案例|拉萨贡嘎机场太阳能+供暖系统介绍

2019年03月26日
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随着国民经济的发展,能源需求量日益增加,能源利用情况紧张,而常规能源的大量使用必将对环境造成不利影响。太阳能作为可再生能源的一种,取之不竭,同时又不会增加环境负荷,将成为未来能源结构中的重要组成部分。我国属太阳能资源丰富的国家之一,年辐射总量约为3300~8300MJ/(m²·a),全国2/3以上面积地区年日照小时数大于2000h,每年陆地接受的太阳辐射能相当于2.4万亿吨标准煤,具有太阳能利用的良好条件。在建筑能耗中,供暖能耗占了相当的比例,利用太阳能来满足供暖这些低品位能耗的要求具有巨大的节能效益,因此,太阳能采暖技术越来越受到人们的重视。

 

1 工程概况

拉萨贡嘎机场位于西藏山南地区贡嘎县甲竹林乡,雅鲁藏布江南岸,羊卓雍湖东北部,直线距离距拉萨市45公里,机场基准点标高3569.5米,是世界上海拔较高的民用机场之一。拉萨贡嘎机场冬季气候恶劣,空气稀薄,气温低,绝对最低气温为-16.5℃,为给机场和民航西藏自治区管理局工作人员提供相对人性化的工作和生活环境,逐步建设了配套的职工执勤用房,但受投资、运行费用等因素限制,大部分职工执勤用房的采暖未能实施,给高原机场的工作人员带来极大不便,也给机场运行安全带来潜在的危险。为了改善拉萨贡嘎机场寒冷季节运行环境,对生产保障区建筑进行供暖改造工作。

 

本工程对民航生活区职工执勤用房需供暖改造总建筑面积为38583m²,供暖总热负荷为2788KW,现生活区无热源,附近亦没有可用的市政供热管道,本次建设一座热能中心,作为生活区供热热源。

2 供暖参数与热负荷

1)拉萨室外供暖参数

夏季:空调温度:24℃,湿球温度:13.5℃;

通风温度:19.8℃;

风速:1.8m/s;

大气压力:650.00hPa。

冬季:采暖计算温度:-4.9℃,相对湿度:28%;

通风温度:-5.1℃;

风速:2.2m/s;

大气压力:652.30hPa

年平均气温:7.5℃;

极端最高气温:29.9℃;

极端最低气温:-16.5℃;

最大冻土深度:26cm。

2)通过计算得出本工程的热负荷为2788KW。

3 采暖方式的选择

3.1采暖方式介绍

为了选择的采暖热源形式更合理,有必要对各种采暖热源进行分析比较,找出最适合此项目采暖热源的方案。

表1 各种采暖热源介绍比较表

 

逐项分析以上各种热源形式:

1)市政供热:无市政供热,不具备条件。

2)燃气锅炉:机场无燃气管道,不具备条件。

3)风冷热泵:机场空气温度远低于-4℃,不适用。

4)多联机:空气温度低于-10℃,不适用。

5)水源热泵:机场地下水温度约11.5℃,适用。

6)地源热泵:机场地下土壤温度约11.5℃,适用但投资高。

7)太阳能供热:拉萨地区太阳能资源丰富,适用。

8)电锅炉:机场电力供应充足,可用但运行费用较高。

9)燃油锅炉:可用但运行费用高。

通过上述分析、能源情况介绍和各种采暖方式的归纳总结,对此项目采暖热源可采用太阳能采暖+水源热泵辅助的采暖热源,或采用水源热泵作为采暖热源的两种可选方案。

3.2 采暖方案的选择

方案一:太阳能机组+水源热泵

早上有太阳时,当太阳能系统集热器温度达到设定温度(如55℃),开启太阳能系统集热器对换热容器加热,系统进入太阳能系统供热模式,太阳能系统每天供热时间约12小时,其他时间采用水源热泵系统对太阳能系统蓄热系统的立式容积式换热器加热。

