的水重新被注回系统中，这部分具有高度吸收性质的不饱和水，为达到气水溶解度平衡，将再次吸收系统中气体来使之平衡。真空脱气机每30秒钟重复一次这样的循环，水中的游离气体和溶解气体就在这种循环中被排除了。在系统中应用真空脱气机给客户带来的价值包括：降低在散热器、换热器、管道和泵处产生的噪音；减少系统注水和试运行的时间；避免系统运行中频繁的手动放气；提高热传输和制冷的换热效率，特别是在较高的楼层；延缓或避免换热器、调节器、截止阀、泵等设备组件较早的磨损和损坏。延缓管道和设备组件的腐蚀。避免在运行时及突然停机后因管道内积气引发的故障。本次投标采用了最新的SPIROVENT史派鲁特S6A型真空脱气机。此设备在本工程条件下可有效工作，超大脱气量能保证快速和永久排出所有自由和溶解的空气。水系统中的游离空气和溶解的空气会逐渐地被排出。经过计算，本工程地埋管换热系统的水容量大约为100m3，S6A型真空脱气机的处理能力为150m3，为确保系统安全可靠运行，配置两台S6A型真空脱气机，处理能力达到300m3。2.8.2乙二醇溶液系统由于冰蓄冷系统需要在夜间低谷电时段内制冰，制冰温度通常在-6℃左右。此时水已经发生相变而无法作为流体输送冷量，考虑到具体载冷剂的冻结温度、腐蚀性、热物性、化学稳定性、安全性，绝大多数冰蓄冷系统均采用乙二醇溶液用作载冷剂。对于静态蓄冰的冰蓄冷系统，乙二醇溶液通常取26％的质量比浓度。经过对乙二醇的物性分析，发现乙二醇溶液对镀锌表面有腐蚀倾向。虽然100％浓度的乙二醇对金属的腐蚀能力比水弱，但是混合成低浓度溶液后，由于溶液中空气的氧化作用，乙二醇溶液呈现弱酸性，必须添加相应的腐蚀抑制剂以保持其碱性。为了解决以上问题，本工程乙二醇采用美国原装进口的DOW陶氏化学公司生产的冰蓄冷系统专用乙二醇，在乙二醇内已经添加了专门研制的高性能腐蚀抑制剂，加之本工程的乙二醇管道采用了耐腐蚀性能很好的不锈钢管道，可以确保系统管道不发生腐蚀，延长了系统使用寿命。2.8.3空调冷热水系统空调冷热水系统的任务是将冷热量在冷热源机房以及空调末端换热设备之间进行能量传递，通常采用闭式循环系统。在本系统中，空调冷热水系统的水处理方式和地埋管冷却水系统基本相同，均采用软化水装置以及真空脱气装置对水进行处理，确保冷热水系统稳定正常运行。经计算，空调冷热水循环管道内的水容量约400m3，为此选用4台S6A型真空脱气机，可实现最多600m3的脱气能力。本系统内配置一套软化水能力为10吨每小时的双阀双罐、流量控制型软化水器，采用双阀双罐形式可保证一只软化水处理装置处于再生循环过程中还有一只软化水处理装置可以正常进行软化水处理，可以提供源源不断的软化水供应，避免了单阀系统在再生循环中无法持续提供软化水的缺陷。右图为单阀单罐软化水器工作原理图。系统内设一软化水箱，体积7m3。软化水箱上设液位监控，并软化水进水总管处设电动开关阀，根据软化水箱的液位控制电动开关阀启闭。2.9系统膨胀定压设备本工程的三大循环系统（地埋管冷却水系统、乙二醇系统以及空调冷热水系统）均采用闭式循环，与大气不直接接触。均需要对闭式循环系统配置膨胀定压装置，根据三大循环系统的实际情况，我司的膨胀定压设备选择如下：2.8.1地埋管冷却水系统地埋管冷却水系统的室外部分最高处在室外自然地坪以下4米，机房内冷却水管道均布置于3号楼动力用房的一层。而软化水装置以及真空脱气装置布置于3号楼动力用房的二层，这在客观上为地埋管系统实现高位开式水箱膨胀定压提供了有利条件。由于高位开式膨胀定压水箱的定压性能较落地式膨胀定压装置更为稳定，且系统简单，可靠性高。经过技术经济比较，为地埋管冷却水系统采用高位膨胀定压软化水箱。膨胀箱有效体积为3m3。高位定压膨胀水箱设液位监控，软化水进水管处设电动开关阀，对膨胀箱内高低液位进行控制，并可在水箱出现异常高液位时及时报警，便于管理人员尽快处理。2.8.2乙二醇溶液系统本工程乙二醇管道系统分别布置于3号楼一层动力用房以及7号楼地下一层，同样具备条件配置高位开式膨胀定压水箱。考虑到系统初次充填乙二醇溶液以及日后正常维护管理的便利性，系统内设置了一台乙二醇储液箱以及乙二醇补液泵。