220地源热泵技术在Energybus系统中的应用

地源热泵技术在Energybus系统中的应用同济大学宋应乾龙惟定上海誉德建筑设计工程有限公司郁华斌丁俊杰摘要：介绍了基于地源热泵的Energybus系统的构成、特点及管网的设计与优化,指出Energybus系统具有良好的节能减排效果，是一种很有前途的区域供冷供热技术。关键词：Energybus地源热泵管网设计1前言Energybus（即能源总线）就是将来自于可再生能源或其他形式的低品位能源的热源（或热汇）水，通过输配管网运送到用户。在用户端，由Energybus来的水作为水源热泵的热源（或热汇），经换热后回到源头，或排放（地表水）、或循环再次换热（通过换热器与各种“源”和“汇”耦合）、或回灌（地下水）。根据当地资源条件，Energybus的“源”和“汇”可以不止一个；用户也有多种形式，可以是建筑、建筑物的每一层楼、住宅套房，甚至可以是每间房间。[1]地源热泵技术是利用地表以下一定深度范围内（一般指恒温层至200米埋深）、温度低于25℃的浅层地热进行能量转换的空调系统。由于地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，使得地表浅层的地热能源埋藏浅、分布广泛，资源丰富，温度稳定，可持续利用，具备很好的开发利用价值。因此，基于浅层地热能利用的地源热泵系统具有绿色环保、高效节能、运行成本低等特点。将地源热泵技术应用在Energybus系统中所形成的Energy-Bus近端网式系统是一种分布式冷却水系统，是区域供冷供热（DistrictHeatingandCooling,简写为DHC）的一种新形式，可比采用冷却塔方式节省大量占地面积和淡水资源，避免漂水、噪音和细菌等问题，且机组的性能系数可提高约20%，大大节约能耗，符合国家节能减排的政策。同时，它可以结合项目所在地自然条件和项目负荷特点，在经过论证可行的条件下选择采用水蓄冷技术等先进能源利用技术或可再生能源利用技术来降低电力供应压力和天然气供应压力，减少各单体建筑的空调系统的配电容量，减少空调系统能源消耗和污染物排放，降低空调排热造成的热岛效应，具有极大的节能减排示范意义。2Energybus近端网式系统的结构Energybus近端网式系统由集中能源中心和次级能源中心组成（如图1所示）。集中能源中心通过将分散的地源埋管用环网技术相互连接，使得分散布置的能源站可以和分散布置的地源埋管相互联络，相互依存，使得地源井布置十分灵活。采用这种技术，充分解决了在大规模区域集中供冷供热项目中，由于可埋管土地面积分散而无法有效综合利用的问题。同时也使得能源站的布置非常灵活，其建设进度和规模也可以随区域规划的进度灵活调整。由此带来的最大好处是，通过前期有效的规划和设计，可以将能源站分散布置和建设，使得单个能源站辐射的半径大大缩短，从而减少了水泵输送能耗和管网的冷热损失。每个次级能源中心采用地源热泵+冷水机组＋水蓄冷的能源形式。次级能源中心的冷热源有两种形式：（1）一部分由自身次级能源中心内的地源热泵和水蓄能提供，另一部分由在次级能源中心外所建设的集中能源中心通过提供Energybus环路提供（如图1中的1号、2号能源站）；（2）全部从Energybus环路根据一定的运行策略按需抽取到次级能源中心，作为其冷热源（如图1中的3号能源站）。能源站选取时要便于能源输送系统的设计，且每个能源中心的位置距离各自供能区域的位置要相对较近，便于能源的传送引入。2图1Energybus技术示意图3Energy-Bus近端网式系统的特点Energy-Bus近端网式系统的能源分配方案具有以下特点：（1）媒介水与室外环境间温差远小于常规集中区域供冷供热，可以大幅度地减少管道输送热损失，同时节省了管道保温材料的投资；（2）集中能源中心集中对整个区域的能源进行分配，使得不同地块土壤具有分时恢复能力，有效平衡了地热，保证土壤的持续取热、放热能力。同时，在集中能源中心之外还可以集中设置冷却塔，有利于地块整体环境规划，保证在有限的能源资源下整个系统的安全可靠；（3）次级能源中心只需设置相应的热泵和动力输送设备，大大降低了能耗。4Energybus管网设计管网设计与优化是Energybus系统的关键技术，是决定其节能高效运行的基本保障。4.1Energybus地下土壤换热器管网设计Energybus近端网式系统的地下土壤换热器管网主要有两种形式：（1）多井并联枝状管网如图2所示，若干个U型埋管由主干管并联连接，根据U型埋管数量大小，主干管由粗到细，形成树枝状。图2多井并联枝状管网（2）多组并联管网对于钻孔数量较多，地埋管管群较大的系统，如采用枝状管网连接，将会出现水平主干管管径较粗，循环环路较大等问题。尤其是对于一个由大量并联U型埋管组成的循环水系统，其运行的可靠性和调节功能会大大下降。因此，工程上对较大型U型埋管系统常采用多组并联管网（如图3所示）。3图3多组并联管网连接示意图将U型埋管管群分成若干组，每组有一定数量的U型埋管构成独立的地热换热器系统。每组中的U型埋管作并联同程连接。各组水平干管直接与分、集水器相接，从而形成多组并联管网。多组并联管网的优点是：（1）便于分组调控，提高了地埋管循环系统的可靠性。