方案二:水源热泵

水源热泵单独作为采暖热源,在场区设置热能中心一座,内置水源热泵机组两台,配套水泵、水井等,负责场区24小时热源供应。

方案一较方案二投资高,但运行时能耗较低,耗电量约为热负荷的1/6;方案二较方案一投资低,但运行费用高,能耗较高,耗电量约为热负荷的1/3。基于最大限度的节能减排、减少运行费用的考虑,本项目选择方案一。

4 采暖热源系统

本工程热能中心为西藏拉萨贡嘎机场生产保障区场区所有采暖建筑提供热源,总热负荷为2788KW,热源形式为太阳能+水源热泵+电锅炉(应急使用)的热源组合形式。热能中心内设置立式容积式换热器3台,用于太阳能集热系统和采暖水系统换热,换热量不小于1000kW;太阳能采暖系统的集热器采用真空管集热器,设置在场区职工值勤用房屋面及热能中心屋面上,太阳能采暖系统采用容积百分比浓度为50%的乙二醇作为循环工质,与采暖系统之间为间接式连接;冬季室内采暖水系统为闭式机械循环,供/回水温度为:50℃/40℃。

热能中心设两台水源热泵作为辅助热源,每台的制热量为1368kW。根据试验井报告,水源热泵系统配备两台12口热源井,4口抽水,8口回灌,每台深井泵流量为95m³/h,扬程80m,深井泵出水进入水源热泵机组前,经旋流除沙器除沙。

由于本项目地处高原,运行管理复杂,且配套应急维修维护力量薄弱,为应对极端天气或设备故障,提高供暖保证率,在热能中心设2台电锅炉作为备用热源,每台制热量500kW。

采暖循环热水采用全自动纳离子交换器进行软化处理。系统采用隔膜自动气压密闭式低位膨胀水箱定压,自动补水方式。太阳能系统采用隔膜自动气压密闭式低位膨胀水箱定压,自动补液方式。

 

4.1 集热系统

集热系统采用耐压防冻型平板太阳能集热器,根据太阳能供暖系统经验数据,太阳能机组只白天运行时,每平方米集热器面积约为8~12m²住宅提供热源,此方案需集热器面积约3200m²,每块集热面积2m²,需要约1600块太阳能集热器,集热器设置在各单体屋面上。

4.2 蓄热系统

在生活区南侧新建热能中心,热能中心内设太阳能蓄热箱、采暖循环泵、乙二醇循环泵、膨胀罐、控制器等设备。太阳能蓄热箱采用立式容积式换热器,共3台,有效容积10m3,蓄热系统通过管道与集热板相连,以容积百分比浓度为50%的乙二醇作为循环工质,设乙二醇循环泵2台(一用一备)、采暖循环泵2台(一用一备),膨胀罐、控制器各一套。

4.3 辅助热源

辅助热源采用水源热泵,热能中心内设水源热泵机组3台,供热量900KW/台,配套旋流除沙器2台、水井12口、深井泵6台。

4.4 自动控制系统

本工程太阳能+水源热泵的组合供暖热源设置自动控制系统,根据回水温度控制水源热泵机组和水泵的启停,一方面太阳能供暖系统复杂,运行管理相对较难,自动控制基本能够实现自动启动、关闭、转换等功能,可解决运行管理的困难。另一方面,自动控制能够根据系统水温、压力变化自动控制太阳能或水源热泵机组的运行介入、水泵运行台数等,更大程度上实现节能的效果。

4.5 其他附属设备

热能中心内设置循环热水系统定压、补水、软化水等设备。太阳能系统采用隔膜自动气压密闭式膨胀罐定压、自动补液方式。

4.6 太阳能+水源热泵系统的主要设备

表2 太阳能+水源热泵系统的主要设备表

 

5 太阳能机组+水源热泵供暖系统与其他系统的经济性分析及社会效益

5.1 运行费用的比较

1)电费单价:拉萨机场市内基地用电电价为0.57元/千瓦时(度);

