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太原市某50萬㎡集中式空氣源熱泵供暖項目實施要點介紹
導讀
處暑之后，涼意漸生，接連而來的幾場大雨，仿佛傾然之間拂去了夏日的炙熱，秋日的清涼徐徐展開。對于身處我國寒冷地區(qū)的太原而言，這也預示著2018年采暖季的即將到來。作為國家大力壓減燃煤，鼓勵清潔取暖的重點城市，太原市的“煤改電”項目，尤其是“煤改空氣源熱泵”項目亦進展的如火如荼。
面對這樣一場前所未有的攻堅戰(zhàn)，面對著工程浩大、任務艱巨的巨大壓力，“煤改電”項目施工單位又將會通過怎樣的技術方案、工程設計以及后期維護來及時有效的保障當?shù)匕傩盏臏嘏^冬呢?近日，熱泵深入到某施工現(xiàn)場，領略了工程設計、安全保障，以及平穩(wěn)運行方面的獨到之處：
項目基本情況：
供暖面積：50萬㎡(一期20萬㎡，二期30萬㎡)
采暖末端：地暖
太原“煤改電”戰(zhàn)役始于2016年，2017年的工作量比2016年上漲了6倍，2018年則要完成“三縣一市”平川地區(qū)清潔供暖改造10萬戶以上。而這次我們所深入走訪的小區(qū)，開發(fā)商在小區(qū)建設時，已經(jīng)完成小區(qū)內的主管網(wǎng)、入戶管網(wǎng)及室內地暖敷設，增加了此次工程的設計和施工難度，本工程范圍是空氣源熱泵集中采暖熱源站建設項目。
小區(qū)空氣源熱泵熱源站第一期20萬㎡于2017年10月底施工完成，并當年投入運行，第二期30萬㎡的項目正在緊張有序的施工當中。
因地制宜，巧妙利用現(xiàn)有條件
與傳統(tǒng)的鍋爐熱源不同，空氣源熱泵通過“搬運”室外空氣中儲存的熱量到室內來達到供暖目的，空氣流通量及空氣溫度決定了最終的有效熱量。該項目的最大困難就是社區(qū)最初并未預留足夠場地擺放空氣源主機，最終僅留出72×16(最初64×16)米場地(正常來說需要約2畝地擺放主機)，同時南面及東面有建筑物圍擋，嚴重限制了機組通風及擺放自由度，對于140臺機組而言就是災難!
如按常規(guī)擺放方式，最終會出現(xiàn)三個嚴重的后果：一是冷島效應嚴重，機房中心溫度會遠低于周邊環(huán)境溫度，導致中部機組能力不足或停機保護;二是受四周進風面積受限影響，機組內部會出現(xiàn)氣流短路，一旦出現(xiàn)化霜，化霜水汽會不斷循環(huán)，最終形成大面積除霜，供暖癱瘓;三是大量機組集中擺放，每臺機組的水力平衡控制困難，造成機組缺水保護停機。
除以上條件外，110米的定壓高度加上沿程阻力，已經(jīng)超出了常規(guī)熱泵換熱器的承壓范圍，隨時有爆管風險。同時因大部分時間供暖負荷為計算值的60~70%，如采用傳統(tǒng)接管及循環(huán)方式，會造成低載時水泵大量耗電。做為運營管理方，這種浪費應盡量避免。
因此，要克服上述困難，僅依靠經(jīng)驗及常規(guī)思路自然行不通，需要根據(jù)現(xiàn)場情況及空氣源設備特點，對機房建造進行如下技術優(yōu)化：
1.架高，保證進風風量，同時擴大“規(guī)模”，減少冷島內溫降，保證“冷島”內儲能量滿足供暖需求;
空氣源熱泵目前有頂送風和側送風兩種，一般8匹以上機組多以頂送風為主。頂送風機組，出風在設備頂端，機組蒸發(fā)器兩側進風，部分采用雙“U”型換熱器的是四面進風。對于單臺機組，這種氣流組織不受影響，但對于多臺機組集中擺放，含有足夠熱量的空氣僅能從頂部以外方向進風，也就是機組頂端到地面的這一面。每臺設備在出廠時均設置了設備的額定風量，在風量不足時，設備能力就會大幅下降。
