林　臻

(平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)土地開(kāi)發(fā)集團(tuán)有限公司　福建平潭　350400 )

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平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)科技文化中心海水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用介紹

林臻

(平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)土地開(kāi)發(fā)集團(tuán)有限公司福建平潭350400 )

文章以當(dāng)前中國(guó)的能源及環(huán)境狀況為背景，介紹了節(jié)能及環(huán)保意義非常重大的水源熱泵系統(tǒng)的工作原理及優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)科技文化中心項(xiàng)目的情況，論證了海水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的可行性、節(jié)能性。

水源熱泵；工作原理及特點(diǎn)；必要性；節(jié)能性

1　背景

目前我國(guó)GDP占全球總量的1/30，消耗能源總量高于全球1/10，如圖1和圖2所示。從我國(guó)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)看，煤炭、原油、天然氣等傳統(tǒng)能源的消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的92%以上。新能源的利用率遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家的水平[1]。

2002年全國(guó)建筑能耗已占全國(guó)能源消耗總量的27.8%左右，而在建筑能耗中，空調(diào)用電又占到了30%～40%左右，每年夏天都由于空調(diào)用電量的大量增加造成供電緊張，供需矛盾十分突出[2]。

由于能源使用效率低下，加劇了我國(guó)生態(tài)環(huán)境的污染。因此，如何在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，減少能源消耗，減少環(huán)境污染已經(jīng)成為能否轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式的重要問(wèn)題。在這樣的大環(huán)境下，低能耗、低污染、高效率的可再生能源的開(kāi)發(fā)利用已經(jīng)刻不容緩，可再生能源在空調(diào)技術(shù)上面的應(yīng)用是一條很值得探索的道路[3，4]。

根據(jù)國(guó)家及福建省有關(guān)綠色建筑行動(dòng)方案的文件[5,6]，國(guó)家積極鼓勵(lì)推進(jìn)可再生能源建筑規(guī)?；瘧?yīng)用，積極推動(dòng)太陽(yáng)能、淺層地能、生物質(zhì)能等可再生能源在建筑中的應(yīng)用。

海洋是一個(gè)巨大的能源庫(kù)。由于海水的熱容量比較大，為3 996kJ/(m3·℃)，太陽(yáng)輻射能以熱能的形式儲(chǔ)存在海水中。東海海域冬季海水溫度一般在+10℃以上，冰點(diǎn)溫度通常在-2℃左右，采用熱泵技術(shù)，冬季把海水的低位熱能轉(zhuǎn)換為高熱位能用作供熱。夏季，海水溫度一般在20℃～30℃左右，是非常好的冷卻用水。海水源熱泵系統(tǒng)是可再生能源利用達(dá)到實(shí)用的技術(shù)之一。

2　水源熱泵技術(shù)的基本原理

地球表面淺層水源中吸收的太陽(yáng)能和地?zé)崮苄纬傻蜏氐臀粺崮苜Y源，水源熱泵技術(shù)是通過(guò)熱泵原理，以消耗少量的高位電能，將低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)[7]。

淺層水源的溫度一般比較穩(wěn)定。夏季地表水源作為熱泵機(jī)組的冷卻用水，將建筑物中的熱量轉(zhuǎn)移到水源中，冬季熱泵機(jī)組從水源中提取能量，根據(jù)熱泵原理，通常水源熱泵消耗1kW的能量可以得到4kW以上的熱量或冷量。

水源熱泵機(jī)組工作的原理如圖3所示：

從對(duì)水源的利用方式區(qū)分，水源熱泵有閉式系統(tǒng)和開(kāi)式系統(tǒng)2種。閉式系統(tǒng)的水源側(cè)為閉式循環(huán)換熱管，換熱管可水平或垂直埋于地下或地表水中，通過(guò)與土壤或地表水熱交換實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移。土壤中埋管的系統(tǒng)又稱土壤源熱泵，埋于地表水中的系統(tǒng)又稱水源熱泵。開(kāi)式系統(tǒng)是指將地下水或地表水直接用于熱泵機(jī)組換熱的系統(tǒng)。

3　水源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

水源熱泵技術(shù)是利用地表水作為空調(diào)冷熱源，與常規(guī)冷水機(jī)組及風(fēng)冷熱泵機(jī)組相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)具有高效節(jié)能性

