基于夏熱冬冷地區(qū)水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的一種快速判斷方法

【摘要】本文結(jié)合以長沙為代表的夏熱冬冷地區(qū)氣象條件特點，探討民用建筑基于淺地表水源的開式水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵選取因素，并提供了一種簡單易用的判斷方法，幫助項目相關(guān)方快速判斷具體項目是否適合采用淺地表水源開式水源熱泵系統(tǒng)。其中包含了水源熱泵形式對比、地表水蓄熱蓄冷量分析、水源熱泵快速判斷方法等內(nèi)容，闡述了基于淺地表開式水源熱泵的空調(diào)設(shè)計要點，在滿足建筑熱舒適性的前提下，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

【關(guān)鍵詞】民用建筑;開式水源熱泵;淺地表水源;判斷方法;空調(diào)系統(tǒng);形式對比

1、氣象特點

長沙市屬溫暖濕潤的亞熱帶季風(fēng)氣候，具有四季分明、溫暖潮濕、雨量充沛、嚴(yán)寒期短等特點。根據(jù)氣象部門長年觀測資料統(tǒng)計，本區(qū)多年平均氣溫 16.4～18.2℃，最低為-9℃，最高可達(dá)40℃左右，日平均最高氣溫38.1 ℃，日平均最低氣溫0.4℃。一年之中，1月最冷，月平均氣溫一般為 4～7℃;7月最熱，月平均氣溫為27～30℃。平均風(fēng)速為2.2m/s，最大風(fēng)速為20m/s，風(fēng)向隨季節(jié)變化，冬季多為西北風(fēng)，夏季多為東南風(fēng)。該地區(qū)屬于典型的夏熱冬冷地區(qū)。

根據(jù)《長沙市可再生資源分析評估報告》，長沙市湖泊水深小于5米的淺水湖泊水溫易受當(dāng)?shù)貧庀髼l件的影響，全年出現(xiàn)較大幅度的波動，但最低水溫一般不低于4℃，最高水溫一般不會超過33℃。

2、淺地表水源熱泵形式對比

淺地表水源熱泵形式一般分為開式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)。其中，開式系統(tǒng)是直接從淺地表水源底部抽水，通過板式換熱器與循環(huán)介質(zhì)進(jìn)行熱量交換，并將換熱后的水排至淺地表水源的方式。而閉式系統(tǒng)，則是在水下安裝換熱盤管，將循環(huán)介質(zhì)通過環(huán)路分水器送入封閉式換熱盤管，與水源直接進(jìn)行熱交換，并通過環(huán)路集水器收集后送入循環(huán)泵的方式。

采用閉式水源熱泵，由于換熱盤管為封閉系統(tǒng)，不需要進(jìn)行過多水質(zhì)處理，水泵揚程較低，不會引起地表水源的富營養(yǎng)化，對于水質(zhì)較差的地表水源較適宜。

但是，由于不存在取水排水，水體不存在流動，需要敷設(shè)盤管的范圍較大，盤管較長，管路阻力較大，施工復(fù)雜。由于水體中密布盤管，水體也難以用于其他功用。特別是對于淺表水景，可能會影響水景觀感，一般不適用于兼作景觀等用途的地表水源。

采用開式水源熱泵，需要考慮從水源底部取水，排水需距取水點有一定距離，通過取排水位置的優(yōu)化保證水體的流動，從而提高換熱效率。地表水一般不宜直接進(jìn)入制冷機(jī)組，需要進(jìn)行凈化處理后采用板式換熱器與循環(huán)介質(zhì)進(jìn)行熱交換。為了防止化學(xué)處理方式污染水源，一般采用的凈化方式應(yīng)為物流方式，比如采用旋流除砂器除去水中顆粒物，再通過綜合水處理器進(jìn)行殺菌滅藻和過濾。

采用開式系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，施工方便。另外，需要在水源端設(shè)取水構(gòu)造物，水質(zhì)處理很重要，需要定期進(jìn)行管道清理，排水端與取水端距離需要較遠(yuǎn)，須設(shè)置中間換熱器，有1℃左右溫差損失。