与枝状管网相比，多组并联管网需要耗用更多的水平埋管，但大大减少了枝状管网中连接所需要的大量管件。管件接点的减少，并联支路的增多，可以提高多组并联管网的可靠性；（2）可以使用更小管径的管道和连接件，从而降低造价，减少现场工作量；（3）各并联环路相互独立，既可以在必要时轮换运行，又能够在系统检修或冲洗时选择性地关闭其他环路，仅开启某一个环路，使运行管理与检修工作更容易、方便。4.2Energybus输配系统设计Energybus系统是通过地下换热器管网将地源水（冷却水）集中以后送入集中能源中心，由集中能源中心将汇集的冷却水送入Energybus环路，各次级能源中心根据需要从Energybus环路中抽取所需水量送入热泵机组来制取冷冻水再分别送给用户的，原理如图4所示。图4Energybus系统原理图1：土壤换热器2：地源一次泵3：冷却水环路（Energybus）4:地源二次泵5：热泵机组（冷冻水生产中心）6：空调一次泵7：蓄能水池8：空调二次泵9：集水器10：分水器11：空调三次泵（远端用户增设）12：板式换热器13：用户侧泵14：用户一15：用户二16：用户三（远端用户）17：用户端（单体建筑群）18：能源站4地源管网采用二次泵系统。其中，一次水泵用来克服土壤换热器环路和地源热泵机组的压力损失，同时向Energybus管网输水。而二次水泵用来克服Energybus管网输送的压力损失。空调水管网也选用二次泵系统（远端设置三次泵），这种系统实际上是一次泵系统和二次泵系统的结合，可以灵活调节机房主机和水泵的运行，适应各种工况的变化，保证主机的正常运行，稳定系统的流量，同时简化系统的控制和调节，也可用于调质运行。其中，一次泵用来克服制冷机房内部冷水循环的压力损失，二次泵用于克服主管网和蓄冷水池释冷时冷水循环的阻力。另外，由于资用压头充分，近端用户可以直接通过用户侧泵使用冷冻水，而远端用户由于沿程损失较大，没有足够的资用压头，则需要通过增加空调三次泵来进行输送，三次泵主要用来克服远程输送时的沿程损失。Energybus环路的主管道可采用钢管无保温直埋，但外表面需采取防腐综合措施。干管采用环状布置，可以减小管径，降低管网阻力，节省冷冻水输送电耗，同时有很好的水力平衡能力，使冷冻水供应稳定可靠，用户取冷方便，有利于将来的分期接入和扩展，也能减少主管道故障对用户的影响。空调水输送则需采用保温直埋钢管，可采用聚氨酯发泡保温，外套PE保护管。空调水输配管网系统干管采用枝状布置。空调供回水管网要根据市政规划要求，尽量避免与市政规划管线冲突。4.3Energybus用户接入口设计用户入口装置采用1℃温差的板式换热器，将用户空调系统与区域输配管网隔开。这样有以下好处：（1）避免不同用户系统相互掺混造成污染或者系统定压困难。当直接供应高层建筑时，定压系统的故障或管道泄漏会造成系统失水；（2）简化入口设计，适用于所有场合；（3）有利于各支路的水力平衡。5Energybus在节能减排中的意义本文所讨论的基于地源热泵技术的Energybus系统通过设备的集中化和大型化，集成应用低品位的浅层地热能，投入少量高品位的电能提取地下土壤中的自然能源，符合能源梯级利用的基本原理，并能充分发挥其规模效益，不仅克服了制冷机组分散布置的许多缺陷,可以为末端空调器提供优质的热源和热汇,而且提高机组效率,减少CO2排放，能够有效减缓热岛效应，具有明显的节能性和减碳性。同时，Energybus系统在很大程度上减少了传统空调中的冷却塔和锅炉，并可利用空调同时使用系数来降低冷热源和配电系统容量，实现规模化负荷调节，对城市供电系统的负荷平准化、削峰填谷具有很大的好处。6结语（1）Energybus系统设计是一项复杂性很高的工程，应该综合能源、环境、管理和经济性等多方面内容，全面、客观和公正地对其进行评价，而不能孤立地、片面地和绝对化地分析。（2）Energybus是区域供能的一种全新思路，具有很好的发展前景，且合理设计的Energybus系统的节能环保优势更加明显。（3）基于地源热泵技术的Energybus系统必须制定良好的运行策略，并要注意保持土壤的冬夏热平衡，以发挥其最大的节能效果。（4）Energybus系统是对代传统的区域供冷供热系统形式的一个补充，可以更好地发挥区域供冷供热的作用。参考文献[1]龙惟定，白玮，梁浩，范蕊.低碳城市的能源系统[J].暖通空调.2009,39(8):79-84[2]杜敬三，付林，江亿.区域供冷最佳面积探讨[J].暖通空调.2003,6:112-113[3]刘圣春，马一太.变频型房间空调器区域性季节能效比的研究[J].制冷学报，2005,2:47-505[4]马宏权,龙惟定.区域供冷系统的能源效率[J].暖通空调,2008,38(11):59-64,40[5]龙惟定,白玮,范蕊.低碳经济与建筑节能发展[J].建设科技,2008(24)[6]龙惟定.建筑节能与建筑能效管理[M].北京：中国建筑工业出版社，2005[7]寿青云,陈汝东.借鉴国外经验积极发展我国的区域供冷供热[J].流体机械,2003,(11)47-50[8]陈晓，张国强，文进希.区域供冷系统中制冷机系统的优化配置探讨[J].流体机，2003，31（6）：55-61