無(wú)錫某超高層建筑地源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析

柏 文，郭友明

（深圳華森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司南京分公司，江蘇南京210005）

無(wú)錫某超高層建筑地源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析

柏 文，郭友明

（深圳華森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司南京分公司，江蘇南京210005）

簡(jiǎn)述了水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的原理，介紹了無(wú)錫某超高層建筑地源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，包括冷熱源系統(tǒng)、末端及新風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)、控制要求及用能計(jì)量等，并對(duì)該系統(tǒng)的適用性進(jìn)行了分析，可供類似建筑物空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)參考。

超高層；地源熱泵；水環(huán)熱泵

0 引言

能源和環(huán)境問(wèn)題是當(dāng)前我國(guó)面臨的重大挑戰(zhàn)，建筑能耗是我國(guó)能源消耗的主體之一，而空調(diào)系統(tǒng)的能耗在建筑能耗中占據(jù)很大比例。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化建設(shè)的提速，以及人民對(duì)室內(nèi)環(huán)境舒適性要求的提高，空調(diào)能耗問(wèn)題日益受到關(guān)注，因此，為建筑物配置節(jié)能、合理的空調(diào)系統(tǒng)尤為重要，在這種背景下，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)作為一種節(jié)能型空調(diào)系統(tǒng)，近年來(lái)在我國(guó)逐漸得到廣泛的應(yīng)用。

1 水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的原理及適用范圍

所謂水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是閉式水環(huán)路熱泵空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，它通過(guò)一個(gè)封閉的水環(huán)路將多臺(tái)水-空氣熱泵機(jī)組并聯(lián)，典型水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)由水-空氣熱泵機(jī)組、水環(huán)路及輔助冷熱源三部分構(gòu)成。其基本工作原理是在制冷時(shí)，熱泵機(jī)組以環(huán)路中的循環(huán)水作為“熱匯”，向循環(huán)水排放熱量；制熱時(shí)，熱泵機(jī)組以環(huán)路中的循環(huán)水作為“熱源”，從中吸取熱量，輔助冷熱源的作用則是維持水環(huán)路的水溫在一定范圍之內(nèi)（一般為15~35℃），當(dāng)熱泵機(jī)組吸熱量和排熱量相差較大，循環(huán)水水溫升高或降低到一定程度時(shí)，啟用輔助冷熱源。水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有節(jié)能環(huán)保、舒適靈活、可靠性高的特點(diǎn)[1]，在我國(guó)絕大部分地區(qū)均有較好的節(jié)能特性[2]和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)[3]。尤其適合于有明顯空調(diào)內(nèi)外區(qū)，可回收內(nèi)區(qū)余熱、全年或特定時(shí)段需要同時(shí)供冷和供熱以及有分戶計(jì)費(fèi)要求的建筑。

2 項(xiàng)目概況

無(wú)錫某超高層建筑，總建筑面積約67000m2，地下兩層，地上三十九層，建筑高度148m，地下室為自行車庫(kù)、汽車庫(kù)、配套機(jī)電設(shè)備用房、后勤服務(wù)用房等，裙房及塔樓二十一層以下為五星級(jí)酒店，塔樓二十二層及以上為酒店式公寓（以下簡(jiǎn)稱公寓），酒店部分采用冷水機(jī)組+鍋爐的空調(diào)系統(tǒng)，公寓部分采用地埋管地源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，此文不涉及酒店部分，僅討論公寓部分的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)。

3 設(shè)計(jì)參數(shù)及空調(diào)負(fù)荷

公寓空調(diào)室外、內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2。經(jīng)計(jì)算，公寓總冷負(fù)荷為1417kW，總熱負(fù)荷為1338kW。

表1 空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)

表2 空調(diào)室內(nèi)計(jì)算參數(shù)

4 空調(diào)冷熱源系統(tǒng)

公寓采用地源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，圖1為其原理圖。

工程所在地具備良好的地質(zhì)條件，空調(diào)系統(tǒng)冷熱源采用地埋管換熱系統(tǒng)，以充分利用淺層地?zé)崮?。地埋管換熱器系統(tǒng)采用垂直雙U地埋管換熱器，垂直換熱器長(zhǎng)度為80m，共設(shè)置換熱井495口，地源循環(huán)水出水工作溫度7~30℃，地源循環(huán)水與水環(huán)熱泵系統(tǒng)間接換熱，設(shè)置一套板式水-水熱交換機(jī)組，額定平均換熱溫差為1.5℃，機(jī)組成套配置換熱器、地源水循環(huán)水泵（三臺(tái)）、自動(dòng)控制箱及反沖洗切換閥等。

