株洲市神農(nóng)城湖水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)提煉

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(1.湖南工業(yè)大學(xué)包裝與材料工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2.湖南工業(yè)大學(xué)科技學(xué)院，湖南 株洲 412008；3.湖南天易集團有限公司，湖南 株洲 412008)

0 引 言

湖南省株洲市的神農(nóng)城項目以神農(nóng)文化為主題，集文化、旅游、商業(yè)于一體，是長株潭城市群“兩型”社會建設(shè)綜合配套改革實驗區(qū)之天易示范區(qū)的首個大規(guī)模城市開發(fā)項目。項目總投資超過100億[1-2]。其中，神農(nóng)湖是整個項目中最重要的景觀工程，湖體水面面積約22萬m2，湖水平均水深2.5 m左右，水體總?cè)萘考s56萬m3，并配備有設(shè)計循環(huán)水量為3 500 m3/h的水質(zhì)凈化工程。為應(yīng)用湖水源熱泵系統(tǒng)提供了便利條件。

為充分利用神農(nóng)湖的水資源和閑置土地的地?zé)豳Y源，因地制宜，最大限度節(jié)約投資和降低運行費用。神農(nóng)城核心區(qū)采用湖水源(地源)熱泵集中供熱、供冷復(fù)合式中央空調(diào)系統(tǒng)。在冬季，地下熱交換器從湖水和土壤中取熱，通過水、地源熱泵制熱機組，制取熱水向建筑物供暖；在夏季，地下熱交換器向湖水和土壤排熱，通過水、地源熱泵制冷機組，制取冷水向建筑物供冷。水(地)源熱泵系統(tǒng)的能效比高，制冷、制熱系數(shù)可達4.0～5.8，通過與土壤和湖水在冬夏季的能量轉(zhuǎn)換，水、地源熱泵系統(tǒng)實現(xiàn)了可再生能源的循環(huán)利用，是真正意義上的綠色、節(jié)能、環(huán)保的空調(diào)系統(tǒng)[3-5]。

1 神農(nóng)城水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用簡介

神農(nóng)城水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的供冷及供熱范圍包括：①神農(nóng)太陽城(包括內(nèi)、外圈建筑)；②神農(nóng)部落街；③神農(nóng)大劇院(包括神農(nóng)塔)；④神農(nóng)藝術(shù)中心。各建筑功能分區(qū)的空調(diào)負(fù)荷見表1。神農(nóng)城分布式能源匹配系統(tǒng)分設(shè)有三個能源站，如圖1所示，神農(nóng)太陽城內(nèi)外圈和大劇院能源站主要為大劇院、內(nèi)外圈建筑提供冷/熱源及生活熱水，系統(tǒng)采用燃?xì)馊?lián)供+離心式電制冷機組+螺桿式電制冷機組(極小負(fù)荷時使用)+燃?xì)忮仩t+地源熱泵+水源熱泵機組的供能形式。藝術(shù)中心能源站主要為藝術(shù)中心提供冷/熱源，系統(tǒng)

采用地源熱泵+湖水源冷水機組形式為藝術(shù)中心提供穩(wěn)定的冷/熱源。部落街能源站主要為神農(nóng)部落街提供冷/熱源，系統(tǒng)采用地源熱泵+水冷冷水機組(湖水源或冷卻塔)為神農(nóng)部落街提供穩(wěn)定的冷/熱源。三個能源站即相對獨立又緊密聯(lián)系，充分的利用了神農(nóng)太陽城的可再生資源，提高了系統(tǒng)的整體效率，同時完全滿足神農(nóng)太陽城的安全用能要求。本工程各能源站采用湖水的量見表2。

圖1 神農(nóng)城能源匹配系統(tǒng)分布示意圖

表2 各能源站湖水用量

2 湖水作為水源熱泵系統(tǒng)的冷熱源時提供的能量計算

湖水源熱泵系統(tǒng)的取水口設(shè)置在湖底的最深處，回水口設(shè)置在一般水深區(qū)或者親水區(qū)域。水泵的取水口與回水口的位置相隔一定的距離。根據(jù)設(shè)計院提供的逐時負(fù)荷，熱泵機組每天峰值負(fù)荷運行8 h左右。