但對于城市項目來說，大多水源需要作為水景等多種用途，采用開式系統(tǒng)符合大多數(shù)建筑的基本要求。因此，本文主要對開式水源熱泵進(jìn)行分析和說明。

3、地表水源蓄熱蓄冷量分析

3.1地表水源熱交換分析

理論分析中可忽略水體雨水及排水對地表水源量的影響，地表水源的得熱量及散熱量主要有太陽輻射得熱φsr、大氣輻射射得熱φar、水體發(fā)出的長波輻射散熱φwr、水面的對流散熱φc、水表面蒸發(fā)散熱φe、地表水源與巖土的換熱φg。

空氣與水直接接觸時，水表面形成的飽和空氣邊界層與主流空氣之間通過分子擴(kuò)散和紊流擴(kuò)散，使邊界層的飽和空氣與主流空氣不斷混摻，從而使主流空氣狀態(tài)發(fā)生變化。因此，空氣與水的熱濕交換過程可以視為主流空氣與邊界層空氣不斷混合的過程。夏冬季，可能出現(xiàn)的地表水源與空氣的熱交換情況有以下三種。

1）水溫高于空氣濕球溫度而低于空氣干球溫度，發(fā)生如下圖所示的A-5過程。此時由于twpqA，部分地表水源蒸發(fā)帶走熱量，同時地表水源被空氣加熱。

2）水溫等于空氣干球溫度時，發(fā)生A-6過程。此時由于tw=tA，pq6>pqA，說明不發(fā)生顯熱交換，空氣狀態(tài)變化過程為等溫加濕。散熱全部依靠部分地表水源蒸發(fā)帶走熱量。

3）水溫高于空氣干球溫度時，發(fā)生A-7過程。此時由于tw>tA，pq7>pqA，空氣被加熱和加濕。散熱依靠部分地表水源蒸發(fā)和與空氣之間的溫差傳熱。

從以上分析可以看出，在最炎熱的夏季中一段時間，地表水源白天從空氣中吸收熱量，晚上則向空氣釋放熱量;最寒冷的冬季某些時間段，由于氣溫低，地表水源無論白天或晚上都向空氣中釋放熱量，對以地表水源供熱來說，是很不利的。

3.2冬季地表水源蓄熱分析

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002），人為造成的環(huán)境水溫變化應(yīng)限制在：周平均最大溫降≤2℃。

按照夏熱冬冷地區(qū)大多數(shù)民用建筑的運行規(guī)律，假設(shè)熱泵機(jī)組每天峰值負(fù)荷運行8小時左右。

（1）地表水源的計算溫度

地表水源平均溫度按8℃計算。

（2）運行30天地表水源允許達(dá)到的極限溫度

運行30天地表水源允許達(dá)到的極限溫度為5℃。

（3）地表水源提供的熱量

假設(shè)某地表水源面積為10000平方米，平均深度1m左右區(qū)域的地表水源參加換熱，有效的換熱地表水源體積約10000立方米。

由熱平衡關(guān)系式：

Qk3600*30*8=ρVCp△t=ρSHCP△t

Qk=1000*10000*4.2*3/（3600*30*8）=146kW

（4）制熱量

蒸發(fā)器需提供的熱量全由地表水源提供，將導(dǎo)致地表水源溫度降低。水源熱泵系統(tǒng)（熱源來自淺地表水源）運行時的COP一般在3.8左右。以COP=3.8為例進(jìn)行計算分析，則地表水源提供的熱量QK=制熱量Q0*（1-1/3.8）。

參照制熱量Q01=146/（1-1/3.8）=196kW

3.3夏季地表水源能量分析

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002），人為造成的環(huán)境水溫變化應(yīng)限制在：周平均最大溫降≤1℃。