輔助冷源采用兩臺(tái)閉式逆流式冷卻塔，冷卻塔額定進(jìn)出水溫度為37/32℃。冷卻塔設(shè)置于塔樓屋頂。

輔助熱源利用酒店所設(shè)常壓燃?xì)鉄崴仩t，在鍋爐房分集水器接出處設(shè)置用能計(jì)量裝置，在20層設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)一套板式水-水熱交換器與水環(huán)水進(jìn)行熱量交換，熱交換器熱源側(cè)進(jìn)出水溫度為95/70℃，負(fù)荷側(cè)進(jìn)出水溫度為6/11℃。輔助熱源熱交換器自帶熱源流量控制閥及自動(dòng)控制箱。

水環(huán)循環(huán)水、地源循環(huán)水均采用低位定壓膨脹罐定壓，并各設(shè)一臺(tái)全自動(dòng)軟水處理機(jī)組，采用自來(lái)水補(bǔ)水。水環(huán)循環(huán)水、地源循環(huán)水供水主管上均設(shè)電子水處理設(shè)備。

5 空調(diào)末端及新風(fēng)系統(tǒng)

公寓末端采用水源熱泵機(jī)組加新風(fēng)系統(tǒng)。水源熱泵機(jī)組采用分體型，每戶設(shè)一臺(tái)水源熱泵主機(jī)，主機(jī)設(shè)于衛(wèi)生間吊頂內(nèi)，室內(nèi)機(jī)設(shè)置在各空調(diào)房間，室內(nèi)采用頂送風(fēng)或側(cè)送風(fēng)，頂回風(fēng)的氣流組織方式。公寓每層設(shè)兩臺(tái)水源熱泵新風(fēng)機(jī)組處理新風(fēng)，新風(fēng)機(jī)組安裝于核心筒新風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)，在35層避難層設(shè)有兩臺(tái)熱回收新風(fēng)處理機(jī)組，利用衛(wèi)生間排風(fēng)對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)處理。

6 空調(diào)水系統(tǒng)

地源循環(huán)水系統(tǒng)采用一次泵變流量系統(tǒng)，由地源水-水環(huán)水換熱機(jī)組成套配置三臺(tái)臥式離心泵，由自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)地溫、出水溫度及水環(huán)系統(tǒng)釋熱、吸熱量判定投入運(yùn)行的地源換熱井?dāng)?shù)量并控制分區(qū)供回水電動(dòng)閥，并根據(jù)實(shí)際投入運(yùn)行地源換熱井?dāng)?shù)量調(diào)節(jié)水泵流量。

水環(huán)循環(huán)水系統(tǒng)采用一次泵變流量系統(tǒng)。選擇三臺(tái)臥式離心泵（二用一備）。循環(huán)水供回水主管之間設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)旁通閥，由自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)供回水壓差聯(lián)合調(diào)節(jié)水泵流量和電動(dòng)調(diào)節(jié)旁通閥開(kāi)度。末端水源熱泵機(jī)組循環(huán)水支管設(shè)置電動(dòng)二通閥。

7 控制要求及用能計(jì)量

水環(huán)循環(huán)水設(shè)計(jì)工況進(jìn)出水溫度制冷32/37℃、制熱11/6℃，額定供回水溫差為5.0℃，地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況進(jìn)出水溫度為制冷35/30℃、制熱7/12℃，輔助熱源設(shè)計(jì)工況進(jìn)出水溫度6/11℃，冷卻塔設(shè)計(jì)工況進(jìn)出水溫度37/32℃。供冷工況（水環(huán)循環(huán)出水溫度高于進(jìn)水溫度時(shí)，相反為供熱工況）：地源出水低于30℃獨(dú)立運(yùn)行地埋管換熱系統(tǒng)，高于30℃運(yùn)行輔助冷源；供熱工況：地源出水高于12℃獨(dú)立運(yùn)行地埋管換熱系統(tǒng)，低于12℃運(yùn)行輔助熱源。

公寓各水源熱泵機(jī)組循環(huán)水支管設(shè)置分戶計(jì)量裝置。冷熱量計(jì)量采用供回水溫差、流量積分積算方式。輔助熱源在鍋爐房設(shè)用能計(jì)量。水泵、冷卻塔等耗電設(shè)備設(shè)用電計(jì)量。

圖1 水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理圖

8 設(shè)計(jì)分析及結(jié)論

（1）該工程冷熱源采用地埋管換熱系統(tǒng)，因地制宜，將淺層地?zé)崮芾眉夹g(shù)與水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合，具有更大程度的節(jié)能、環(huán)保特點(diǎn)。這種系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊，節(jié)能潛力大，可拓寬水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，使內(nèi)部余熱小或無(wú)余熱的建筑物也可以采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能[4]。