2.1 神農(nóng)城景觀湖湖水溫度預(yù)測

神農(nóng)城景觀湖湖水最深4 m，親水區(qū)域水深小于0.7 m，平均深度約2.5 m。水面風(fēng)力所產(chǎn)生的摻混作用會使垂直方向的水溫趨向一致。采用零維模型可預(yù)測景觀湖水的水溫[6]。采用該模型計算的神農(nóng)湖自然平均水溫和水源熱泵運行后的水溫變化曲線如圖2和圖3所示，夏季自然平均水溫在29 ℃左右，冬季自然平均水溫在6.9 ℃左右。2002年我國頒布的《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》中規(guī)定了人為造成的地表水體水溫變化允許范圍為：周平均最大溫升≤1 ℃；周平均最大溫降≤2 ℃[7]。熱泵系統(tǒng)尾水排放會引起局部水溫變化，且溫排水將影響水生生物的生長繁殖和加快水體富營養(yǎng)化進程，其影響大小主要取決于進出水的溫差和排放量。從圖2和圖3可見，水源熱泵運行前后的湖水溫變化幅度基本符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 夏季景觀湖平均水溫變化圖

圖3 冬季景觀湖平均水溫變化圖

2.2 冬季湖水源能量計算

根據(jù)零維模型計算，冬季湖水的自然平均水溫在6.9 ℃左右。湖水的計算溫度為：起始溫度7 ℃；運行30 d后，湖水允許達到的極限溫度為5 ℃；由于淺水區(qū)域受外界環(huán)境溫度的影響非常大，因此只假設(shè)水深在2.5～4.0 m的湖水參加換熱，有效的換熱湖水體積約25萬m3。水源熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器所需要的熱量全部由湖水提供，水源熱泵系統(tǒng)結(jié)合余熱回收聯(lián)合運行時的能效比COP的取值為3.8，由熱平衡關(guān)系式，經(jīng)計算得到湖水提供的制熱量Q1為為3 298 KW。

2.3 夏季湖水源能量計算

根據(jù)零維模型計算，夏季湖水的自然平均水溫在29 ℃左右。湖水的計算溫度為：起始溫度29 ℃；運行30 d后，湖水允許達到的極限溫度為32 ℃；湖水的有效換熱體積為25萬m3。冷凝器產(chǎn)生的熱量全部排入湖水，導(dǎo)致湖水溫度升高。冷源來自景觀人工湖水的水源熱泵系統(tǒng)運行時的COP一般在4.2左右，本項目的COP取值為4.2，由熱平衡關(guān)系式，經(jīng)計算得到湖水提供的制冷量Q2為為6 870 KW。

3 神農(nóng)城水源熱泵系統(tǒng)的取水方式

水源熱泵系統(tǒng)在制冷工況時，冷源溫度越低熱泵效率越高；制熱工況時，熱源溫度越高熱泵效率越高。制冷時，經(jīng)過換熱的水再次排放到水體中，如果取水口和排水口設(shè)置位置不當(dāng)，排出的水還沒有經(jīng)過充分的自然冷卻又從取水口進入系統(tǒng)，無疑降低了熱泵的效率。制熱工況亦然。

在本項目中，取、排水口的布置原則是深層取水、淺層排水；在湖水體中，取水口和排水口之間要求有一定的距離，以保證排水再次進入取水口之前溫度能最大限度的恢復(fù)，具體的布置如圖4所示。

圖4 水源熱泵系統(tǒng)取水示意圖

4 神農(nóng)城水源熱泵系統(tǒng)能效分析

神農(nóng)城再生能源建筑應(yīng)用工程項目設(shè)計的指導(dǎo)思想為：① 保證本項目供熱/冷功能，創(chuàng)造舒適的室內(nèi)空調(diào)環(huán)境；② 充分利用現(xiàn)有場地，最大限度節(jié)約投資和降低運行費用；③ 因地制宜，充分利用湖水水源和閑置土地的余熱條件；④ 結(jié)合周邊用能情況，做好示范，為今后大面積推廣使用打下基礎(chǔ)。