管理人员可以方便的在乙二醇储液箱内兑制乙二醇溶液，然后通过乙二醇补液泵将溶液输送至高位膨胀定压水箱。乙二醇储液箱的体积为3m3，高位膨胀定压水箱的体积为1.2m3，乙二醇储液泵配置两台，一用一备，水泵流量取5m3/h，扬程取15米（克服7号楼地下室与3号楼二层动力用房之间的高差带来的静压头以及乙二醇泵管内循环产生的动压头即可）。乙二醇高位定压膨胀水箱设液位监控，对膨胀箱内高低液位进行实时监控，并可在水箱出现异常高液位时及时报警，便于管理人员尽快处理。2.8.3空调冷热水系统本工程空调末端系统较为分散，建筑物高低各不相同，在空调冷热水管道系统内难以找到高度满足要求的地点来放置高位开式定压水箱。为此，系统内设置了一套原装进口REFLEX闭式膨胀定压装置。经计算，该冷热水系统的膨胀量大约1m3。为此，闭式膨胀定压装置的膨胀调节容积为1立方，采用单罐双泵形式，两台补水泵一用一备，水泵流量取5m3/h，扬程取35米（根据建筑物高度确定）。2.10系统设备汇总一览表序号名称设备型号规格功率(kW)数量总功率(kW)产地品牌1供冷板式换热器换热量2700kW,热侧：水，12℃/7℃,冷侧：25％乙二醇，3℃/11℃3台阿法拉法/合资2强制湍流换热器a换热量1500kW,热侧：水，12℃/7℃,冷侧：水，32℃/26℃1台宏达/济南3强制湍流换热器b换热量1100kW,热侧：水，12℃/7℃,冷侧：水，32℃/28℃1台宏达/济南4乙二醇泵514m3/h，90m，一备904台270格兰富/合资5乙二醇补液泵5m3/h，12m，一备0.552台0.55格兰富/合资6冷却水泵710m3/h，38m1104台440格兰富/合资7冷热水泵465m3/h，35m754台300格兰富/合资8软化水装置10t/h，双阀双罐1套阿图祖/合资9软化水箱1600×2200×2000(H)1套华源定制10冷却水膨胀定压水箱3m31套华源定制11乙二醇膨胀定压水箱1.2m31套华源定制12冷热水膨胀定压装置膨胀调节容积1m3，单罐双泵2.21套2.2REFLEX/德国13乙二醇储液箱3m31套华源定制14真空脱气机S6A，地埋管冷却水系统0.82套1.6史派鲁特/荷兰15真空脱气机S6A，冷热水系统0.84套3.2史派鲁特/荷兰16乙二醇含防腐、缓蚀剂29吨DOW/美国五．系统运行策略说明1.前言根据招标文件中的相关要求，在明确了系统流程以及系统内主要设备的具体配置情况后，下文重点分析本地源热泵冰蓄冷工程的系统运行策略。以下运行策略是结合我司众多类似工程项目的工程经验，并根据负荷预测以及优化控制软件中设定的运行策略制定的约束原则经计算分析后做出的，此运行策略是分析地埋管系统排热量、取冷量的重要依据，可据此结合已提供的《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》验证地埋管系统的换热能力是否充分，这是分析系统运行可靠性的重要因素。运行策略分析步骤如下：根据拟定的空调设计逐时负荷的具体情况并结合本工程的具体设备配置来确定不同负荷比例下的具体全天运行策略；冬季供热情况下则根据不同负荷状态所占比例估算冬季地下取热量，经与夏季地下排热量比对分析后，提出系统深化设计的一些具体建议。根据全天运行策略确定在一天的不同时段内地源热泵机组的启停以及能量调节情况来计算当天排热量、取热量的具体数据，并分析单日、全年的冷热平衡情况；根据以上经济性分析的步骤，可见不同负荷下冰蓄冷空调系统的全天运行策略是进行所有经济性分析比较计算的基础。合理的运行策略必须综合考虑系统的实际配置情况和地源热泵冰蓄冷系统的运行约束条件，具体如下：充分利用夜间低谷电，三工况地源热泵在夜间全力蓄冰，部分负荷情况下除外；日间供冷时段内少开甚至不开制冷主机，并尽可能减少制冷主机的启停次数；确保当天低谷电期间储备的冰量在当天白天供冷时充分融完；应灵活调整主机优先或者融冰优先的组合方式，减少向地埋管系统的取能量；当前处于运行状态的制冷主机应尽量使其运行于能效比较高的区域；如需要主机供冷，则优先让能效比更优的基载地源热泵机组运行供冷；每小时的融冰量不能超出蓄冰装置在当前融冰温度下对应的最大融冰速度；合理调节地下冷却水、空调冷热水供水流量，以减少相关水泵能耗。