（2）該工程采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，無(wú)需為公寓設(shè)置制冷機(jī)房，節(jié)省了設(shè)備用房面積，降低維護(hù)管理工作量。每戶設(shè)一臺(tái)主機(jī)，用戶可根據(jù)需要自行控制室內(nèi)溫度和啟?？照{(diào)，調(diào)節(jié)靈活，控制方便。

（3）該工程公寓將出租、出售給不同的用戶用以居住或辦公，有分戶計(jì)費(fèi)的要求，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)分戶設(shè)置，分戶計(jì)量，各用戶需要分?jǐn)偟膬H僅是循環(huán)水泵、輔助冷熱源等少量耗電量，能更好地提高計(jì)費(fèi)準(zhǔn)確度，避免糾紛，利于形成良好的節(jié)電意識(shí)。

（4）考慮到出租、出售率的不同、房間使用功能的變化、以及室外氣候條件的變化等，空調(diào)負(fù)荷是不斷變化的，因此地源循環(huán)水和水環(huán)循環(huán)水均采用一次泵變流量系統(tǒng)，水泵變頻控制，節(jié)約運(yùn)行能耗。

（5）水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的水環(huán)循環(huán)水直接流經(jīng)末端熱泵機(jī)組的換熱器，對(duì)水質(zhì)要求比較高，因此該工程采用閉式冷卻塔作為輔助冷源，其初投資較開(kāi)式冷卻塔較高，但是省卻了二次換熱機(jī)組，且提高了熱交換效率。另外，該工程地處夏熱冬冷地區(qū)，冷卻塔的設(shè)置除應(yīng)滿足水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)本身運(yùn)行所需之外，還需考慮在夏季消除多余熱量，保證土壤熱平衡的要求。

（6）水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)成功應(yīng)用的關(guān)鍵之一是新風(fēng)的處理，該工程中，水環(huán)循環(huán)水冬夏季供回水溫差均為5℃，按夏季工況選型的水源新風(fēng)機(jī)組難以滿足冬季新風(fēng)處理的要求，采用排風(fēng)熱回收機(jī)組對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)處理，一方面節(jié)約新風(fēng)處理能耗，另一方面保證冬季使用要求。

（7）水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)針對(duì)本工程有上述優(yōu)點(diǎn)，有很好的適用性，在類似建筑中有廣泛的應(yīng)用前景，但是也有一些不足之處。比如每戶衛(wèi)生間內(nèi)需設(shè)熱泵主機(jī)，噪聲較大，對(duì)設(shè)備安裝時(shí)隔振降噪提出了更高的要求；由于小型水源熱泵機(jī)組的能效比低于大型蒸汽壓縮式水冷機(jī)組，因此增大了公寓部分總的配電容量；利用鍋爐產(chǎn)生的熱水作為輔助熱源，雖符合該工程實(shí)際情況，但從能源利用角度講并不合理，不符合按質(zhì)用能的原則；另外，該工程公寓內(nèi)外分區(qū)不明顯，內(nèi)區(qū)余熱回收這一水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)最為顯著的節(jié)能特性未能得到充分利用。

9 結(jié)語(yǔ)

水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)作為一種具有節(jié)能和環(huán)保意義的空調(diào)系統(tǒng)，在該工程中與地源熱泵技術(shù)有機(jī)結(jié)合，在當(dāng)今能源緊缺、環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的形勢(shì)下，這種系統(tǒng)在有條件的類似建筑物中將具有較大的節(jié)能潛力和良好的應(yīng)用前景。

[1]馬最良，姚楊，楊自強(qiáng).水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2]盧瓊?cè)A，徐菱虹，胡平放，等.水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的適用性研究[J].流體機(jī)械，2008，36（3）：63~66.

[3]徐菱虹，盧瓊?cè)A，胡平放，等.水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性研究[J].流體機(jī)械，2008，36（2）：69~73.

[4]姜益強(qiáng)，姚楊，馬最良.水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)若干問(wèn)題分析[J].流體機(jī)械，2001，29（11）：52~54.

Design and Analysis of the Ground Source Water Loop Heat Pump Air Conditioning System for a Super High-rise Building in Wuxi

BAI Wen，GUO You-ming
（Shenzhen Huasen Architectural&Engineering Designing Consultants Ltd Nanjing Branch，Nanjing 210005，China）

The Principle of water loop heat pump air conditioning system is introduced briefly in this article，the main design points are introduced，including heating and cooling source system，end and fresh air system，water system，control requirements and energy measurement，and then the applicability of this system is analyzed.It can be referenced for the air conditioning system design of similar projects.

heating and cooling source；ground source heat pump；water loop heat pump

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.06.021

TU831

B

2095-3429（2015）06-0078-03

2015-11-04

修回日期：2015-12-21

柏文（1963-），男，江蘇南京人，本科，學(xué)士，高級(jí)工程師，研究方向：民用建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。