地表水溫度冬季一般為10℃以上，水溫比環(huán)境空氣溫度高，機(jī)組蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度提高使得能效比提高。而夏季水溫一般在為28℃以下，水溫比環(huán)境空氣溫度低，冷凝器的冷凝溫度降低使得機(jī)組效率提高[8]。水源熱泵系統(tǒng)可節(jié)約30%～40%的空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用。

(2)是可再生能源利用的一項(xiàng)技術(shù)

水源熱泵系統(tǒng)將地球地表水體所儲(chǔ)藏的太陽(yáng)能資源，通過(guò)熱泵原理進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，提供空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源?？梢岳玫乃w包括地下水或江、河、湖泊、海洋等地表水。水體不僅是一個(gè)巨大的太陽(yáng)能儲(chǔ)存庫(kù)，同時(shí)建筑物的空調(diào)負(fù)荷夏季轉(zhuǎn)移至水體，冬季從水體獲得能源，水體又是一個(gè)巨大的動(dòng)態(tài)能量平衡系統(tǒng)，水源熱泵系統(tǒng)是可再生能源利用的一種技術(shù)。

(3)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定可靠性好

由于水體的全年溫度相對(duì)穩(wěn)定，波動(dòng)的范圍遠(yuǎn)小于空氣溫度的變動(dòng)，熱泵機(jī)組運(yùn)行更穩(wěn)定可靠，避免了空氣源熱泵冬季除霜問(wèn)題，冬季供暖運(yùn)行可靠性高。

(4)環(huán)境效益提高

空調(diào)系統(tǒng)消耗的能源以電力為主，我國(guó)的電廠發(fā)電目前仍以火電為主，產(chǎn)生大量的污染物和二氧化碳溫室氣體，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響，水源熱泵系統(tǒng)與空氣源熱泵相比，能耗減少30%以上，與電供暖相比，能耗減少70%以上，節(jié)能就是減少環(huán)境污染。水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行是建筑物的室內(nèi)負(fù)荷與天然水體之間的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染。

(5)多用性

水源熱泵機(jī)組既可作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源，又可供生活熱水，機(jī)組還可以另外配套熱回器。夏季制冷運(yùn)行時(shí)可部分或全部回收熱量獲得免費(fèi)的生活熱水，同時(shí)減少排出的熱量，進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率。一套系統(tǒng)可以代替常規(guī)的冷水機(jī)組及鍋爐，減少了設(shè)備的初投資及機(jī)房的面積。

4　平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)科技文化中心項(xiàng)目概況

平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)科技文化中心項(xiàng)目是一棟綜合各種公共事業(yè)性場(chǎng)館的建筑，項(xiàng)目位于福建省平潭綜合試驗(yàn)區(qū)，地塊總用地面積為55 486.71m2，總建筑面積114 438.24m2，其中地下建筑面積47 870.24m2，設(shè)有科技館、博物館、青少年宮多媒體綜合使用廳、地下車庫(kù)、設(shè)備用房等；地上建筑面積66 568m2，設(shè)有婦女兒童活動(dòng)中心、青少年宮、青少年校外體育活動(dòng)中心、青少年校外活動(dòng)中心、青少年心理輔導(dǎo)中心、文化館、美術(shù)館、圖書(shū)館、科技館、博物館、青少年宮多媒體綜合使用廳門廳等。建設(shè)用地緊靠竹嶼湖，離湖邊直線距離約20m，湖面占地約55.1hm2，平均水深約為4.7m。竹嶼湖為圍海而成的人工湖，湖面西側(cè)建有水閘與外海連通，每月定期開(kāi)閘2～3次，使湖水與海水流通更換，當(dāng)?shù)仫L(fēng)大，湖水具備一定的流動(dòng)性，散熱良好。

5　采用水源熱泵系統(tǒng)的必要性、可行性

平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)科技文化中心項(xiàng)目的規(guī)劃建設(shè)，正處在我國(guó)“十三五”規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段。在“十三五”的規(guī)劃中己將節(jié)約資源、綠色發(fā)展、合理的利用資源作為一項(xiàng)基本國(guó)策。所以“平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)科技文化中心”項(xiàng)目的建設(shè)不僅要體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)實(shí)力及技術(shù)水平，而且有必要在城區(qū)規(guī)劃、能源規(guī)劃與服務(wù)水平上有新的突破和創(chuàng)新，充分體現(xiàn)平潭試驗(yàn)區(qū)對(duì)國(guó)家“十三五”規(guī)劃綱要中提出的“建設(shè)資源節(jié)約型，綠色發(fā)展，綜合利用”要求的實(shí)施。

