某药厂地源热泵水蓄冷 (热)空调系统设计

2011-08-03石玉香尚海亮

制冷 2011年3期

石玉香,尚海亮

(1.南京交通职业技术学院,南京211188;2.江苏凤凰国际文化中心,南京210009)

1 工程概况

药厂设置空调部分为制剂车间、原料药车间和办公楼三部分,空调建筑总面积约为11600m2,空调总冷负荷为4450kW。其中制剂车间空调冷负荷为3600kW,原料药车间空调冷负荷为200kW,办公楼空调冷负荷为650kW。总热负荷为2900kW。

由于建筑周围有较大面积的空地,并考虑合理利用峰、谷电价的差值来实现节能运行,本设计采用地源热泵系统与水蓄冷 (热)系统相结合的方式对空调建筑进行供冷、供热,同时回收部分机组排热来加热生活用水。该地区分时电价如表1所示。根据指标计算得出的空调负荷,估算出各时段中建筑的逐时冷、热负荷值,表示于图1中。

表1 地区分时电价 (元/kWh)

图1 空调负荷估算值

2 水蓄冷 (热)系统设计

水蓄冷 (热)空调系统采用部分蓄冷 (热)的形式,即利用低谷电时段储存的冷 (热)量来部分削减高峰时段的冷 (热)负荷。本设计中,夜间低谷电时段的蓄冷 (热)量约占设计日总冷 (热)量的20%。根据图1,计算出100%负荷设计日总冷量Qd,l=50 000kWh,总热量Qd,r=33727kWh。则蓄冷量约为20%Qd,l=10 000kWh,蓄热量约为20%Qd,r=6 745kWh。蓄冷运行温度为4℃/12℃,蓄热运行温度为45℃/60℃。

2.1 水槽体积、设备型号的确定

按照100%设计日冷负荷的估算值来确定蓄水槽体积和设备型号。采用带热回收型满液式水源螺杆热泵机组。选择两台型号为TWSF-0340.2-BG1-R的水源热泵机组来承担夜间向水槽蓄冷时的冷量,每台机组的制冷量为 1171kW,制热量为944kW;另选一台型号为TWSF-0270.1-BG1-R、制冷量为932kW、制热量为751kW的机组承担正常工作的负荷。夜间用两台制冷量为1171kW的机组同时蓄冷5.5小时,实际蓄冷量Qst=12 881kWh。在100%负荷运行时,蓄冷量可部分承担11小时的尖峰负荷。

蓄冷水槽的实际体积由实际蓄冷量计算得出,则蓄冷水槽的体积为1620m3。

蓄冷 (热)、释冷 (热)水泵均采用管道循环泵。根据水源热泵机组的换热器水流量,选择三台型号为TP150-340/4的水泵作为蓄冷 (热)水泵,水泵与热泵机组一一对应。

释冷 (热)水泵则根据蓄冷 (热)水槽释冷时的最大流量来选择。水槽释冷泵总流量的最大值经计算为226 m3/h。由于蓄冷槽与空调末端距离较远,释冷水泵的流量和扬程应比计算值稍大。根据qv值,同样选择一台型号为TP150-340/4的管道循环泵作为释冷水泵。

2.2 总冷负荷运行策略

每年系统制冷时间是180天,夜间电力低谷时段用两台型号为TWSF-0340.2-BG1-R的水源热泵机组蓄冷5.5小时,将水槽蓄满;蓄冷时段的冷负荷由一台型号为TWSF-0270.1-BG1-R的机组承担。在蓄冷时段之外,100%冷负荷时,蓄冷量可以部分承担10小时的高峰冷负荷,其余冷负荷由两台型号为TWSF-0340.2-BG1-R的机组同时承担;80%负荷时,蓄冷量可以部分承担13小时的高峰冷负荷,其余冷负荷由两台型号为TWSF-0340.2-BG1-R的机组同时承担;60%冷负荷白天运行时,蓄冷量可以部分承担11小时的高峰冷负荷,其余冷负荷由一台型号为TWSF-0340.2-BG1-R的机组承担;30%冷负荷时,蓄冷时段外的其余冷量同样由型号为TWSF-0270.1-BG1-R的机组供给。

