摘 要：水源熱泵系統(tǒng)以其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性在建筑里得到逐步應(yīng)用，但其嚴(yán)格的技術(shù)要求使得其應(yīng)用受到限制。以干休所為例進(jìn)行水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)研究，對(duì)空調(diào)側(cè)循環(huán)水泵進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)，并對(duì)水井進(jìn)行了設(shè)計(jì)。最后對(duì)運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行了計(jì)算。為水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考流程，也為干休所的規(guī)劃和改造提供了新的設(shè)計(jì)理論和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水源熱泵系統(tǒng)； 環(huán)保性； 運(yùn)行費(fèi)用； 參考流程

中圖分類號(hào)：

TN705-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2011)19

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Comprehensive Study on Water Source Heat Pump System Applied in the Force Retired Cadres

LI Wei

(Institute of Electronic Control of Chang’an University， Xi’an 710062， China)

Abstract： Water source heat pump air-conditioning system (WSHPS) with the economy and environmental protection in the long run has been gradually applied in the building， but the strict technical requirements limit the application. The application design of WSHPS in retired cadres is introduced. The air condition side of circulating pump was designed with two parts and wells were also designed. Finally， the operating costs were calculated. A reference design process of WSHPS is provided， a design theory and reference for planning and reconstruction of retired cadres are provided.

Keywords： water source heat pump system; environmental protection; operating cost; reference process

收稿日期：2011-04-02

0 引 言

近十年水源熱泵技術(shù)不斷發(fā)展并且在廣州、深圳、上海、北京、成都等地區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用和探險(xiǎn)索［1］。水源熱泵以其環(huán)保效益顯著，高效節(jié)能，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，一機(jī)多用，自動(dòng)運(yùn)行等特點(diǎn)，成為現(xiàn)代建筑空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)先選擇方案。但同時(shí)，水源熱泵系統(tǒng)要受到可利的水源條件和水層的地理結(jié)構(gòu)的限制，也受到投資經(jīng)濟(jì)性的影響［2］。水源熱泵技術(shù)面臨的主要問(wèn)題在于保持地下熱平衡，水井回灌以及機(jī)組的自動(dòng)化控制等。水源熱泵的應(yīng)用條件比較苛刻，所以在陜西地區(qū)發(fā)展，必須進(jìn)行嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證才能使用［3］。

1 工程簡(jiǎn)介及背景

寶雞干休所位于國(guó)家十一五規(guī)劃中關(guān)中—天水經(jīng)濟(jì)區(qū)的重點(diǎn)城市寶雞市區(qū)東部。根據(jù)關(guān)中—天水經(jīng)濟(jì)區(qū)區(qū)位與范圍圖、經(jīng)濟(jì)區(qū)空間結(jié)構(gòu)圖、城鎮(zhèn)布局圖、重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)布局圖、交通規(guī)劃圖，構(gòu)建符合部隊(duì)和地方特色的創(chuàng)新型示范區(qū)域：實(shí)現(xiàn)體系創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、環(huán)境創(chuàng)新、人才開(kāi)發(fā)、加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)，推進(jìn)資源綜合利用，著力建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型經(jīng)濟(jì)區(qū)示范小區(qū)，綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力實(shí)現(xiàn)新跨越、創(chuàng)新能力有新提升、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有新突破、公共服務(wù)達(dá)到新水平生態(tài)環(huán)境建設(shè)取得新進(jìn)展，森林覆蓋率達(dá)到47%以上是寶雞干休所在新經(jīng)濟(jì)形式下的發(fā)展目標(biāo)［4］。