該項目選型的48匹熱泵機組，額定風量約50000m3，140臺就是700萬m3風量，而機房周長僅為176米，除去機組本身對氣流的遮擋，實際可進風周長不到原來一半。如果機組按常規(guī)的距地50cm或100cm安裝方式，實際側面可進風面積僅為250㎡左右。這么小的進風面積，在機組額定工況下，需達到8m/s迎面風速，相當于5級大風，地面塵土﹑紙張﹑灰塵、沙粒均會被卷起，卷起雜物會貼附在換熱器上，造成堵塞。在該風速下，會形成約40Pa負壓區(qū)，中部的冷風會被吸回，加速“冷島”形成。
只要空氣源熱泵在與送機風向垂直的方向上擺放超過3~4倍風速，就會形成“冷島”。太原冬季平均風速2m/秒，該項目南北方向距離16米，遠超8米限制，加上正南方建筑遮擋，“冷島”無法避免。因此為了保證“冷島”在一定溫降的情況下滿足社區(qū)采暖需求，就必須要考慮加大“冷島”范圍。既然平面上無法實現(xiàn)“擴島”，就只能在垂直距離上提升。按社區(qū)最低負荷要求，考慮建筑節(jié)能等情況，如要保證50萬㎡供暖需求，冷島內空氣溫降5℃計算，每秒需要1228m3冷風補入，按2m/s計算，垂直距離上需要9米的高度。考慮風向并非與機組擺放垂直，最終這個距離在11~14米。
由上可知，機房的設置，在氣流組織上需要同時滿足機組額定風量和“冷島”規(guī)模。機組送風風速約8米，如制冷運行，送風筒上方可達15米以上高度，如制熱運行，考慮送風為冷風，密度大于周圍空氣，最終高度約8~10米。結合前面“冷島”高度的計算，機組距離地面最少達到4.5米才能滿足要求。因此最終選擇架高12米，既保證了空氣供給量，同時又使風從下方吸入中部機組，解決高負壓問題。
2.頂部增設“隔霜導流板”，避免多排集中擺放時中部冷風回流導致大面積除霜發(fā)生，同時做好頂部雨水導流;
影響熱泵冬季運行效果的因素除了蓄熱空氣量外，另外一個就是機組除霜。很多中央空調機組冬季運行效果差并不在于制熱能力，而是因為室外蒸發(fā)器設計不合理導致頻繁除霜，消耗熱量，最終使有效熱量大幅降低。
空氣源熱泵應對除霜要優(yōu)于空調機組，但不代表熱泵不會除霜運行。大量機組集中擺放時，即使四周進風充足，也會在中心形成負壓區(qū)，如此時少量機組除霜運行，散發(fā)的霧氣會被吸入負壓區(qū)，進而粘附在其它制熱運行的機組上，加速機組結霜，如濕度夠大(如雪天)，則會因此導致機群頻繁除霜，降低有效熱量，最終達不到采暖效果。
此次采用導流隔板，可以在避免中間設備因空氣補充不足時，將相鄰設備排出的冷空氣抽回，徹底隔斷除霜機組排除的水汽，徹底杜絕除霜干擾。
3.單泵循環(huán)，保證每臺機組額定水流量，杜絕水力不平衡造成主機保護，同時可實現(xiàn)“單機開則開，單機停則停”，并根據(jù)環(huán)溫啟動防凍運行，最大化節(jié)能的同時保證系統(tǒng)安全;
空氣源熱泵設備都有額定循環(huán)水量。多臺設備集中在一起時，為了保證每臺設備的額定流量，水泵及管道會額外放大20~30%來補償水利不平衡導致的機組流量偏小問題。如果讓機群每臺機組都同時供水，而80%的時間機組是在60~70%的負荷下運行，不僅會形成近一半設備閑置，通過機組內部向外散發(fā)熱量，造成一定損失，同時水泵流量也較實際運行偏大50%左右。
整體來看循環(huán)系統(tǒng)存在極大浪費。因此通過計算研究，決定采用主機和水箱循環(huán)，水箱和末端循環(huán)，二次循環(huán)系統(tǒng)，每臺主機均安裝一臺水泵循環(huán)，水箱采用螺旋焊接鋼管焊接，預埋在機房地下，在大量減少管道占用空間的同時，也可使管網(wǎng)散熱量大幅降低。同時采用單機單泵，主機在不啟動時，水泵僅在防凍循環(huán)下運行，避免了主機空閑時水泵能耗。
4.機組定制高承壓換熱器，承壓能力達160m，解決高區(qū)直聯(lián)隱患;