神農(nóng)城項目采用分布式冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)+水源熱泵機組+地源熱泵機組的聯(lián)合式能源系統(tǒng)，以滿足其建筑的基本冷/熱源供應(yīng)；采用水冷冷水機組+鍋爐進行調(diào)峰，并結(jié)合系統(tǒng)能效技術(shù)進行動態(tài)優(yōu)化運行。神農(nóng)城整體建筑年需冷量及需熱量分別是：年總需冷量約為67 585 013 kWh；年總需熱量約為34 822 566 kWh。表3對神農(nóng)城聯(lián)合式可再生能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)的耗能量進行了對比。

表3 神農(nóng)城聯(lián)合式可再生能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的耗能量對比

分析表3可以得出以下結(jié)論：神農(nóng)城多能源系統(tǒng)比傳統(tǒng)單純水冷冷水機組+鍋爐的能源系統(tǒng)每年可節(jié)約能源量約為23 970 034 kWh，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約為4 122.1 t。同時，有經(jīng)驗表明[6]，采用水(地)源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的運行費用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于采用傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的運行費用，具有顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。

5 水源熱泵系統(tǒng)風(fēng)險分析及解決措施

由于神農(nóng)景觀湖的平均深度僅2.5 m，夏季湖水的溫度受空氣溫度影響較大，在極端高溫條件下，水底水溫可能會超過32 ℃，制冷機組運行效率非常低。在極端低溫條件下，湖水溫度可能會接近零度，這種超低溫水進入系統(tǒng)換熱后溫度進一步降低，如果換熱溫差過大，就會出現(xiàn)冰凍堵塞或者脹裂管道的危險，從而影響整個系統(tǒng)的安全運行。當(dāng)進水溫度低于5 ℃時，需要啟動輔助加熱裝置，解決進水溫度過低的問題。

為提高系統(tǒng)供能的安全穩(wěn)定性，本項目通過燃?xì)饫錈犭娐?lián)產(chǎn)技術(shù)和水(地)源熱泵技術(shù)的集成使用來規(guī)避上述風(fēng)險。一方面利用多聯(lián)供系統(tǒng)的余熱解決了極端條件下水源熱泵系統(tǒng)效率低、供能效果差的問題；燃?xì)舛嗦?lián)供系統(tǒng)和水源熱泵系統(tǒng)的組合使用可保證在制冷和制熱工況下，系統(tǒng)均可以采用燃?xì)夂碗娏煞N能源實現(xiàn)供能，大大提高了項目能源供應(yīng)的安全性。此外，水/地源熱泵系統(tǒng)可以充分利用多聯(lián)供系統(tǒng)余熱來提高水/地源熱泵系統(tǒng)的運行效率。通過與三聯(lián)供的聯(lián)合運行可以保證采暖供回水的溫度穩(wěn)定在40～50 ℃的經(jīng)濟工況下運行，與多聯(lián)供系統(tǒng)提供的高溫水混合后進一步提升供水溫度，完全滿足末端負(fù)荷的要求。

6 結(jié)束語

利用神農(nóng)湖的湖水作為神農(nóng)城核心區(qū)水(地)源熱泵集中供熱、供冷復(fù)合式中央空調(diào)系統(tǒng)的冷、熱源，既可克服傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)在極端天氣下不能正常工作的問題，同時又能節(jié)省能耗。在神農(nóng)城采用湖水(地)源熱泵集中供熱、供冷復(fù)合式中央空調(diào)系統(tǒng)比傳統(tǒng)單純水冷冷水機組+鍋爐的能源系統(tǒng)每年可節(jié)約能源量約為23 970 034 KWh，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約為4 122.1 t；采用水(地)源熱泵空調(diào)的運行費用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的運行費用。水(地)源熱泵技術(shù)的應(yīng)用具有較好的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益，符合國家“十二五”發(fā)展規(guī)劃及節(jié)能減排的要求，可作為國家水資源可持續(xù)發(fā)展和可再生能源綜合利用的一個典型工程，值得大力推廣。

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