2.运行策略分析输入条件要对冰蓄冷系统进行经济性分析，需要一些输入条件，包括当地冰蓄冷工程执行的优惠峰谷电价政策、空调负荷情况、不同比例负荷在供冷/供暖期内所占权重等，分列如下：2.1冬夏季设计日逐时负荷详参本《深化设计方案》中前述相关内容。负荷比例100％75％50％25％汇总夏季供冷天季供暖天数9363114902.2不同负荷状态全年分布表2.3苏州市冰蓄冷空调系统电价表分类时段380V电价(元/kWh)平电时段8:00~0:001.2谷电时段0:00~8:000.33.夏季供冷运行方案本工程的全年运行方案由不同负荷状态下的不同全天运行方案组成，具体即为100％、75％、50％和25％设计日负荷四种负荷状态下的具体运行策略，以下详述。3.1100％设计日负荷运行策略结合100％设计日空调逐时冷负荷分布图，在白天，基载制冷主机、双工况制冷主机联合蓄冰装置融冰联合供冷。根据苏州市的电价政策，白天供冷期间不存在峰电电价，制冷主机的运行无需避峰，只需确保夜间低谷电期间蓄得的冰量在白天供冷是充分融完即可。根据负荷的具体情况并结合前述的逐项运行策略约束条件，在100％设计日空调负荷状态下，采取主机优先以及融冰优先合理组合的方式。空调设计日冰蓄冷空调运行方式如下图所示，负荷平衡情况参见附后的《100%设计冷负荷空调系统冷量逐时平衡表》。1)三工况主机制冰模式（0:00—8:00）这时段时间为苏州市电力低谷时段，该时段系统自动运行双工况制冷主机制冰模式。在此期间3台三工况主机在制冰工况下满负荷运行，蓄冰装置内蓄冷量达到11400Th时停止此工况。为确保系统安全，防止蓄冰过量对盘管造成损坏，在蓄冰盘管上设置有冰量传感器，在探知蓄冰量已经达到设计蓄冰量时可以提前结束蓄冰。2)主机与蓄冰装置联合供冷模式（8:00—16:00）100％设计日的负荷比较大，此时段系统切换到基载主机、双工况主机与蓄冰装置联合供冷模式。为确保系统高效运行，在设计日白天采用了主机优先和融冰优先灵活组合的方案，此运行策略的优势如下：由于基载主机在运行供冷工况时，蒸发器工作温度相对三工况机组要高，相应其能效比也稍高于三工况机组。为节约系统运行费用，优先开启高能效比的两工况基载制冷主机满足部分空调负荷。根据空调负荷的实际变化情况决定三工况机组是否需要开机。经过测算，在空调负荷最高的下午14:00~15:00这一个小时内以主机优先的控制模式运行一台三工况机组。白天供冷其余时段内开启1台两工况机组供冷，不足部分由融冰满足，运行融冰优先的控制模式。本工程一期100％设计日全天空调负荷总量为63400kWh，扣除两工况基载地源热泵机组全天8小时供冷总量21616kWh，则三工况地源热泵机组以及蓄冰装置需要满足的全天负荷总量约41784kWh，而蓄冰装置的总潜热蓄冷量为40082kWh，已经接近全天负荷总量（基载制冷主机冷量扣除），这意味着雷电院一期空调冷源系统可以以接近全量蓄冰的模式运行供冷。如以全量蓄冰、全量融冰模式运行供冷，则必须考虑蓄冰装置融冰速度的问题。因蓄冰盘管的融冰速度在某设定流量和出口温度下有一个上限，在融冰温度为3℃时（板换冷侧设计进口温度）最大融冰速度大约是总蓄冰量的12～14％（视系统设计流量的不同而有所差异，假定按照12％确定最高融冰速度，即本系统蓄冰盘管小时最大融冰量约1325RT，约合4810kW。）按照拟定的运行策略，本系统需要蓄冰装置提供的最高融冰速度为6288kW，约占总蓄冰量的15.69%，即超出了蓄冰装置出口设计温度为3℃时蓄冰装置可以达到的最快融冰速度，为此必须提高此时供冷板式换热器乙二醇侧的设计进口温度。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℃）分别计算了板换运行的对数平均温差和所需的换热面积，在两个数据中取不利者，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。