采用水蓄冷系统,每年可以减少29.31万kWh的高峰用电,减少9.21万kWh平段用电量,增加39.08万kWh低谷用电量。此项目机房预计每年夏季供冷耗电量约103.02万kWh,水蓄冷空调比常规空调每年夏季可节省运行费用约23.35万元。

图2 100%冷负荷平衡图

2.3 蓄热运行策略

系统夜间的蓄热量同样占总供热量的20%左右。夜间采用两台型号为TWSF-0340.2-BG1-R、制热量为944kW的机组蓄热4小时,蓄热量Qst=7 552kWh,可部分承担13小时 (100%负荷)、14小时 (80%、60%负荷)、11小时 (30%负荷)的高峰负荷。蓄热时段由型号为TWSF-0270.1-BG1-R、制热量为751kW的机组向建筑供热,其余时段根据负荷不同选用一台或两台型号为TWSF-0340.2-BG1-R的机组供热。

图9 30%热负荷平衡图

3 地源热泵系统设计

采用供暖蓄热系统,每年可以减少20.1万kWh的高峰用电,减少16.7万kWh平段用电量,增加39.91万kWh低谷用电量。此项目机房预计每年夏季供热耗电量约57.35万kWh,蓄热空调比常规空调每年冬季可节省运行费用约20.02万元。全年水蓄冷 (热)型地源热泵机房比常规地源热泵机房可节约运行费用43.37万元。

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能源竖井中的换热管采用DN32的PE管。根据该地区土壤测试结果,夏季能源井的换热指标约为75W/m,冬季的换热指标约为56W/m。能源井深为80m,则夏季每口井的放热量为6kW,冬季每口井的取热量为4.5kW。根据以上分析,机组需要承担的冷、热负荷最大值分别为2342kW、1800kW。计算得出夏、冬季系统需要的换热井数分别为390口、400口,设计中取二者中的较大值。

充分利用建筑周边的空地以及建筑内部的地面来布置能源井,相邻两换热井的间距尽量取为5m。为了保证通过能源井的水与土壤充分换热,相邻能源井的间距不得小于4m。

4 水蓄冷 (热)系统运行方式

水蓄冷 (热)是将水作为储能介质,夜间储存利用低谷时段电力制取的冷 (热)量,白天用来供冷(热)的空调技术。空调水系统流程原理见图10。

图10 空调水系统流程图

它有四种工作模式:

模式1:水槽蓄冷 (热)+机组供冷 (热)。

此时机组满液式水源螺杆热泵机组RB-1提供冷量给末端用冷户,机组RB-2、RB-3给水槽蓄冷,空调用户循环水泵BP-1、BP-2、BP-3和地源循环水泵BP-5、BP-6、BP-7正常工作,蓄冷 (热)水槽XS-1也运行,用于蓄冷 (热)水槽释冷 (热)时使用的板式换热器HR-1、HR-2、释冷 (热)泵BP-8和空调用户循环水泵BP-4都关闭。

模式2:水槽释冷 (热)+机组供冷 (热)。

此时机组满液式水源螺杆热泵机组RB-2、RB-3提供冷量给末端用冷户,随用户的负荷变化选择工作,机组RB-1关闭。空调用户循环水泵BP-2、BP-3从给水槽蓄冷 (热)切换到用户供冷状态,和地源循环水泵 BP-6、BP-7正常工作,BP-1、BP-5关闭。水槽通过板式换热器提供冷量给末端用户。

此时水槽通过板式换热器提供冷量给末端用户,由空调用户循环水泵BP-4构成冷冻水循环,释冷 (热)泵BP-8构成水槽和板式换热器循环。

模式4:机组供冷 (热)。

此时满液式水源螺杆热泵机组RB-2、RB-3随用户负荷的变化提供给用户,相应的空调用户循环水泵BP-2、BP-3和地源循环水泵BP-6、BP-7也正常工作。

在各模式下阀门的关闭情况如下:

(1)模式1阀门的关闭情况如表1。