寶雞干休所總占地面積18 432.87 m2，一期規(guī)劃建筑面積87 031.20 m2，已建建筑面積3 556.8 m2，地上擬建建筑面積69 174.40 m2。其中，干休所老干部綜合樓辦公用房2 860.80 m2，住宅用房面積6 483.60 m2，經(jīng)濟(jì)使用房高層住宅建筑面積59 830.00 m2，規(guī)劃地下建筑面積14 300 m2，地下建筑主要為地下車庫(kù)和設(shè)備用房，不考慮制冷供暖。二期預(yù)留建設(shè)用地中再建三棟32層高層住宅，一期和二期合計(jì)地上建筑面積120 000 m2。綠化率42%，容積率4.5%，同比常規(guī)暖通、空調(diào)系統(tǒng)節(jié)電率43%，平均節(jié)約年度運(yùn)行費(fèi)56%。

2 可行性分析

水源熱泵系統(tǒng)機(jī)組對(duì)水源條件的要求有：水溫適度、水質(zhì)適宜、水量充足和供水穩(wěn)定。本地區(qū)地下水水溫常年為15 ℃左右，符合12~22 ℃的一般要求。熱泵機(jī)組對(duì)水源水質(zhì)的要求是水中的物理成分和化學(xué)成分不能對(duì)機(jī)組造成損害［5-7］。

本項(xiàng)目距渭河北岸2 km，用地為古河道，地表上層為淤積泥沙，下層為鵝卵石加泥沙，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)和查看該地區(qū)周圍的相關(guān)地質(zhì)和水文資料，地下水比較豐富，回灌較好。由于本項(xiàng)目地下室全部挖通，不能滿足水井與建筑物的最小安全距離，所以把水井布置在三醫(yī)院里。綜上所述，本地區(qū)的水源條件基本符合要求，具體條件還需先打?qū)嶒?yàn)井進(jìn)行判斷，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)井的水量和井深確定水源井的數(shù)量和井深。水源井為一抽兩灌，一口監(jiān)測(cè)井。

3 方案設(shè)計(jì)

干休所一期和二期合計(jì)建筑面積120 000 m2(不包括地下建筑)。公攤率按照1.2計(jì)算，空調(diào)區(qū)平均冷指標(biāo)為80 W/m，熱負(fù)荷按照50 W/m計(jì)算，同時(shí)使用系數(shù)按照70％計(jì)算，有：

總冷負(fù)荷為120 000÷1.2×80×70％=5 600 kW；

總熱負(fù)荷為120 000÷1.2×50×70％=3 500 kW。

通常的水源熱泵系統(tǒng)分為兩個(gè)回路，即井水回路和工作回路。兩部分經(jīng)過(guò)水源熱泵進(jìn)行能量交換。出水井的水經(jīng)過(guò)旋流除沙器，電子水處理器進(jìn)行水處理后，再返回到回水井。在工作回路里，經(jīng)過(guò)水源熱泵進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換后，將水進(jìn)行軟化，供居民用水使用。水源熱泵系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

圖1 水源熱泵系統(tǒng)的原理圖

3.1 主機(jī)的選擇

根據(jù)上述總冷熱負(fù)荷，選用2臺(tái)水源熱泵機(jī)組。

表1 某水源熱泵機(jī)組參數(shù)

制冷工況制熱工況

制冷量 /kW2 852.4制熱量 /kW3 052.8

輸入功率 /kW474.4輸入功率 /kW660.6

冷凍水流量 /(m3/h)452.3蒸發(fā)器水流量 /(m3/h)261.4

冷凍水壓降 /kPa90蒸發(fā)器壓降 /kPa30

冷卻水流量 /(m3/h)257.9熱水流量 /(m3/h)525.1

冷凝器壓降 /kPa20冷凝器壓降 /kPa83

名義工況下，機(jī)組制冷源水側(cè)進(jìn)出水溫度為18/29 ℃，負(fù)載側(cè)進(jìn)出水溫度為12/7 ℃;機(jī)組制熱源水側(cè)進(jìn)出水溫度為15/7 ℃，負(fù)載側(cè)進(jìn)出水溫度為40/45 ℃。