該社區(qū)高區(qū)最高超100m，定壓高度110m。中間無設備層，如采用傳統(tǒng)板換解決承壓問題，會產(chǎn)生2~3℃溫度損失，對于熱泵而言能效會降低5%左右。因此采用機組與高區(qū)直聯(lián)設計。
直聯(lián)設計需要解決最低點承壓問題，而最低點承壓在水泵出水口，承壓包含了垂直靜壓、管網(wǎng)沿程阻力、水流動壓。機組定壓為110m，室外管網(wǎng)+室內盤管+閥門部件等不少于25m，整個管網(wǎng)最低點最大承壓不少于140m。因此為了保證設備及系統(tǒng)安全，機組冷凝器采用1.6MPa設計，其余閥門、軟接、過濾器、水泵等部件，均采用≮1.6MPa設計選型。試運行一年，系統(tǒng)穩(wěn)定。
5.做透風的消音百葉作為機房南側的隔音墻，同時兼做機房防護，一舉兩得。頂部加裝消聲彎頭進行引流導風，消音同時，加速“冷島”擴散;
熱源機房距離小區(qū)僅20m左右，雖然冬季運行時住戶不開窗，但仍對機組進行了降噪處理。
由于聲音沿直線向四面八方傳播，在遇阻后會以阻礙點為聲源重新傳播。根據(jù)聲音傳播特點，對機組四周采用可通風的消音百葉做消音隔離。隔離帶標準為：直線距離40米外住戶窗戶無法看到聲源中心點，保證沒有消音處理的噪音實際傳播距離均在40米以外。40米外自然降噪為32分貝，機組噪音為65~70分貝，考慮疊加，最終噪音應為70~75分貝，自然降噪后約為40~43分貝，達到社區(qū)降噪要求。
6.化霜水排放
化霜水排放在近年的集中采暖機房問題比較明顯，如果處理不當會出現(xiàn)地面大量結冰、土層開裂、機組室外蒸發(fā)器凍結等問題。目前主流廠家的空氣源熱泵均配備化霜水接水盤和伴熱帶接口，如果沒有接水盤，則需要在機組下方額外做集水防凍裝置，否則可能會造成不可預知的問題或風險。
化霜水排放一定要把好三關：一是保證滲水地不會結冰;二是保證化霜水管道不會結冰;三是保證接水盤不會結冰。
太原的氣候，基本保證前兩點即可安全過冬。該項目所有冷凝水排放管道均預埋地下，避免室外冷空氣干擾，同時增加防護保溫。最終化霜水通過凍土層以下的排水溝排放。
7.框架搭建設計
設備支架在設計時，需要考慮空氣源熱泵機組的重量，管網(wǎng)重量，管網(wǎng)內水的重量，支架自身的重量，以及機組及水泵的運行震動等。在對每個細節(jié)進行反復計算，并將多種方案進行設計研討，最終決定將原有方案進行深度優(yōu)化設計。既保證設備安全平穩(wěn)運行，又能方便后期設備的檢查、維護。見下圖：
項目建設過程中遇到的其他問題
由于該項目屬于市政供暖管網(wǎng)的改造工程，在施工和運行中出現(xiàn)一些問題自然在所難免，去年冬季，由于市政管網(wǎng)和地暖末端的施工方在交付前并未對管網(wǎng)進行排查和清洗，結果造成了部分管道和末端的堵塞現(xiàn)象，對部分用戶的正常取暖產(chǎn)生了極大的影響。
針對上述情況，采取了逐一排查的方式，先是把室外的過濾器、閥門、流量表等進行全部清查，之后再去一一排查反映采暖效果不好的用戶，最后再對應采取解決方案，根據(jù)統(tǒng)計，2017年整個采暖季共計排查和解決了將近80余戶。
采訪側記：
“煤改電”既是環(huán)保項目，又是民生工程，它不僅關乎到每一戶家庭的切身利益，關乎到億萬用戶的日常生活，同時其使用效果的好壞亦同熱泵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展息息相關。因此，希望每一家生產(chǎn)企業(yè)、每一個施工單位、每一位從業(yè)人員都能夠盡心盡責，不遺余力，為這樣一項浩大的藍天工程和民生工程做出積極貢獻。