孫朝陽 宋晉豫

地源熱泵是一種先進(jìn)的技術(shù),它高效、節(jié)能、環(huán)保,有利于可持續(xù)發(fā)展。地源熱泵技術(shù)利用地下的土壤、地表水、地下水溫相對(duì)穩(wěn)定的特性,通過消耗電能,在冬天把低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到需要供熱或加溫的地方,在夏天還可以將室內(nèi)的余熱轉(zhuǎn)移到低位熱源中,達(dá)到降溫或制冷的目的[1]。地源熱泵系統(tǒng)可分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)、地表水地源熱泵系統(tǒng)三種形式。地源熱泵不需要人工的冷熱源,可以取代鍋爐或市政管網(wǎng)等傳統(tǒng)的供暖方式和中央空調(diào)系統(tǒng)。冬季它代替鍋爐從土壤、地下水或者地表水中取熱,向建筑物供暖;夏季它可以代替普通空調(diào)向土壤、地下水或者地表水放熱給建筑物制冷。同時(shí),它還可供應(yīng)生活用水,是一種有效利用能源的方式。本文就以山西某住宅項(xiàng)目為例,闡述了地下水地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用。

1 地下水地源熱泵系統(tǒng)的工作原理

地下水地源熱泵是以水為熱源,進(jìn)行制冷/制熱循環(huán)的一種熱泵型空調(diào)系統(tǒng),在制熱時(shí)以水為熱源,而在制冷時(shí)以水為排熱源(見圖1)。夏季,水源熱泵機(jī)組從可利用水源中吸取冷量,為用戶端供冷,取冷后水回到水中,同時(shí)使水溫升高。冬季從可利用水源中提取熱量后,為用戶端供暖,取熱后的水回到水中,同時(shí)使水溫降低。此系統(tǒng)又稱為蓄能型水源熱泵系統(tǒng)。

2 地下水地源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)

1)高效節(jié)能,保護(hù)環(huán)境。2)一機(jī)多用,初投資小。3)運(yùn)行穩(wěn)定。

3 工程實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概況

該住宅小區(qū)項(xiàng)目位于山西永濟(jì)市區(qū),總建筑面積235 000 m2,一期工程占地75 000 m2,共18幢住宅樓,為磚混結(jié)構(gòu)。本工程(一期工程)夏季冷負(fù)荷 11 330 kW,冬季熱負(fù)荷10 197 kW,空調(diào)系統(tǒng)為地源熱泵中央空調(diào),主機(jī)美國開利螺桿式水—水熱泵機(jī)組30HXC 350A-HP1機(jī)組,空調(diào)末端采用美國開利42CE系列風(fēng)機(jī)盤管。

3.2 空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

夏季空調(diào)室外計(jì)算溫度:35.2℃,冬季空調(diào)室外計(jì)算溫度:-7℃;井水夏季出水溫度16℃,到達(dá)機(jī)房的溫度按17℃計(jì)算,井水冬季出水溫度16℃,到達(dá)機(jī)房的溫度15.5℃;夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)計(jì)算溫度:(26±2)℃,冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)計(jì)算溫度:(18±2)℃。

3.3 空調(diào)系統(tǒng)冷熱源的選擇

針對(duì)本項(xiàng)目的工程特點(diǎn)及其工程所在地周邊區(qū)域水資源的了解和勘察,該地區(qū)具有以下五類可以利用的水資源:1)該地區(qū)距離黃河較近,且黃河水已被引入市區(qū),其管道設(shè)施經(jīng)過本項(xiàng)目所在地;2)該項(xiàng)目所臨近的柳園公園的污水處理站的污水;3)為電機(jī)廠及其小區(qū)供水的二級(jí)泵站的地下蓄水池;4)從項(xiàng)目所在地經(jīng)過的永濟(jì)市區(qū)生活污水管網(wǎng);5)地下井水。

經(jīng)過對(duì)以上各類水資源進(jìn)行分析比較,我們認(rèn)為:黃河水輸水管道無論從水量、水溫、水質(zhì)、提水所消耗的代價(jià)以及水源長(zhǎng)期保障性都基本符合該項(xiàng)目的水源需求,應(yīng)當(dāng)為該項(xiàng)目水源的首選方案,其余幾項(xiàng)可作為長(zhǎng)期運(yùn)行過程中對(duì)水量、水溫等的補(bǔ)充、調(diào)節(jié)保障措施。

3.4 機(jī)房系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.4.1 冷熱負(fù)荷計(jì)算

針對(duì)該小區(qū),設(shè)計(jì)夏季室內(nèi)溫度為(26±2)℃,冬季室內(nèi)溫度為(18±2)℃。根據(jù)住宅空調(diào)使用特點(diǎn)我們進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算,該小區(qū)做有建筑節(jié)能外墻保溫和雙玻璃節(jié)能措施,按經(jīng)常同時(shí)使用房間最大負(fù)荷配置冷(熱)源,統(tǒng)計(jì)規(guī)律表明,客廳+餐廳+負(fù)荷最大的臥室為最大負(fù)荷,冷指標(biāo)為45 W/m2～55 W/m2,熱指標(biāo)為45 W/m2,由于本小區(qū)比較龐大,存在大量的交替使用率,故本方案制冷按50 W/m2計(jì)算,制熱按45 W/m2,本小區(qū)總建筑面積約為220 000 m2,即所需總制冷量為11 000 kW,總制熱量為9 900 kW。能量在輸送過程中,水泵、管網(wǎng)都存在冷熱量的損耗,取輸送損失3%的修正系數(shù),則修正后的冷熱負(fù)荷為:總制冷量為11 330 kW,總制熱量為10 197 kW。

