水源熱泵系統在部隊干休所規劃中的綜合研究

摘 要：水源熱泵系統以其運行的經濟性和環保性在建筑里得到逐步應用，但其嚴格的技術要求使得其應用受到限制。以干休所為例進行水源熱泵系統的應用設計研究，對空調側循環水泵進行分區設計，并對水井進行了設計。最后對運行費用進行了計算。為水源熱泵系統的設計提供了參考流程，也為干休所的規劃和改造提供了新的設計理論和依據。

關鍵詞：水源熱泵系統； 環保性； 運行費用； 參考流程

中圖分類號：

TN705-34

文獻標識碼：A

文章編號：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不斷發展并且在廣州、深圳、上海、北京、成都等地區進行了應用和探險索［1］。水源熱泵以其環保效益顯著，高效節能，運行穩定可靠，一機多用，自動運行等特點，成為現代建筑空調系統的優先選擇方案。但同時，水源熱泵系統要受到可利的水源條件和水層的地理結構的限制，也受到投資經濟性的影響［2］。水源熱泵技術面臨的主要問題在于保持地下熱平衡，水井回灌以及機組的自動化控制等。水源熱泵的應用條件比較苛刻，所以在陜西地區發展，必須進行嚴格的實驗驗證才能使用［3］。

1 工程簡介及背景

寶雞干休所位于國家十一五規劃中關中—天水經濟區的重點城市寶雞市區東部。根據關中—天水經濟區區位與范圍圖、經濟區空間結構圖、城鎮布局圖、重點產業布局圖、交通規劃圖，構建符合部隊和地方特色的創新型示范區域：實現體系創新、技術創新、環境創新、人才開發、加強生態環境保護與建設，推進資源綜合利用，著力建設資源節約型、環境友好型經濟區示范小區，綜合經濟實力實現新跨越、創新能力有新提升、基礎設施建設有新突破、公共服務達到新水平生態環境建設取得新進展，森林覆蓋率達到47%以上是寶雞干休所在新經濟形式下的發展目標［4］。

寶雞干休所總占地面積18 432.87 m2，一期規劃建筑面積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，經濟使用房高層住宅建筑面積59 830.00 m2，規劃地下建筑面積14 300 m2，地下建筑主要為地下車庫和設備用房，不考慮制冷供暖。二期預留建設用地中再建三棟32層高層住宅，一期和二期合計地上建筑面積120 000 m2。綠化率42%，容積率4.5%，同比常規暖通、空調系統節電率43%，平均節約年度運行費56%。

2 可行性分析

水源熱泵系統機組對水源條件的要求有：水溫適度、水質適宜、水量充足和供水穩定。本地區地下水水溫常年為15 ℃左右，符合12~22 ℃的一般要求。熱泵機組對水源水質的要求是水中的物理成分和化學成分不能對機組造成損害［5-7］。

本項目距渭河北岸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，根據施工經驗和查看該地區周圍的相關地質和水文資料，地下水比較豐富，回灌較好。由于本項目地下室全部挖通，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院里。綜上所述，本地區的水源條件基本符合要求，具體條件還需先打實驗井進行判斷，并根據實驗井的水量和井深確定水源井的數量和井深。水源井為一抽兩灌，一口監測井。

3 方案設計

干休所一期和二期合計建筑面積120 000 m2(不包括地下建筑)。公攤率按照1.2計算，空調區平均冷指標為80 W/m，熱負荷按照50 W/m計算，同時使用系數按照70％計算，有：

總冷負荷為120 000÷1.2×80×70％=5 600 kW；

總熱負荷為120 000÷1.2×50×70％=3 500 kW。

通常的水源熱泵系統分為兩個回路，即井水回路和工作回路。兩部分經過水源熱泵進行能量交換。出水井的水經過旋流除沙器，電子水處理器進行水處理后，再返回到回水井。在工作回路里，經過水源熱泵進行能量轉換后，將水進行軟化，供居民用水使用。水源熱泵系統的原理圖如圖1所示。

圖1 水源熱泵系統的原理圖

3.1 主機的選擇

根據上述總冷熱負荷，選用2臺水源熱泵機組。

表1 某水源熱泵機組參數

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蒸發器水流量 /(m3/h)261.4

冷凍水壓降 /kPa90蒸發器壓降 /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，機組制冷源水側進出水溫度為18/29 ℃，負載側進出水溫度為12/7 ℃;機組制熱源水側進出水溫度為15/7 ℃，負載側進出水溫度為40/45 ℃。

3.2 站房內管線系統

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

(2) 空調系統循環水供回水管線與水源熱泵機組相連，用戶管線安裝循環水泵，管線上安裝除沙器、電子水處理設備等。

3.3 空調側循環水泵

由于本項目最高32層，接近100 m的超高層，根據設計規范要求，超過50 m空調冷凍水側就應當分區。熱泵機組至18層(包括18層)的建筑和高區的板換為一次泵，板換至高區(19層至32層)的末端為二次泵。熱泵機組制冷工況下蒸發器負載側水流量452.3 m3/h，冷凍水壓降90 kPa；制熱工況下冷凝器負載側流量525.1 m3/h，熱水壓降83 kPa。二次循環泵根據18層以上的建筑面積確定冷負荷和熱負荷、板換的換熱量、水泵的揚程和流量，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流量為257.9 m3/h， 冷卻水壓降20 kPa;制熱工況下蒸發器源水側流量為261.4 m3/h，蒸發器水壓降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。