平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)科技文化中心項(xiàng)目是當(dāng)?shù)匾豁?xiàng)大型綜合性的標(biāo)志性公共建筑，建筑物以白鷺為造型，屋面為綠化及人行休閑步道，室外廣場(chǎng)與竹嶼湖邊木棧道結(jié)合形成景觀公園，常規(guī)集中空調(diào)系統(tǒng)的冷卻塔或風(fēng)冷熱泵機(jī)組無(wú)處安裝。地上建筑均為人員密集的場(chǎng)所，從消防安全考慮空調(diào)系統(tǒng)熱源不能采用鍋爐?；鼐o靠竹嶼湖，水量充足，冬季水溫在14℃以上，利用竹嶼湖作為水源，采用水源熱泵系統(tǒng)作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源具有得天獨(dú)厚的條件，水源熱泵系統(tǒng)作為一項(xiàng)可再生能源利用的措施，既減少了對(duì)周邊環(huán)境的污染，又極大地提高了空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低了運(yùn)行成本，在本工程中的應(yīng)用具有必要性和可行性。

6　冷熱源配置

本工程以竹嶼湖湖水作為水源，采用水冷冷水機(jī)組及水源熱泵機(jī)組作為建筑集中空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源。項(xiàng)目夏季設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為11 500kW,冬季設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為4 900kW。冷熱源主機(jī)采用2臺(tái)制冷量為3 164kW的三級(jí)壓縮離心式水冷單冷組機(jī)、1臺(tái)制冷量為3 164kW制熱量為3 150kW的三級(jí)壓縮離心式水源熱泵組機(jī)、2臺(tái)制冷量為1 073.1kW制熱量為1 118.4kW的螺桿式水源熱泵組機(jī)。夏季5臺(tái)機(jī)組最大制冷量11 638.2kW，冬季3臺(tái)水源熱泵組機(jī)的最大制熱量為5 386.8kW。

7　循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)當(dāng)?shù)厮块T提供的數(shù)據(jù)，竹嶼湖面積為55.1hm2，年平均氣溫為19.4℃，多年平均降雨量為1 192.6mm，多年平均高潮位為3.26m，多年平均低潮位為-3.03m。竹嶼湖通過(guò)已建成的水閘與外海連通，通過(guò)水閘調(diào)節(jié)湖水水位并定時(shí)換水，湖岸最低地坪標(biāo)高為1m，湖面常年控制水位高度為0.5m，最高控制水位標(biāo)高為0.8m。水閘設(shè)計(jì)高潮位為：5年一遇：4.23m；10年一遇：4.5m；20年一遇：4.7m；50年一遇：4.97m；100年一遇：5.15m。水閘設(shè)計(jì)低潮位為：5年一遇：-3.89m；10年一遇：-3.96m；20年一遇：-4.03m；50年一遇：-4.13m；100年一遇：-4.19m。水閘擋潮閘規(guī)格為7m×10m，設(shè)計(jì)流量為961m3/s,閘頂高程為6.70m,閘底板高程為-3.50m。

由于水閘起到調(diào)節(jié)水位高度的作用，竹嶼湖水位常年穩(wěn)定控制在0.5m高程，平均水深為4.7m，取水頭處水深5m，取水口在水面下4.5m處，距機(jī)房約50m。在取水口處設(shè)有取水室，取水室由若干塊表面鉆有小孔的鋼板焊接而成，以避免吸入大的顆粒物或雜物，湖水循環(huán)泵和水處理裝置均設(shè)在冷熱源機(jī)房。根據(jù)夏季最大冷負(fù)荷，湖水循環(huán)水設(shè)計(jì)流量為2 770m3/h，取、排水管采用管徑為D630×12mm的PE管，管道最大流速為2.6m/s。為了保證湖水泵吸水側(cè)能夠始終充滿水，不出現(xiàn)負(fù)壓，在吸水管上安裝有旋啟式止回閥。一旦水泵停止運(yùn)行，止回閥便自動(dòng)關(guān)閉。

根據(jù)竹嶼湖水面面積及平均水深，湖水總蓄水量為259萬(wàn)m3，本工程根據(jù)計(jì)算空調(diào)負(fù)荷，夏季運(yùn)行3個(gè)月總釋放熱量為580萬(wàn)kW，冬季運(yùn)行3個(gè)月總吸收熱量為247萬(wàn)kW。期間即使水閘不換水，夏季湖水水溫溫升小于1.9℃，冬季湖水水溫溫降小于0.8℃。根據(jù)當(dāng)?shù)厮块T提供的情況，水閘每月會(huì)根據(jù)潮汐情況定期換水2～3次，且湖水表面本身自然蒸發(fā)散熱，因此采用水源熱泵系統(tǒng)，對(duì)湖水水溫的影響微乎其微，不會(huì)對(duì)水資源造成生態(tài)影響。