根据目前拟定的运行策略，不难发现，夏季系统运行供冷工况时，集中向地下排热时段主要在夜间低谷电时段内，由于主机运行制冰工况时，蒸发器冷量因出口温度下降有39.2％左右的下降（根据主机选型参数），加上制冷主机压缩机输入的电功率，此时系统排热量有大幅下降，有利于地埋管系统换热。而通过提高供冷板换乙二醇侧的进口温度（运行过程中通过自控系统进行参数设置），充分提高了蓄冰装置的融冰速度，在最大程度上减少了地源热泵机组的运行数量和运行时间，相应大量减少了地源热泵机组通过地埋管系统向土壤的排热量，大幅改善了地埋管系统的换热运行工况，有利于系统稳定、可靠运行。目前的空调负荷中已经考虑了工艺冷却系统的日间最大负荷，考虑到工艺冷却系统运行时间的不确定性，可以在工艺冷却系统夜间供冷的时候开启基载地源热泵机组。100%设计冷负荷空调系统冷量逐时平衡表单位：kW时段100％负荷主机制冰基载主机供冷双工况主机供冷融冰供冷0:00-1:0049271:00-2:0049272:00-3:0049273:00-4:0049274:00-5:0049275:00-6:0049276:00-7:0049277:00-8:0049278:00-9:006150270234489:00-10:0068602702415810:00-11:0072152702451311:00-12:0079252702522312:00-13:0086352702593312:00-14:0089902702628814:00-15:00970027022702429615:00-16:0079252702522316:00-17:0017:00-18:0018:00-19:0019:00-20:0020:00-21:0021:00-22:0022:00-23:0023:00-0:003.275％设计日负荷运行策略当冷负荷为设计负荷的75%时，在0:00-8:00为苏州市电力低谷时段，该时段系统自动运行双工况制冷主机制冰模式。3台三工况主机在制冰工况下满负荷运行，全力制冰，蓄冰装置内蓄冷量达到11400RTH时蓄冰工况停止。白天供冷的8:00-16:00期间，系统运行基载制冷主机与蓄冰装置联合供冷模式，满足系统要求。冰蓄冷空调运行方式如下图所示，负荷平衡情况参见附后的《75%设计冷负荷空调系统冷量逐时平衡表》。1)三工况主机制冰模式（0:00—8:00）此时段的运行模式与100%设计日负荷状态下相同。2)融冰单独供冷模式（8:00—12:00，15:00—16:00）此5小时内空调负荷均由融冰满足，根据具体负荷数据，最高融冰速度约5944kWh，出现在上午11:00~12:00以及下午15:00~16:00，并未超出100％设计日空调负荷运行策略中拟定的最高融冰速度。3)基载制冷主机与蓄冰装置联合供冷模式（12:00—15:00）此负荷状态下白天供冷时，系统切换到基载主机与蓄冰装置联合供冷模式。为确保系统高效运行，在设计日白天采用了融冰优先供冷（三工况机组停止运行）的方案，此运行策略的优势如下：为节约系统运行费用，同样优先开启相对高能效比的基载两工况制冷主机满足部分空调负荷。白天供冷均采用了融冰优先的模式，在融冰速度符合要求的前提下，大量减少了主机的开启时间和投运数量，大幅减少了向地下换热系统的排热量，有利于地埋管系统稳定可靠运行。75%设计冷负荷空调系统冷量逐时平衡表单位：kW时段75％负荷主机制冰基载主机供冷双工况主机供冷融冰供冷0:00-1:0049271:00-2:0049272:00-3:0049273:00-4:0049274:00-5:0049275:00-6:0049276:00-7:0049277:00-8:0049278:00-9:00461346139:00-10:005145514510:00-11:005411541111:00-12:005944594412:00-13:0064762702377413:00-14:0067432702404114:00-15:0072752702457315:00-16:005944594416:00-17:0017:00-18:0018:00-19:0019:00-20:0020:00-21:0021:00-22:0022:00-23:0023:00-0:003.350％设计日负荷运行策略当冷负荷为设计负荷的50%时，夜间低谷电期间的运行模式同上。