摘要：太陽能光伏電池工廠冷熱負荷相差較大且系統連續運行時間很長，必須要考慮采用輔助排熱的手段，以保證地源熱泵系統安全穩定的運行。本文結合工程設計實例，介紹地埋管地源熱泵中央空調系統在大中型電子工業潔凈廠房工程項目中的應用。
關鍵詞：地源熱泵 地埋管換熱器 太陽能光伏 潔凈廠房
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
在國家節能減排政策的推動和鼓勵下，地源熱泵系統在國內各大小工程中逐步應用開來。隨著技術越來越成熟，加之各不同地區設計經驗越來越豐富，地源熱泵系統的節能效果也愈加明顯。
但是地埋管式地源熱泵一般應用在負荷總量不大、季節變化明顯的地區效果較好，在民用建筑中應用較多，在大中型電子工業潔凈廠房工程項目中應用較少，亦無相關齊全的設計資料可供參考。鑒于此，對已建成并投入使用的某太陽能光伏電池生產廠的地源熱泵系統進行分析，希望能夠對其他相同或類似工程有所借鑒。
1 工程介紹
本項目為光伏太陽能電池片工廠，位于江蘇省泰州市，占地面積7294m2，建筑面積 8 062m2，建筑高度10 m。生產部分為鋼結構，1層內部潔凈為8級和7級，附屬辦公用房為混凝土框架結構，2層舒適性空調。
2 負荷統計及分布規律
由于太陽能電池廠內部設備發熱量且新風量均較大，相比較而言，圍護結構冷、熱負荷只占總負荷極少的部分，故平均冷、熱負荷指標可以達到700 w/m2和300 w/m2。而且電池廠還有一個顯著的特點，就是有許多潔凈的內區發熱以及許多生產設備四季都需要使用工藝冷卻水，故冬季仍然需要制冷。
經計算，本工程夏季最大冷負荷出現在7月，為6 817 kW（含560 kW工藝冷卻負荷），且6～9月負荷相差不大（均在10%以內），冬季最小冷負荷為944 kW（含560 kW工藝冷卻負荷）；冬季最大熱負荷出現在1月，為3 296kW。
3 冷熱源方案
3.1 負荷分析
冷負荷由2部分組成，空調冷負荷及設備工藝冷卻負荷。其中空調負荷隨室外溫度會相應變化，而工藝冷卻負荷是用來冷卻生產設備內部的發熱器件以維持其正常使用的，不隨溫度而變化，此負荷四季恒定，數據由設備資料提供。工藝冷卻系統供/回水水溫為18℃/25℃，是由板式換熱機組與7℃/12℃冷水換熱制得。
3.2 空調介紹
整個潔凈生產區域采用新風獨立空調加組合式空調的形式，新風經單獨處理后與回風混合后進入組合空調箱，然后送入室內。送風末端采用高效過濾風口以保證室內的潔凈度。附屬辦公用房空調采用風機盤管加新風機組形式，滿足室內舒適性即可。
3.3 主機選型
本工程由業主決定采用地源熱泵系統，經分析決定由冬季熱負荷確定地埋管打孔數量，夏季制冷量不足部分由離心式冷水機組加冷卻塔提供。最終采用2臺雙冷凝器地源熱泵機組（單機冷量1 430 kW）、1臺地源熱泵機組（單機冷量1 430 kW）和1臺離心式冷水機組（2 637 kW）組合。每臺雙冷凝器地源熱泵機組其中一個冷凝器也配有冷卻塔，用于夏季輔助排熱，另一個冷凝器可以向地埋管排熱或作為制冷熱回收器使用。
4 地埋管換熱器方案
4.1 換熱器基本參數
室外共鉆孔923個，孔深70 m，孔距保持在5 m，水平管埋深2 m，孔內采用雙U形地埋管。根據地下熱響應實驗結果，夏季散熱能力為：進水35℃時每延米散熱量61.2 w，冬季取熱能力為：進水7℃時每延米取熱量41.6 w。地下測試穩定階段，土壤平均溫度17.5℃。
4.2 地埋管換熱器運行分析
光伏工廠的生產按照每天3班24 h運轉，按照常規運行策略，土壤的冷/熱聚積將會很大，長久運行必然會對系統造成不利影響。由于廠區室外可供埋管區域較大，經過與業主協商，本項目將室外地埋管區域均分為3地塊，平時運行最多使用2塊埋管區，根據埋管區回水溫度控制3地塊輪流運行。夏季排熱量最大時，僅使用1塊埋管區，其余均使用冷卻塔散熱。
4.3 地下土壤溫度模擬
以鉆孔布置為5 m×5 m 時為例，鉆孔的布置及各個鉆孔的編號如圖所示。鉆孔直徑為130 mm，孔間距為5 m，認為管群30 m以外的區域不受換熱的影響，為土壤的初始溫度。本項目中土壤的初始溫度取17.5℃，土壤的導熱系數取1.8/m.K，密度取1 925 kg/m3，比熱取2 300J/kg.K。
本次取地下埋管制熱運行5個月以及制冷運行5個月的土壤溫度分布云圖，以及連續運行5年的地下土壤平均溫度變化曲線作為地下埋管設計的最終校核依據。
根據模擬結果，連續運行5年后管群周圍土壤平均溫度升高了0.5℃。可見，經過5年的運行，土壤的平均溫度發生變化很小，可忽略熱平衡問題。
5 結論
本工程2010年底完工并投入生產，目前已運行1年以上，效果良好。根據現場實測數據，能耗較傳統的采用水冷機組+熱水鍋爐的電池生產廠房節能達10%。由于本工程制冷量遠大于制熱量且制冷周期長，所以2種方式的能耗比值看似不明顯，但是節能總量巨大，從長遠看其經濟利益仍然十分可觀。
在冷熱負荷相差較大且連續運行時間很長的項目中，地下埋管連續長時間排熱/取熱，會造成大量的熱量/冷量聚積，使得系統偏離設計工況，嚴重時會導致系統停機。所以必須要考慮采用輔助取/排熱手段（如配置輔助冷卻塔和放大地埋管換熱器裕量），以保證系統安全穩定的運行。
參考文獻
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[2] 刁乃仁，方肇洪.地埋管地源熱泵技術[M]. 北京.高等教育出版社.2006
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