平潭年平均氣溫為19.8℃，夏季室外日平均氣溫為30.8℃，冬季空調(diào)室外計(jì)算溫度為4.4℃，冬季通風(fēng)室外計(jì)算溫度為10.9℃，根據(jù)當(dāng)?shù)厮块T的水溫資料，5年中最低水溫為13.9℃，最高水溫為30.1℃，歷年平均不保證50H(2d)的最低水溫為14.4℃ ，歷年平均不保證50H(2d)的最高水溫為29.5℃。水源側(cè)夏季設(shè)計(jì)水溫取29.5℃，冬季設(shè)計(jì)水溫取14.4℃。由于竹嶼湖水與外海連通，海水具有腐蝕性，為保證主機(jī)設(shè)備長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，采用板換機(jī)組進(jìn)行換熱后供主機(jī)，板換一、二次側(cè)的溫差按2℃設(shè)計(jì)，進(jìn)入主機(jī)設(shè)備的水溫夏季按31.5℃，冬季按12.4℃。冷凝器及蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)溫差按6℃，夏季冷凝器側(cè)的進(jìn)出水溫度為31.5℃/37.5℃，冬季蒸發(fā)器側(cè)的進(jìn)出水溫度為12.4℃/6.4℃。大部分時(shí)間夏季實(shí)際水溫低于設(shè)計(jì)工況，冬季實(shí)際水溫高于設(shè)計(jì)工況，系統(tǒng)根據(jù)測(cè)得的進(jìn)水溫度，通過(guò)自控系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，夏季降低冷凝器的冷凝溫度，冬季提高蒸發(fā)溫度，變頻調(diào)節(jié)循環(huán)水泵流量，采取加大溫差減少流量的方式提高運(yùn)行效率。根據(jù)機(jī)組電腦控制器的設(shè)定，當(dāng)蒸發(fā)器出口溫度降低到4℃時(shí)，機(jī)組會(huì)報(bào)警并自動(dòng)停機(jī)，因?yàn)檫@時(shí)蒸發(fā)器表面的溫度極有可能降至0℃以下，蒸發(fā)器表面可能出現(xiàn)結(jié)冰。當(dāng)冬季機(jī)組進(jìn)水溫度接近10℃時(shí)(湖水溫度接近12℃)，如果還維持6℃的溫差，蒸發(fā)器出口溫度會(huì)接近4℃。這時(shí)需要加大循環(huán)泵流量，減小溫差，最小溫差定為3℃，即機(jī)組進(jìn)水溫度需大于7℃(湖水溫度需大于9℃)。根據(jù)歷年水溫資料，當(dāng)?shù)囟咀畹退疁鼐哂?℃，所以采用水源熱泵系統(tǒng)可以保證機(jī)組在冬季的可靠運(yùn)行。

在用戶側(cè)，夏季供回水溫度為6.5℃/12.5℃，冬季供回水溫度為46℃/40℃，根據(jù)室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷的變化，水系統(tǒng)采取一次泵變流量運(yùn)行，空調(diào)末端風(fēng)機(jī)盤(pán)管由房間溫度控制回水管上的電動(dòng)平衡二通控制閥，并設(shè)有房間手動(dòng)三檔風(fēng)機(jī)調(diào)速開(kāi)關(guān)。新風(fēng)機(jī)組及組合式空調(diào)箱根據(jù)新風(fēng)焓值及出風(fēng)溫度控制回水管上的比例式電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。

根據(jù)水質(zhì)報(bào)告，竹嶼湖水質(zhì)如表1。

表1　竹嶼湖水質(zhì)情況

本工程通過(guò)設(shè)置板換二次換熱，進(jìn)入主機(jī)的循環(huán)水為閉式循環(huán)，板換設(shè)備之前的湖水進(jìn)行凈化處理。如果采用投藥的化學(xué)處理方法會(huì)污染湖水，投藥費(fèi)用也很高。本工程使用物理方法處理湖水。湖水首先進(jìn)入旋流除砂器，除去水中的顆粒物，然后通過(guò)綜合水處理器，利用其中的高頻高壓電場(chǎng)及復(fù)合過(guò)濾體系進(jìn)行殺菌滅藻和凈化過(guò)濾處理。

