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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，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地百姓的溫暖過冬呢?近日，熱泵深入到某施工現場，領略了工程設計、安全保障，以及平穩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”平川地區清潔供暖改造10萬戶以上。而這次我們所深入走訪的小區，開發商在小區建設時，已經完成小區內的主管網、入戶管網及室內地暖敷設，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，巧妙利用現有條件
與傳統的鍋爐熱源不同，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!
如按常規擺放方式，最終會出現三個嚴重的后果：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，機組內部會出現氣流短路，一旦出現化霜，化霜水汽會不斷循環，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，已經超出了常規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%，如采用傳統接管及循環方式，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，僅依靠經驗及常規思路自然行不通，需要根據現場情況及空氣源設備特點，對機房建造進行如下技術優化：
1.架高，保證進風風量，同時擴大“規模”，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，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“擴島”，就只能在垂直距離上提升。按社區最低負荷要求，考慮建筑節能等情況，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，如此時少量機組除霜運行，散發的霧氣會被吸入負壓區，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，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“單機開則開，單機停則停”，并根據環溫啟動防凍運行，最大化節能的同時保證系統安全;
空氣源熱泵設備都有額定循環水量。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。
整體來看循環系統存在極大浪費。因此通過計算研究，決定采用主機和水箱循環，水箱和末端循環，二次循環系統，每臺主機均安裝一臺水泵循環，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，解決高區直聯隱患;
該社區高區最高超100m，定壓高度110m。中間無設備層，如采用傳統板換解決承壓問題，會產生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直聯設計。
直聯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、管網沿程阻力、水流動壓。機組定壓為110m，室外管網+室內盤管+閥門部件等不少于25m，整個管網最低點最大承壓不少于140m。因此為了保證設備及系統安全，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，系統穩定。
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地面大量結冰、土層開裂、機組室外蒸發器凍結等問題。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，管網重量，管網內水的重量，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化設計。既保證設備安全平穩運行，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的改造工程，在施工和運行中出現一些問題自然在所難免，去年冬季，由于市政管網和地暖末端的施工方在交付前并未對管網進行排查和清洗，結果造成了部分管道和末端的堵塞現象，對部分用戶的正常取暖產生了極大的影響。
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，根據統計，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業的發展息息相關。因此，希望每一家生產企業、每一個施工單位、每一位從業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。