3.4.2 主機(jī)及機(jī)房

1)水源熱泵主機(jī)的選擇。根據(jù)以上冷熱負(fù)荷計(jì)算,主機(jī)選擇30HXC 350A-HP1螺桿式水—水熱泵機(jī)組 9臺(tái),總制冷量為11 664 kW,總制熱量為12 492 kW。由于該小區(qū)比較龐大,可分為3個(gè)區(qū)域來控制,即3臺(tái)主機(jī)為一個(gè)機(jī)房,即每個(gè)機(jī)房配置3臺(tái)主機(jī),該系統(tǒng)制冷量為3 888 kW,制熱量為4 164 kW。此機(jī)型每臺(tái)機(jī)組有兩條單獨(dú)的回路,4臺(tái)壓縮機(jī),共有6條單獨(dú)回路,12臺(tái)壓縮機(jī),每臺(tái)壓縮機(jī)分3級(jí)調(diào)節(jié),最小調(diào)節(jié)冷熱量可達(dá)3.1%,部分負(fù)荷非常節(jié)能,同時(shí),又具有互為備用性。2)機(jī)房系統(tǒng)。a.機(jī)房系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。永濟(jì)電廠小區(qū)樓群集中,有公共綠地,設(shè)計(jì)機(jī)房置于公共綠地地下,每個(gè)機(jī)房占地面積為180 m2,高度約為3.5 m～3.8 m。機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備有:水源熱泵主機(jī)3臺(tái),型號(hào)為30HXC 350A-HP1;用戶側(cè)循環(huán)水泵4臺(tái),三用一備,電子水處理儀2臺(tái),每臺(tái)處理水量150 t/h。b.機(jī)房系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)體現(xiàn)為節(jié)能性和自動(dòng)化控制。水源熱泵主機(jī)具有能效比高的特點(diǎn),它的能效比高達(dá)1∶6.4,在同行業(yè)中為最高,一般都在 1∶5.8～1∶6之間。

整個(gè)小區(qū)共分為3個(gè)區(qū)域,配置3個(gè)機(jī)房:每個(gè)機(jī)房選用3臺(tái)主機(jī),每臺(tái)主機(jī)有2條獨(dú)立的工作回路,4臺(tái)壓縮機(jī)。3臺(tái)主機(jī)共有6條回路,12臺(tái)壓縮機(jī),任何一條回路發(fā)生故障,不會(huì)影響其他回路正常工作。12臺(tái)壓縮機(jī),可達(dá)到36級(jí)能量調(diào)節(jié),最低調(diào)節(jié)范圍可達(dá)3.1%,調(diào)節(jié)柔和,部分負(fù)荷非常節(jié)能。

機(jī)房系統(tǒng)的自動(dòng)化控制:用戶側(cè)循環(huán)水泵和冷卻泵根據(jù)末端用戶需求量的多少自動(dòng)開啟1臺(tái)、2臺(tái)或3臺(tái)水泵。自動(dòng)化控制,部分負(fù)荷更為節(jié)能。整個(gè)小區(qū)總功率為:夏季:主機(jī)202×9+45×9=2 223 kW。冬季:主機(jī) 320×9+45×9=3 285 kW。

3.5 空調(diào)末端的選擇

末端選擇42CE系列風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組。42CE系列風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組具有超薄機(jī)身、超高效率、超低噪聲、使用方便、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn),尤其是機(jī)組高度僅為220 mm,節(jié)省安裝空間,提升裝修標(biāo)高。

4 結(jié)語

1)該項(xiàng)目屬于可再生能源利用,環(huán)保、節(jié)能。因?yàn)榈卦礋岜檬抢昧说厍虮砻鏈\層地?zé)豳Y源(通常小于400 m深)作為冷熱源,進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層是一個(gè)巨大的太陽能集熱器,收集了47%的太陽能量,比人類每年利用能量的500倍還多[2]。它不受地域、資源等限制,真正是量大面廣、無處不在。而且據(jù)美國環(huán)保署EPA估計(jì),設(shè)計(jì)安裝良好的地源熱泵,平均來說可以節(jié)約用戶30%～40%的供熱制冷空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用[3]。2)該項(xiàng)目系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用低。在同等條件下,采用地源熱泵系統(tǒng)的建筑物能夠減少維護(hù)費(fèi)用。地源熱泵非常耐用,它的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件非常少,所有的部件不是埋在地下便是安裝在室內(nèi),從而避免了室外的惡劣氣候,其地下部分可保證50年,地上部分可保證30年[4],因此地源熱泵是免維護(hù)空調(diào),節(jié)省了維護(hù)費(fèi)用,使用戶的投資在3年左右即可收回。3)鑒于機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)省和國家對(duì)節(jié)能減排工作的重視,本項(xiàng)目運(yùn)用地源熱泵系統(tǒng)最為經(jīng)濟(jì)。

[1]將照能,劉道平.水源、地源、水環(huán)熱泵空調(diào)技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[2]李中領(lǐng),金 寧,孫 鵬,等.地源熱泵應(yīng)用于戶式中央空調(diào)的發(fā)展前景[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2004(2):51-53.

[3]周亞素,張 旭,陳沛霖.土壤源熱泵機(jī)組冬季供熱性能的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002,28(1):5-9.

[4]王 勇.地源熱泵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2001(5):12-13.

[5]楊艷紅,倪國葳,馬 卉.地源熱泵技術(shù)與建筑節(jié)能[J].山西建筑,2009,35(11):175-176.