白天供冷8:00-16:00期间，系统同样采用最经济节能全量融冰模式运行（白天全部冷量均由蓄冰装置满足）。全部地源热泵制冷主机均不运行。冰蓄冷空调运行方式如下所示，负荷平衡情况参见附后的《50%设计冷负荷空调系统冷量逐时平衡表》。1)三工况主机制冰模式（0:00—8:00）此时段的运行模式与100%设计日负荷状态下相同。但是由于目前系统配置蓄冰装置的总蓄冰量已经超过50％设计日空调负荷状态下的全天负荷总量，可以用全量融冰的运行模式在日间供冷。但是由于蓄冰装置留有余量，因此应该根据日间空调负荷总量及时调整夜间低谷电期间的总蓄冰量，根据上图可知，在夜间低谷电期间前5个小时运行3台三台地源热泵机组全力制冰，在随后的2个小时内运行2台三工况地源热泵机组运行蓄冰模式。这样的运行策略的优势在于：全量融冰的运行模式最为经济节能，完全不利用日间电价较高的峰电，在最大程度上降低了系统运行费用。因地制宜的根据本项目配置实际情况，在保证日间可以用最为经济节省的全量融冰模式运行的前提下，适当调整了地源热泵机组夜间运行的时段长度以及投运机组的数量，减少了地源热泵机组向地下土壤的排热量，有利于地埋管系统可靠稳定运行。2)融冰单独供冷模式（8:00—16:00）此8小时内空调负荷均由融冰满足，根据具体负荷数据，最高融冰速度约4850kWh，出现在下午14:00~15:00，并未超出100％设计日空调负荷运行策略中拟定的最高融冰速度。50%设计冷负荷空调系统冷量逐时平衡表单位：kW时段50％负荷主机制冰基载主机供冷双工况主机供冷融冰供冷0:00-1:0049271:00-2:0049272:00-3:0049273:00-4:0049274:00-5:0049275:00-6:0032856:00-7:0032857:00-8:008:00-9:00307530759:00-10:003430343010:00-11:003608360811:00-12:003963396312:00-13:004318431812:00-14:004495449514:00-15:004850485015:00-16:003963396316:00-17:0017:00-18:0018:00-19:0019:00-20:0020:00-21:0021:00-22:0022:00-23:0023:00-0:003.425％设计日负荷运行策略当冷负荷为设计负荷的25%时，夜间低谷电期间的运行模式同上。白天供冷8:00-16:00期间，和50％设计日负荷状态相同，系统在白天供冷期间同样采用最经济节能的蓄冰装置单独供冷工作模式。全部地源热泵制冷主机均不运行。冰蓄冷空调运行方式如下所示，负荷平衡情况参见附后的《25%设计冷负荷空调系统冷量逐时平衡表》。1)三工况主机制冰模式（0:00—8:00）此时段的运行模式与100%设计日负荷状态下相同。但是由于目前系统配置蓄冰装置的总蓄冰量已经超过25％设计日空调负荷状态下的全天负荷总量，可以用全量融冰的运行模式在日间供冷。但是由于蓄冰装置留有余量，因此应该根据日间空调负荷总量及时调整夜间低谷电期间的总蓄冰量，根据上图可知，在夜间低谷电期间前5个小时运行2台三台地源热泵机组全力制冰。这样的运行策略的优势在于：全量融冰的运行模式最为经济节能，完全不利用日间电价较高的峰电，在最大程度上降低了系统运行费用。因地制宜的根据本项目配置实际情况，在保证日间可以用最为经济节省的全量融冰模式运行的前提下，适当调整了地源热泵机组夜间运行的时段长度以及投运机组的数量，系统本也可以选择3台机组以更短的时间运行制冰工况，但是相对于只采用2台主机运行的方案仍然增加了地埋管系统的换热负荷。