太原市某50万㎡集中式空气源热泵供暖项目实施要点介绍

  导读

  处暑之后，凉意渐生，接连而来的几场大雨，仿佛倾然之间拂去了夏日的炙热，秋日的清凉徐徐展开。对于身处我国寒冷地区的太原而言，这也预示着2018年采暖季的即将到来。作为国家大力压减燃煤，鼓励清洁取暖的重点城市，太原市的“煤改电”项目，尤其是“煤改空气源热泵”项目亦进展的如火如荼。

  面对这样一场前所未有的攻坚战，面对着工程浩大、任务艰巨的巨大压力，“煤改电”项目施工单位又将会通过怎样的技术方案、工程设计以及后期维护来及时有效的保障当地百姓的温暖过冬呢?近日，热泵深入到某施工现场，领略了工程设计、安全保障，以及平稳运行方面的独到之处：

  项目基本情况：

  供暖面积：50万㎡(一期20万㎡，二期30万㎡)

  采暖末端：地暖

  太原“煤改电”战役始于2016年，2017年的工作量比2016年上涨了6倍，2018年则要完成“三县一市”平川地区清洁供暖改造10万户以上。而这次我们所深入走访的小区，开发商在小区建设时，已经完成小区内的主管网、入户管网及室内地暖敷设，增加了此次工程的设计和施工难度，本工程范围是空气源热泵集中采暖热源站建设项目。

  小区空气源热泵热源站第一期20万㎡于2017年10月底施工完成，并当年投入运行，第二期30万㎡的项目正在紧张有序的施工当中。

  因地制宜，巧妙利用现有条件

  与传统的锅炉热源不同，空气源热泵通过“搬运”室外空气中储存的热量到室内来达到供暖目的，空气流通量及空气温度决定了最终的有效热量。该项目的最大困难就是社区最初并未预留足够场地摆放空气源主机，最终仅留出72×16(最初64×16)米场地(正常来说需要约2亩地摆放主机)，同时南面及东面有建筑物围挡，严重限制了机组通风及摆放自由度，对于140台机组而言就是灾难!

  如按常规摆放方式，最终会出现三个严重的后果：一是冷岛效应严重，机房中心温度会远低于周边环境温度，导致中部机组能力不足或停机保护;二是受四周进风面积受限影响，机组内部会出现气流短路，一旦出现化霜，化霜水汽会不断循环，最终形成大面积除霜，供暖瘫痪;三是大量机组集中摆放，每台机组的水力平衡控制困难，造成机组缺水保护停机。

  除以上条件外，110米的定压高度加上沿程阻力，已经超出了常规热泵换热器的承压范围，随时有爆管风险。同时因大部分时间供暖负荷为计算值的60~70%，如采用传统接管及循环方式，会造成低载时水泵大量耗电。做为运营管理方，这种浪费应尽量避免。

  因此，要克服上述困难，仅依靠经验及常规思路自然行不通，需要根据现场情况及空气源设备特点，对机房建造进行如下技术优化：

  1.架高，保证进风风量，同时扩大“规模”，减少冷岛内温降，保证“冷岛”内储能量满足供暖需求;

  空气源热泵目前有顶送风和侧送风两种，一般8匹以上机组多以顶送风为主。顶送风机组，出风在设备顶端，机组蒸发器两侧进风，部分采用双“U”型换热器的是四面进风。对于单台机组，这种气流组织不受影响，但对于多台机组集中摆放，含有足够热量的空气仅能从顶部以外方向进风，也就是机组顶端到地面的这一面。每台设备在出厂时均设置了设备的额定风量，在风量不足时，设备能力就会大幅下降。

  该项目选型的48匹热泵机组，额定风量约50000m3，140台就是700万m3风量，而机房周长仅为176米，除去机组本身对气流的遮挡，实际可进风周长不到原来一半。如果机组按常规的距地50cm或100cm安装方式，实际侧面可进风面积仅为250㎡左右。这么小的进风面积，在机组额定工况下，需达到8m/s迎面风速，相当于5级大风，地面尘土﹑纸张﹑灰尘、沙粒均会被卷起，卷起杂物会贴附在换热器上，造成堵塞。在该风速下，会形成约40Pa负压区，中部的冷风会被吸回，加速“冷岛”形成。

  只要空气源热泵在与送机风向垂直的方向上摆放超过3~4倍风速，就会形成“冷岛”。太原冬季平均风速2m/秒，该项目南北方向距离16米，远超8米限制，加上正南方建筑遮挡，“冷岛”无法避免。因此为了保证“冷岛”在一定温降的情况下满足社区采暖需求，就必须要考虑加大“冷岛”范围。既然平面上无法实现“扩岛”，就只能在垂直距离上提升。按社区最低负荷要求，考虑建筑节能等情况，如要保证50万㎡供暖需求，冷岛内空气温降5℃计算，每秒需要1228m3冷风补入，按2m/s计算，垂直距离上需要9米的高度。考虑风向并非与机组摆放垂直，最终这个距离在11~14米。

  由上可知，机房的设置，在气流组织上需要同时满足机组额定风量和“冷岛”规模。机组送风风速约8米，如制冷运行，送风筒上方可达15米以上高度，如制热运行，考虑送风为冷风，密度大于周围空气，最终高度约8~10米。结合前面“冷岛”高度的计算，机组距离地面最少达到4.5米才能满足要求。因此最终选择架高12米，既保证了空气供给量，同时又使风从下方吸入中部机组，解决高负压问题。

  2.顶部增设“隔霜导流板”，避免多排集中摆放时中部冷风回流导致大面积除霜发生，同时做好顶部雨水导流;