2)采暖天数:市内基地采暖天数约为136天;

3)热负荷:本工程总热负荷为2788KW;

4)部分负荷运行情况:采暖周期内,部分天数为非满负荷情况下运行,全年热负荷约为总热负荷70%,因此本工程实际总热负荷为1951KW。

5.1.1 太阳能机组+水源热泵供暖系统

太阳能机组运行时,能耗主要是乙二醇循环泵和采暖循环泵用电,总功率约为200KW,每天运行12小时。辅助热源(水源热泵)运行时,能耗主要是水源热泵机组和深井泵、采暖循环泵用电,平均总功率约为781KW,每天运行12小时。

平均每天耗电量为:200×12+781×12=11772(度)

年耗电量为:11772×136=1600992(度)

5.1.2 水源热泵供暖系统

水源热泵单独作为采暖热源时,能耗主要是水源热泵机组和深井泵、采暖循环泵用电,平均总功率约为781KW,每天运行24小时。

平均每天耗电量为:781×24=18744(度)

年耗电量为:18744×136=2549184(度)

5.1.3 电锅炉供暖

只采用电锅炉作为热源运行时,能耗主要是电锅炉和采暖循环泵用电,生活区平均总功率约为2788×0.7=1952KW,每天运行24小时。

平均每天耗电量为:1952×24=46848(度)

年耗电量为:46848×136=6371328(度)

5.1.4 各采暖系统运行费用比较表

表3 各采暖系统运行费用比较表

 

1)太阳能机组+水源热泵的热源方案:相对于电锅炉每年可节约共477万度电,年运行费用比电锅炉每年节省271.91万元。

2)太阳能机组+水源热泵的热源方案:相对于水源热泵机组每年可节约共94.82万度电,年运行费用比电锅炉每年节省54.04万元。

5.2 运行管理难易

太阳能供暖系统复杂,运行管理相对较难,但现在的各个采暖系统,自动控制方面都很先进,基本能够实现自动启动、关闭、转换等功能,系统的运行管理难易的关键是设计合理和施工单位的施工能力。本工程将在热能中心设一套自动控制系统,通过回水温度自动控制水源热泵机组的运行、水泵运行台数等,不仅能达到进一步节能的目的,更能简化运行管理,方便日常维护。工程建成后只需1名水暖工程技术人员负责运行维护。

5.3 节能减排效益比较

表4 采暖热源采用太阳能节能效果比较表

 

1)太阳能+水源热泵采暖系统相对于电锅炉采暖,每年可节约477万度电,相当于每年可节省2670吨标准煤,每年减少排放21613千克温室气体。

2)太阳能+水源热泵采暖系统相对于水源热泵采暖,每年可节约94.82万度电,相当于每年可节省532吨标准煤,每年减少排放4304千克温室气体。

5.4 综合社会效益比较

一直以来,高原地区的每项建设都需要付出巨大的资源代价和环境代价,尤其是火电、水电建设项目,往往导致水土流失、植被破坏,产生大气和噪音污染,造成大量污水排放等等,对自然环境破坏极大,对保护高原脆弱的生态非常不利,本工程采用取之不竭、用之不尽的太阳能,可节省大量用电,不仅节能减排效果明显,而且对当地环境保护有着深远的影响。

6 结束语

该工程自2015年10月30日投入使用,太阳能+水源热泵机组供暖系统一直在运行,机场职工普遍反映供暖效果很好。近年来国家大力推广“节能减排、低碳经济”,而建筑节能是目前国家能源战略的关键措施之一。西藏地区能源短缺、交通不便、气候恶劣,若大量使用人工能源,将加大机场运行费用,同时,将对环境造成很大的影响。使用像太阳能、水源热泵机组等新型节能系统,充分利用可再生能源,减少人工能源的消耗,对于我国具有非常重要的战略意义,希望能得到优化和大力推广。

来源:东莞市湘江太阳能设备有限公司

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