2)融冰单独供冷模式（8:00—16:00）此8小时内空调负荷均由融冰满足，根据具体负荷数据，最高融冰速度约2425kWh，出现在下午14:00~15:00，并未超出100％设计日空调负荷运行策略中拟定的最高融冰速度。25%设计冷负荷空调系统运行状态表单位：kW时段25％负荷主机制冰基载主机供冷双工况主机供冷融冰供冷0:00-1:0032851:00-2:0032852:00-3:0032853:00-4:0032854:00-5:0032855:00-6:006:00-7:007:00-8:008:00-9:00153815389:00-10:001715171510:00-11:001804180411:00-12:001981198112:00-13:002159215912:00-14:002248224814:00-15:002425242515:00-16:001981198116:00-17:0017:00-18:0018:00-19:0019:00-20:0020:00-21:0021:00-22:0022:00-23:0023:00-0:004.冬季供暖运行方案本工程冬季采暖尖峰负荷为4700kW，采暖热源为三工况地源热泵机组和两工况基载地源热泵机组，根据目前地源热泵机组的实际配置情况，系统内最多开启两台地源热泵机组供暖即可满足采暖负荷需求。在运行冬季供暖工况时，基载制冷主机蒸发器冷量通过管道切换直接送入垂直地埋管系统与土壤进行换热，冷凝器热量同样经管道切换由冷热水泵输送至空调末端系统释放热量，满足建筑物各区域房间内环境温度要求。而三工况制冷主机运行供热工况时则必须通过冰蓄冷系统的板式换热器，在供冷板式换热器内由低温载冷剂25％浓度乙二醇溶液与垂直地埋管系统的循环冷却水进行换热，将冷量传递至地下土壤。不难发现，此时基载制冷主机蒸发器冷量的释放流程更加简洁，能量传递环节少，并且传热介质的传热能力较之乙二醇溶液更好，因此在运行供热工况时，同样应优先开启两工况基载地源热泵机组运行制热工况。冬季供热工况的运行较为简单，根据拟定的冬季采暖逐时负荷以及地源热泵的制热能力，可知在100％设计日负荷状态下，全天开启一台地源热泵机组和一台三工况水源热泵机组即可满足采暖负荷要求，地源热泵机组自行根据冷凝器出口温度的设定进行能量调节，及时响应采暖负荷的变化情况。在75％设计日负荷状态下，日间供热时段8小时中的前4小时，开启一台地源热泵机组和一台三工况水源热泵机组即可满足采暖负荷要求，之后的4小时只需开启一台两工况基载地源热泵机组即可满足采暖负荷需要。50％以及25％设计日采暖负荷状态下，只需开启一台两工况基载地源热泵机组即可满足采暖负荷需要。六．地埋管系统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运行方法分析地埋管系统关键节点的施工工艺详参施工组织设计地埋管系统的运行、维护管理说明地埋管系统的故障诊断及处理方法

1总体布局篇Systemconfiguration1区域划分说明按照甲方提供的设计图纸，我公司将1100口地热井分成11个区域A、B……K区，每个区域100口井，并为了使各区至机房的管路阻力平衡将11个小区合并为5个大区，详见地热换热器平面设计总图。在11个小区中，精心布置分集水器的位置，使每个小支路尽量同程，有利于均衡各个环路的流量并使阻力损失相同。在5个大区中也合理选择进出水管径，最终达到系统阻力损失平衡。下图显示了地埋管的分区情况，按照A+B（200孔）、C+D（200孔）、E+F（200孔）、G+H（200孔）以及I+J+K（300孔）的合并方式将11个小区并为5个大区。这样进行合理分区的优势为：我司垂直地埋管的主要设计参数符合此次招标文件要求，地埋管的间距为6m，采用平行四边形布置，每相邻两根地埋管的间距均为6m。地埋管所占区域基本和招标建议的区域相同，没有占用场地内东南角为二期预留的施工预备场地。