3.2 站房?jī)?nèi)管線系統(tǒng)

(1) 地下水從抽水井抽取，由潛水泵直接供到機(jī)房，供機(jī)組使用，然后經(jīng)回灌井回灌到地下。

(2) 空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)水供回水管線與水源熱泵機(jī)組相連，用戶管線安裝循環(huán)水泵，管線上安裝除沙器、電子水處理設(shè)備等。

3.3 空調(diào)側(cè)循環(huán)水泵

由于本項(xiàng)目最高32層，接近100 m的超高層，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，超過(guò)50 m空調(diào)冷凍水側(cè)就應(yīng)當(dāng)分區(qū)。熱泵機(jī)組至18層(包括18層)的建筑和高區(qū)的板換為一次泵，板換至高區(qū)(19層至32層)的末端為二次泵。熱泵機(jī)組制冷工況下蒸發(fā)器負(fù)載側(cè)水流量452.3 m3/h，冷凍水壓降90 kPa；制熱工況下冷凝器負(fù)載側(cè)流量525.1 m3/h，熱水壓降83 kPa。二次循環(huán)泵根據(jù)18層以上的建筑面積確定冷負(fù)荷和熱負(fù)荷、板換的換熱量、水泵的揚(yáng)程和流量，在18層留有一定的面積給二次泵。

3.4 井水抽水水泵

制冷工況下冷凝器源水側(cè)流量為257.9 m3/h， 冷卻水壓降20 kPa;制熱工況下蒸發(fā)器源水側(cè)流量為261.4 m3/h，蒸發(fā)器水壓降30 kPa。地下水平均溫度15 ℃，按照制冷工況下選用水泵。抽水井和回灌井都安裝水泵。

高區(qū)定壓膨脹補(bǔ)水裝置根據(jù)各樓層高區(qū)的面積確定。

3.6 軟化水補(bǔ)水系統(tǒng)

(1) 軟化水出水能力按照水容量的3%計(jì)算，考慮到再生周期的影響，計(jì)算值按2倍計(jì)算，有：

120×3%×2=7.2 m3/h

(2) 采用軟化水補(bǔ)水系統(tǒng)，設(shè)自動(dòng)軟化水器，對(duì)用戶側(cè)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水，水處理量為8 m3/h。

3.7 軟化水箱

軟化水箱容積按照水系統(tǒng)水容量的5%~10%設(shè)計(jì)，此處取5%，即，

V=120×5%=6 m3/h。在此

選用6 m3的軟化水箱。

3.8 自動(dòng)化控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)根據(jù)站房熱泵特點(diǎn)，水系統(tǒng)采用定流量系統(tǒng)，熱泵根據(jù)需求負(fù)荷的變化自動(dòng)進(jìn)行加載或者減載，達(dá)到節(jié)能效果。該系統(tǒng)采用自動(dòng)控制，可以實(shí)現(xiàn)各設(shè)備實(shí)際負(fù)荷需求量運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能，節(jié)省投資的效果，基本做到無(wú)人值守。

3.9 水井設(shè)計(jì)

(1) 根據(jù)選擇的主機(jī)確定水井?dāng)?shù)量

制冷工況下冷凝器源水側(cè)流量為257.9 m3/h， 冷卻水壓降20 kPa，制熱工況下蒸發(fā)器源水側(cè)流量為261.4 m3/h，蒸發(fā)器水壓降30 kPa。地下水平均溫度15 ℃，按照制冷工況下確定井水量和水泵數(shù)量。根據(jù)該項(xiàng)目周圍的水文地質(zhì)資料和周邊已經(jīng)打好的水井，井深一般在100~120 m之間，每口井的抽水量約為63 m3/h。先確定井深100 m，每口井出水量63 m3/h，一抽兩灌，一口監(jiān)測(cè)井。