高區定壓膨脹補水裝置根據各樓層高區的面積確定。

3.6 軟化水補水系統

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

120×3%×2=7.2 m3/h

(2) 采用軟化水補水系統，設自動軟化水器，對用戶側循環系統進行補水，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水容量的5%~10%設計，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 自動化控制系統

本系統根據站房熱泵特點，水系統采用定流量系統，熱泵根據需求負荷的變化自動進行加載或者減載，達到節能效果。該系統采用自動控制，可以實現各設備實際負荷需求量運行，達到節能，節省投資的效果，基本做到無人值守。

3.9 水井設計

(1) 根據選擇的主機確定水井數量

制冷工況下冷凝器源水側流量為257.9 m3/h， 冷卻水壓降20 kPa，制熱工況下蒸發器源水側流量為261.4 m3/h，蒸發器水壓降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量。根據該項目周圍的水文地質資料和周邊已經打好的水井，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，一口監測井。

根據上述水量確定井的數量為

257.9×2÷63=8.19口，所以需要抽水井9口，回灌井18口，監測井1口，總共需要28口水井。

(2) 根據冷熱負荷校驗井的用水量和井的數量

夏季水源總用水量Gs1(m3/h)，按照下式計算：

Gs1=0.86×(QL+N)/ΔTs

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

N為水源熱泵機組總耗電功率，N=474.4 kW;

Δts為夏季水源水進出熱泵機組溫差，單位：℃，地下水溫度一般為15 ℃，根據大多數機組的制冷工況下冷卻水(井水)進出口溫度為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)，按照下式計算：

Gs2=0.86×(QR-N)/Δts

式中：QR為水源熱泵機組總制冷量，QR=3 0528 kW；

N為水源熱泵機組總耗電功率，N=6606 kW；

Δts為冬季水源水進出熱泵機組溫差，單位:℃。地下水溫度一般為15 ℃，根據大多數機組的制熱工況，冷水(井水)進出口溫度為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，監測井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、采暖運行費用理論計算分析

(1) 機組運行說明：機組的選擇已考慮了建筑物的最大負荷，所以機組并非全天候滿負荷運行；而且機組采用電腦全自動控制，用戶可以自定溫度的上下限，當達到溫度上限時機組自動卸載直至停機，保證用電量的充分節約。

(2) 由于主機的運行會受到天氣和實際運行情況等因素的影響，相應的運行費用會有所變化，所以本運行費用分析僅供參考。

① 電費基數按0.854元/度計(380 V居民用電價)，居民用電不考慮峰谷電價。

② 空調主機運行費用=額定功率×主機開機臺數×每天運行時間×實際運行天數×電價。

③ 夏季制冷期按照90天計算，空調主機折算到滿負荷狀態下，運行時間按照8小時考慮。在滿負荷運行狀態下空調側開啟3臺水泵，水源側開啟9臺水泵。冬季供暖期按照100天計算，空調主機折算到滿負荷狀態下運行時間按照10小時考慮。在達到設計供暖要求的狀態下空調側開啟2臺水泵，水源側開啟5臺水泵。

④ 水泵隨主機起停，水泵等設備耗電量按照上面確定的計算，其他設備的耗電功率按3 kW計算。

夏季運行電費(90天)按每天8小時考慮，

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

冬季運行電費(100天)按每天10 h考慮，

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

圖2中數據以目前市場中的基本實際情況為來源，由此可得出以下結論：

(1) 地源熱泵比冷水機組中央空調節省42%；

(2) 地源熱泵比直燃機節省46%；

(3) 地源熱泵比家用空調節省54%。

圖3中數據以目前市場中的基本實際情況為來源，由此可得出以下結論：

(1) 地源熱泵比電纜地板采暖節省60%；

(2) 地源熱泵比天然氣集中采暖節省62%；

(3) 地源熱泵比掛壁爐供暖節省67%；

(4) 地源熱泵比電熱膜供暖節省69%。

因此，地源熱泵系統不論制冷還是采暖運行費用與傳統方式相比，其節能效果均十分顯著，符合國家的節能減排、生態能源使用戰略。

圖2 地源熱泵系統夏季運行費用分析表

圖3 地源熱泵系統冬季運行費用分析

5 結 論

本文為陜西地區水源熱泵系統的技術實施和發展做出積極的探索和實踐。陜西部分地區的地質條件能夠滿足水源熱泵系統的基本要求［8-9］，水源熱泵系統運行經濟環保，適合在陜西部分地區進行推廣使用。同時，本文的設計流程， 也為水源熱泵系統的設計提供了

一個參考依據，對區域性節約電能、實現生態能源利用做出了努力。同時，也為我軍現有的1 000多個部隊干休所規劃和改造提供了創新性理論和實踐設計依據。建設現代營房是全面建設現代后勤的重要組成部分，是部隊全面建設的一項基礎工程，是今后營房建設的發展方向和長期任務。寶雞干休所水源熱泵系統的研究應用也將惠及同部隊系統的寶雞三院營房建設中醫療環境品質的提升。

參 考 文 獻

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