8　系統(tǒng)運(yùn)行的節(jié)能措施

由于本項(xiàng)目各種場(chǎng)館數(shù)量多、運(yùn)行時(shí)間不同、客流量變化大，為適應(yīng)空調(diào)負(fù)荷的變化，冷熱源主機(jī)采用三大二小多臺(tái)機(jī)組配置，并根據(jù)運(yùn)行工況調(diào)整機(jī)組開(kāi)啟臺(tái)數(shù)，使機(jī)組在部分負(fù)荷下高效運(yùn)行。系統(tǒng)的冷卻水泵、冷熱水泵采取變頻運(yùn)行，水源側(cè)循環(huán)水系統(tǒng)根據(jù)湖水溫度的變化，在湖水溫度滿足要求的情況下實(shí)現(xiàn)大溫差運(yùn)行，減少水泵耗電量。用戶側(cè)空調(diào)末端設(shè)備配置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)節(jié)，冷熱水泵根據(jù)系統(tǒng)壓力變頻調(diào)節(jié)以減少水泵耗電量。冷熱源主機(jī)自配控制系統(tǒng)，根據(jù)負(fù)荷變化，部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)無(wú)極調(diào)速，并配合運(yùn)行臺(tái)數(shù)控制實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。空調(diào)水系統(tǒng)根據(jù)不同使用功能的場(chǎng)館區(qū)域合理分區(qū)，各分區(qū)回路設(shè)置能量計(jì)量系統(tǒng)。冷熱源主機(jī)房、空調(diào)末端設(shè)備、各場(chǎng)館能量計(jì)量系統(tǒng)均通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)集中管理，通過(guò)自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

9　結(jié)語(yǔ)

平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)科技文化中心項(xiàng)目，作為當(dāng)?shù)匾粋€(gè)具有極大影響力的標(biāo)志性建筑，同時(shí)也應(yīng)成為一個(gè)綠色節(jié)能的示范性項(xiàng)目。充分利用現(xiàn)有的自然條件，在空調(diào)系統(tǒng)中采用水源熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可再生能源利用，將會(huì)產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益，有利于提高我國(guó)的建筑能源效率和建筑節(jié)能水平，有利于建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)，推廣應(yīng)用前景非常廣闊。

[1]中國(guó)環(huán)境與發(fā)展國(guó)際合作委員會(huì)能源戰(zhàn)略與技術(shù)工作組.能源與可持續(xù)發(fā)展[M].中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2003，8.

[2]龍惟定.我國(guó)電力緊缺對(duì)空調(diào)業(yè)的挑戰(zhàn)[J].暖通空調(diào)，2004, 34(5)39-40.

[3]龍惟定.試論中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)與空調(diào)冷熱源的選擇取向[J].暖通空調(diào)，2000, 30(5) 27-32.

[4]范存養(yǎng).面向地球環(huán)境時(shí)代的空調(diào)技術(shù)[J].制冷與空調(diào)，2002, 1(1)23-32.

[5]國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)展改革委住房城鄉(xiāng)建設(shè)部綠色建筑行動(dòng)方案的通知[Z].國(guó)辦發(fā)〔2013〕1號(hào).

[6]福建省綠色建筑行動(dòng)實(shí)施方案[Z].閩政辦〔2013〕129 號(hào).

[7]姚楊,馬最良.淺議熱泵定義[J].暖通空調(diào)，2002,32(3)1.

[8]T.T.Chow.Applying district-cooling technology in Hong Kong[J].Applied Energy.2004，11(79) 275-289.

Application of seawater source heat pump system of Science and Technology Cultural Center in Pingtan comprehensive experimentation Zone

LINZhen

(Pingtan comprehensive experimentation area land development group Co., Ltd.,Pingtan 350400)

In the background of the current China energy and environment, the advantages and working principle of the water source heat pump system for energy-saving and environmental protection of great significance are introduced.The necessity and the feasibility and energy-saving of seawater source heat pump system used in the project are introduced, combined with the Pingtan comprehensive experimental zone in the science and technological cultural center project.

Seawater source heat pump; Working principle and characteristics; Necessity; Energy-saving

林臻(1970.05-)，男，工程師。

E-mail:76515186@qq.com

2016-05-11

TU83

A

1004-6135(2016)07-0094-04