  影响热泵冬季运行效果的因素除了蓄热空气量外，另外一个就是机组除霜。很多中央空调机组冬季运行效果差并不在于制热能力，而是因为室外蒸发器设计不合理导致频繁除霜，消耗热量，最终使有效热量大幅降低。

  空气源热泵应对除霜要优于空调机组，但不代表热泵不会除霜运行。大量机组集中摆放时，即使四周进风充足，也会在中心形成负压区，如此时少量机组除霜运行，散发的雾气会被吸入负压区，进而粘附在其它制热运行的机组上，加速机组结霜，如湿度够大(如雪天)，则会因此导致机群频繁除霜，降低有效热量，最终达不到采暖效果。

  此次采用导流隔板，可以在避免中间设备因空气补充不足时，将相邻设备排出的冷空气抽回，彻底隔断除霜机组排除的水汽，彻底杜绝除霜干扰。

  3.单泵循环，保证每台机组额定水流量，杜绝水力不平衡造成主机保护，同时可实现“单机开则开，单机停则停”，并根据环温启动防冻运行，最大化节能的同时保证系统安全;

  空气源热泵设备都有额定循环水量。多台设备集中在一起时，为了保证每台设备的额定流量，水泵及管道会额外放大20~30%来补偿水利不平衡导致的机组流量偏小问题。如果让机群每台机组都同时供水，而80%的时间机组是在60~70%的负荷下运行，不仅会形成近一半设备闲置，通过机组内部向外散发热量，造成一定损失，同时水泵流量也较实际运行偏大50%左右。

  整体来看循环系统存在极大浪费。因此通过计算研究，决定采用主机和水箱循环，水箱和末端循环，二次循环系统，每台主机均安装一台水泵循环，水箱采用螺旋焊接钢管焊接，预埋在机房地下，在大量减少管道占用空间的同时，也可使管网散热量大幅降低。同时采用单机单泵，主机在不启动时，水泵仅在防冻循环下运行，避免了主机空闲时水泵能耗。

  4.机组定制高承压换热器，承压能力达160m，解决高区直联隐患;

  该社区高区最高超100m，定压高度110m。中间无设备层，如采用传统板换解决承压问题，会产生2~3℃温度损失，对于热泵而言能效会降低5%左右。因此采用机组与高区直联设计。

  直联设计需要解决最低点承压问题，而最低点承压在水泵出水口，承压包含了垂直静压、管网沿程阻力、水流动压。机组定压为110m，室外管网+室内盘管+阀门部件等不少于25m，整个管网最低点最大承压不少于140m。因此为了保证设备及系统安全，机组冷凝器采用1.6MPa设计，其余阀门、软接、过滤器、水泵等部件，均采用≮1.6MPa设计选型。试运行一年，系统稳定。

  5.做透风的消音百叶作为机房南侧的隔音墙，同时兼做机房防护，一举两得。顶部加装消声弯头进行引流导风，消音同时，加速“冷岛”扩散;

  热源机房距离小区仅20m左右，虽然冬季运行时住户不开窗，但仍对机组进行了降噪处理。

  由于声音沿直线向四面八方传播，在遇阻后会以阻碍点为声源重新传播。根据声音传播特点，对机组四周采用可通风的消音百叶做消音隔离。隔离带标准为：直线距离40米外住户窗户无法看到声源中心点，保证没有消音处理的噪音实际传播距离均在40米以外。40米外自然降噪为32分贝，机组噪音为65~70分贝，考虑叠加，最终噪音应为70~75分贝，自然降噪后约为40~43分贝，达到社区降噪要求。

  6.化霜水排放

  化霜水排放在近年的集中采暖机房问题比较明显，如果处理不当会出现地面大量结冰、土层开裂、机组室外蒸发器冻结等问题。目前主流厂家的空气源热泵均配备化霜水接水盘和伴热带接口，如果没有接水盘，则需要在机组下方额外做集水防冻装置，否则可能会造成不可预知的问题或风险。

  化霜水排放一定要把好三关：一是保证渗水地不会结冰;二是保证化霜水管道不会结冰;三是保证接水盘不会结冰。

  太原的气候，基本保证前两点即可安全过冬。该项目所有冷凝水排放管道均预埋地下，避免室外冷空气干扰，同时增加防护保温。最终化霜水通过冻土层以下的排水沟排放。

  7.框架搭建设计

  设备支架在设计时，需要考虑空气源热泵机组的重量，管网重量，管网内水的重量，支架自身的重量，以及机组及水泵的运行震动等。在对每个细节进行反复计算，并将多种方案进行设计研讨，最终决定将原有方案进行深度优化设计。既保证设备安全平稳运行，又能方便后期设备的检查、维护。见下图：

  项目建设过程中遇到的其他问题

  由于该项目属于市政供暖管网的改造工程，在施工和运行中出现一些问题自然在所难免，去年冬季，由于市政管网和地暖末端的施工方在交付前并未对管网进行排查和清洗，结果造成了部分管道和末端的堵塞现象，对部分用户的正常取暖产生了极大的影响。

  针对上述情况，采取了逐一排查的方式，先是把室外的过滤器、阀门、流量表等进行全部清查，之后再去一一排查反映采暖效果不好的用户，最后再对应采取解决方案，根据统计，2017年整个采暖季共计排查和解决了将近80余户。

  采访侧记：

  “煤改电”既是环保项目，又是民生工程，它不仅关乎到每一户家庭的切身利益，关乎到亿万用户的日常生活，同时其使用效果的好坏亦同热泵产业的发展息息相关。因此，希望每一家生产企业、每一个施工单位、每一位从业人员都能够尽心尽责，不遗余力，为这样一项浩大的蓝天工程和民生工程做出积极贡献。