同樣假設(shè)熱泵機(jī)組每天峰值負(fù)荷運行8小時左右。

（1）地表水源的計算溫度

地表水源平均溫度按26℃計算。

（2）運行30天地表水源允許達(dá)到的極限溫度

運行30天地表水源允許達(dá)到的極限溫度為32℃。

（3）地表水源提供的熱量

假設(shè)某地表水源面積為10000平方米，平均深度1m左右區(qū)域的地表水源參加換熱，有效的換熱地表水源體積約10000立方米。

由熱平衡關(guān)系式：

Qk3600*30*8=ρVCp△t=ρSHCP△t

Qk=1000*10000*4.2*6/（3600*30*8）=292kW

（4）制冷量

冷凝器產(chǎn)生的熱量全部排入地表水源，導(dǎo)致地表水源溫度升高。水源熱泵系統(tǒng)（冷源來自淺地表水源）運行時的COP一般在4.2范圍內(nèi)，以COP=4.2為例進(jìn)行計算分析，則排入地表水源的熱量Qk=制冷量Q0 （1+1/4.2）。

參照制冷量Q02=729/（1+1/4.2）=235kW

4、水源熱泵快速判斷方法

由以上分析可知，對于基于地表水源的開式水源熱源空調(diào)系統(tǒng)，冬季制熱量和夏季制冷量與地表水源的深度、面積有較大關(guān)系。

地表水源在未考慮夜間水源換熱的情況下，按照假設(shè)條件，水源平均深度1m，水體面積10000平方米，每天空調(diào)系統(tǒng)以峰值運行8小時，能至少滿足空調(diào)系統(tǒng)在冬季按照196kW的滿負(fù)荷運行30天，在夏季按照235kW的滿負(fù)荷運行30天。

4.1判斷方法

按照實際地表水源的平均深度為A（單位為m），滿足平均深度A的水源面積為B（單位為萬㎡）。

在冬季，實際項目的開式水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制熱量：

Qr =參照制熱量Q01*A*B=196*A*B

在夏季，實際項目的開式水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制冷量：

Ql=參照制冷量Q01*A*B=235*A*B

4.2案例說明

某項目景觀湖湖泊面積約5萬㎡，地表水源平均水深3.5m。地表水源熱泵取水口設(shè)置在湖底最深處，回水口設(shè)置在一般水深區(qū)，水泵的取水口與回水口的位置相隔一定的距離。

按照上述判斷方法，可得出如下成果：

冬季制熱量Qr =參照制熱量

Q01*A*B=196*3.5*5=3430kW

夏季制冷量Ql=參照制冷量

Q01*A*B=235*3.5*5=4112kW

本項目中，未考慮夜間水源換熱的情況下，按照假設(shè)條件，地表水源平均深度3.5m，水體面積5萬平方米，每天空調(diào)系統(tǒng)以峰值運行8小時，能至少滿足空調(diào)系統(tǒng)在冬季按照3430kW的熱負(fù)荷滿負(fù)荷運行30天，在夏季按照4112kW的冷負(fù)荷滿負(fù)荷運行30天。

實際上，具體項目的空調(diào)系統(tǒng)每天滿負(fù)荷運行時間低于8小時，因此應(yīng)根據(jù)實際項目條件進(jìn)行調(diào)整換算。

結(jié)語：

淺地表開式水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，以地表水為冷熱源，不消耗水資源，節(jié)省了鍋爐房及附屬儲油間、冷卻塔等設(shè)施，機(jī)房面積小于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，更有利于建筑的美觀，也不影響水源用于景觀展示等其它用途。此外，水源熱泵系統(tǒng)全程無燃燒過程，避免了排煙、排污等污染，避免產(chǎn)生城市熱島效應(yīng)及霧霾問題。

本文以長沙為代表，對夏熱冬冷地區(qū)的淺地表水源熱泵的形式進(jìn)行了對比分析，并出具了一個簡單判斷方法，用于判斷淺地表水源是否適合采用開式水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，從而幫助工程人員在項目初期快速判斷是否可以采用水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，利于清潔能源的推廣。

作者簡介：

李星亮（1989-），男，瑤族，湖南永州，本科，工程師，主要從事暖通設(shè)計和BIM技術(shù)研究推廣工作。