均充分利用了建筑物之间的间隙进行垂直管布置，地埋管和建筑物基础之间的距离最少达到3m，在垂直地埋管施工时，对建筑物不会产生任何影响。我司目前确定的11个小区内所包括的垂直地埋管的数量完全相同，对应设计流量相同，各路水平支管的管径基本相同，对实现同程等水力平衡措施有利。根据招标文件要求，总数多达1100孔的垂直地埋管系统必须进行区域划分，分为几组接入地源热泵机组，以避免在水平管道出现故障时导致系统全部瘫痪。目前已经按照就近集中原则划分了11个小区，假设将11个地埋管小区的水平干管全部独立施工并接入地源热泵机组，对应的水平管道投资以及土方开挖量增加过多，并且在机房内的地埋管冷却水分集水器上需要连接过多的管路，管理并不方便，基于以上考虑，我司认为应当适度将11个小区的水平干管进行集中。经过对地埋管11个小区具体定位的分析，我们发现地源热泵机组所在机房接近地埋管系统11个小区形成圆弧的圆心处，再结合适当集中地埋管区域的原则，我们依照圆弧区域的分布，将相邻的两个小区（到达圆心处的距离相仿）合并为一个大区，根据以上分析，最终确定了划分为5个大区来进行水平管敷设的总体布局方案。2地埋管小区内分集水器定位说明在每个小区内，垂直地埋管之间以及并联的水平管道之间均为同程关系，对于每孔垂直地埋管，沿着水流方向，在单组水平管和垂直孔之间第一个接点至最后一个接点均走过距离a，并且此段水平管不变径，确保了垂直孔之间的水力平衡。水平管道接到分集水器的时候，同样按照同程方式接管，水平管道接至与之垂直的水平管道（接入分集水器）时，从第一个接点至最后一个接点均走过距离b，同样不变径。要实现这样的全同程水力平衡措施，对单独小区的分集水器的定位有一定要求，目前我们采取分集水器斜对角布置的方式，轻松解决了这个问题，实现了垂直孔与水平管的全同程设计理念。

2可靠性分析篇SystemReliabilityAnalysis1综述对地埋管系统的可靠性分析是此次深化设计的重点，基本思路为：根据在招标文件中已经拟定的与地埋管系统设计相关的各项参数，结合苏州地区夏季供冷以及冬季供暖的实际情况（实际运行天数与温度场分析报告中并不完全相同），分析地埋管系统运行的可靠性。影响到地热换热器设计长度的因素很多，包括：冷热负荷比、当地岩土导热系数、钻孔间距、钻孔半径、钻孔回填料导热系数、U型管结构（管径与支管间距）等。本深化设计方案在山东建筑大学前期研究成果的基础上，利用解放军理工大学工程兵工程学院浅层地能勘测报告与山东建筑大学自行开发的竖直埋管地热换热器专用设计软件“地热之星”，针对中航雷达与电子设备研究院苏州新区生产实验基地地源热泵空调工程项目，对解放军理工大学所作的地源热泵的设计及模拟分析进行校核，以得到针对本项目的比较优化的方案设计。2地下热交换器校核及优化设计依据2.1钻孔柱状图（图1）2.2解放军理工大学提供的岩土热物性及相关计算参数（表1）材料项目参数土壤土壤类型普通粘土平均导热系数1.18W/(m.K)0至-5m处考虑地表水影响的计算导热系数1.50W/(m.K)-64至-66.5m处考虑地下水影响的计算导热系数2.36W/(m.K)平均比热1392.01J/kg.K平均密度2230kg/m3恒温层平均原始地温19.65℃2.3规范及业主提供重要参考1、《地源热泵技术工程规范》GB50366-20052、《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》CJJ101-2004；3、《中航雷达与电子设备研究院苏州新区生产基地水文地质报告》4、《地源热泵垂直埋管土壤温度场数值模拟、管群布置与经济分析研究报告》5、业主提供的《浅层地能勘测与评估报告》3空调冷热负荷分析地源热泵空调系统的热惰性大和运行周期长的特点，决定了系统的性能以及配置不仅取决于建筑的极值负荷，也与系统全年的运行状态以及冷热负荷的平衡有很大的关系。因此在本设计方案中一方面参考招标文件提供的空调采暖极值负荷，另一方面又根据苏州的气象条件及实际使用空调的时间采用负荷比例法计算供热空调系统的逐月累计负荷，以便采用“地热之星”针