根據(jù)上述水量確定井的數(shù)量為

257.9×2÷63=8.19口，所以需要抽水井9口，回灌井18口，監(jiān)測(cè)井1口，總共需要28口水井。

(2) 根據(jù)冷熱負(fù)荷校驗(yàn)井的用水量和井的數(shù)量

夏季水源總用水量Gs1(m3/h)，按照下式計(jì)算：

Gs1=0.86×(QL+N)/ΔTs

式中:QL為水源熱泵機(jī)組總制冷量，QL=2 852.4 kW;

N為水源熱泵機(jī)組總耗電功率，N=474.4 kW;

Δts為夏季水源水進(jìn)出熱泵機(jī)組溫差，單位：℃，地下水溫度一般為15 ℃，根據(jù)大多數(shù)機(jī)組的制冷工況下冷卻水(井水)進(jìn)出口溫度為18~29 ℃，此處Δts取11 ℃，有：

Gs1=0.86×(2 852.4+474.4)×2÷11

=520.19 m3/h

520.19÷63=8.26(口)

冬季水源總用水量Gs2(m3/h)，按照下式計(jì)算：

Gs2=0.86×(QR-N)/Δts

式中：QR為水源熱泵機(jī)組總制冷量，QR=3 0528 kW；

N為水源熱泵機(jī)組總耗電功率，N=6606 kW；

Δts為冬季水源水進(jìn)出熱泵機(jī)組溫差，單位:℃。地下水溫度一般為15 ℃，根據(jù)大多數(shù)機(jī)組的制熱工況，冷水(井水)進(jìn)出口溫度為15~7 ℃。此處Δts取8 ℃。于是有：

Gs2=0.86×(3 052.8-660.6)×3 500÷3 052.8÷8

=294.8 m3/h

294.8÷63=4.68(口)

水源總用水量取Gs1與Gs2中的較大者，所以用水量取520.19 m3/h。確定抽水井9口，回灌井18口，監(jiān)測(cè)井1口，總共需要28口水井。井深100 m，直徑600 cm，濾水管325，抽水管80。

4 制冷、采暖運(yùn)行費(fèi)用理論計(jì)算分析

(1) 機(jī)組運(yùn)行說(shuō)明：機(jī)組的選擇已考慮了建筑物的最大負(fù)荷，所以機(jī)組并非全天候滿負(fù)荷運(yùn)行；而且機(jī)組采用電腦全自動(dòng)控制，用戶可以自定溫度的上下限，當(dāng)達(dá)到溫度上限時(shí)機(jī)組自動(dòng)卸載直至停機(jī)，保證用電量的充分節(jié)約。

(2) 由于主機(jī)的運(yùn)行會(huì)受到天氣和實(shí)際運(yùn)行情況等因素的影響，相應(yīng)的運(yùn)行費(fèi)用會(huì)有所變化，所以本運(yùn)行費(fèi)用分析僅供參考。

① 電費(fèi)基數(shù)按0.854元/度計(jì)(380 V居民用電價(jià))，居民用電不考慮峰谷電價(jià)。

② 空調(diào)主機(jī)運(yùn)行費(fèi)用=額定功率×主機(jī)開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)×每天運(yùn)行時(shí)間×實(shí)際運(yùn)行天數(shù)×電價(jià)。

③ 夏季制冷期按照90天計(jì)算，空調(diào)主機(jī)折算到滿負(fù)荷狀態(tài)下，運(yùn)行時(shí)間按照8小時(shí)考慮。在滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下空調(diào)側(cè)開(kāi)啟3臺(tái)水泵，水源側(cè)開(kāi)啟9臺(tái)水泵。冬季供暖期按照100天計(jì)算，空調(diào)主機(jī)折算到滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)間按照10小時(shí)考慮。在達(dá)到設(shè)計(jì)供暖要求的狀態(tài)下空調(diào)側(cè)開(kāi)啟2臺(tái)水泵，水源側(cè)開(kāi)啟5臺(tái)水泵。

④ 水泵隨主機(jī)起停，水泵等設(shè)備耗電量按照上面確定的計(jì)算，其他設(shè)備的耗電功率按3 kW計(jì)算。

夏季運(yùn)行電費(fèi)(90天)按每天8小時(shí)考慮，

運(yùn)行費(fèi)用為(474.4×2+55×3+18.5×9+3)×8×90×0.854=789 076元，運(yùn)行面積120 000 m2。則一個(gè)夏季制冷期的單位建筑面積平均運(yùn)行費(fèi)用為6.58元/m2，一個(gè)制冷期內(nèi)平均每月的運(yùn)行成本為2.2元/m2。

冬季運(yùn)行電費(fèi)(100天)按每天10 h考慮，

運(yùn)行費(fèi)用為(660.8÷3 052.8×3 500+55×2+18.5×5+3)×10×100×0.854=822 487(元)，運(yùn)行面積120 000 m2。一個(gè)冬季采暖期的單位建筑面積平均運(yùn)行電費(fèi)為6.85元/m2。一個(gè)采暖期平均每月的運(yùn)行成本為2.06元/m2。

圖2中數(shù)據(jù)以目前市場(chǎng)中的基本實(shí)際情況為來(lái)源，由此可得出以下結(jié)論：

(1) 地源熱泵比冷水機(jī)組中央空調(diào)節(jié)省42%；

(2) 地源熱泵比直燃機(jī)節(jié)省46%；

(3) 地源熱泵比家用空調(diào)節(jié)省54%。

圖3中數(shù)據(jù)以目前市場(chǎng)中的基本實(shí)際情況為來(lái)源，由此可得出以下結(jié)論：

(1) 地源熱泵比電纜地板采暖節(jié)省60%；

(2) 地源熱泵比天然氣集中采暖節(jié)省62%；

(3) 地源熱泵比掛壁爐供暖節(jié)省67%；

(4) 地源熱泵比電熱膜供暖節(jié)省69%。

因此，地源熱泵系統(tǒng)不論制冷還是采暖運(yùn)行費(fèi)用與傳統(tǒng)方式相比，其節(jié)能效果均十分顯著，符合國(guó)家的節(jié)能減排、生態(tài)能源使用戰(zhàn)略。

圖2 地源熱泵系統(tǒng)夏季運(yùn)行費(fèi)用分析表

圖3 地源熱泵系統(tǒng)冬季運(yùn)行費(fèi)用分析

5 結(jié) 論

本文為陜西地區(qū)水源熱泵系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)施和發(fā)展做出積極的探索和實(shí)踐。陜西部分地區(qū)的地質(zhì)條件能夠滿足水源熱泵系統(tǒng)的基本要求［8-9］，水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)環(huán)保，適合在陜西部分地區(qū)進(jìn)行推廣使用。同時(shí)，本文的設(shè)計(jì)流程， 也為水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了

一個(gè)參考依據(jù)，對(duì)區(qū)域性節(jié)約電能、實(shí)現(xiàn)生態(tài)能源利用做出了努力。同時(shí)，也為我軍現(xiàn)有的1 000多個(gè)部隊(duì)干休所規(guī)劃和改造提供了創(chuàng)新性理論和實(shí)踐設(shè)計(jì)依據(jù)。建設(shè)現(xiàn)代營(yíng)房是全面建設(shè)現(xiàn)代后勤的重要組成部分，是部隊(duì)全面建設(shè)的一項(xiàng)基礎(chǔ)工程，是今后營(yíng)房建設(shè)的發(fā)展方向和長(zhǎng)期任務(wù)。寶雞干休所水源熱泵系統(tǒng)的研究應(yīng)用也將惠及同部隊(duì)系統(tǒng)的寶雞三院營(yíng)房建設(shè)中醫(yī)療環(huán)境品質(zhì)的提升。

參 考 文 獻(xiàn)

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