無錫某超高層建筑地源水環熱泵空調系統設計及分析

柏 文，郭友明

（深圳華森建筑與工程設計顧問有限公司南京分公司，江蘇南京210005）

無錫某超高層建筑地源水環熱泵空調系統設計及分析

柏 文，郭友明

（深圳華森建筑與工程設計顧問有限公司南京分公司，江蘇南京210005）

簡述了水環熱泵空調系統的原理，介紹了無錫某超高層建筑地源水環熱泵空調系統的設計要點，包括冷熱源系統、末端及新風系統、水系統、控制要求及用能計量等，并對該系統的適用性進行了分析，可供類似建筑物空調系統設計時參考。

超高層；地源熱泵；水環熱泵

0 引言

能源和環境問題是當前我國面臨的重大挑戰，建筑能耗是我國能源消耗的主體之一，而空調系統的能耗在建筑能耗中占據很大比例。隨著我國經濟的快速發展，城鎮化建設的提速，以及人民對室內環境舒適性要求的提高，空調能耗問題日益受到關注，因此，為建筑物配置節能、合理的空調系統尤為重要，在這種背景下，水環熱泵空調系統作為一種節能型空調系統，近年來在我國逐漸得到廣泛的應用。

1 水環熱泵空調系統的原理及適用范圍

所謂水環熱泵空調系統是閉式水環路熱泵空氣調節系統的簡稱，它通過一個封閉的水環路將多臺水-空氣熱泵機組并聯，典型水環熱泵空調系統由水-空氣熱泵機組、水環路及輔助冷熱源三部分構成。其基本工作原理是在制冷時，熱泵機組以環路中的循環水作為“熱匯”，向循環水排放熱量；制熱時，熱泵機組以環路中的循環水作為“熱源”，從中吸取熱量，輔助冷熱源的作用則是維持水環路的水溫在一定范圍之內（一般為15~35℃），當熱泵機組吸熱量和排熱量相差較大，循環水水溫升高或降低到一定程度時，啟用輔助冷熱源。水環熱泵空調系統具有節能環保、舒適靈活、可靠性高的特點[1]，在我國絕大部分地區均有較好的節能特性[2]和經濟性優勢[3]。尤其適合于有明顯空調內外區，可回收內區余熱、全年或特定時段需要同時供冷和供熱以及有分戶計費要求的建筑。

2 項目概況

無錫某超高層建筑，總建筑面積約67000m2，地下兩層，地上三十九層，建筑高度148m，地下室為自行車庫、汽車庫、配套機電設備用房、后勤服務用房等，裙房及塔樓二十一層以下為五星級酒店，塔樓二十二層及以上為酒店式公寓（以下簡稱公寓），酒店部分采用冷水機組+鍋爐的空調系統，公寓部分采用地埋管地源水環熱泵空調系統，此文不涉及酒店部分，僅討論公寓部分的水環熱泵空調系統。

3 設計參數及空調負荷

公寓空調室外、內設計參數分別見表1和表2。經計算，公寓總冷負荷為1417kW，總熱負荷為1338kW。

表1 空調室外計算參數

表2 空調室內計算參數

4 空調冷熱源系統

公寓采用地源水環熱泵空調系統，圖1為其原理圖。

工程所在地具備良好的地質條件，空調系統冷熱源采用地埋管換熱系統，以充分利用淺層地熱能。地埋管換熱器系統采用垂直雙U地埋管換熱器，垂直換熱器長度為80m，共設置換熱井495口，地源循環水出水工作溫度7~30℃，地源循環水與水環熱泵系統間接換熱，設置一套板式水-水熱交換機組，額定平均換熱溫差為1.5℃，機組成套配置換熱器、地源水循環水泵（三臺）、自動控制箱及反沖洗切換閥等。

輔助冷源采用兩臺閉式逆流式冷卻塔，冷卻塔額定進出水溫度為37/32℃。冷卻塔設置于塔樓屋頂。

輔助熱源利用酒店所設常壓燃氣熱水鍋爐，在鍋爐房分集水器接出處設置用能計量裝置，在20層設備機房內設一套板式水-水熱交換器與水環水進行熱量交換，熱交換器熱源側進出水溫度為95/70℃，負荷側進出水溫度為6/11℃。輔助熱源熱交換器自帶熱源流量控制閥及自動控制箱。

水環循環水、地源循環水均采用低位定壓膨脹罐定壓，并各設一臺全自動軟水處理機組，采用自來水補水。水環循環水、地源循環水供水主管上均設電子水處理設備。

5 空調末端及新風系統

公寓末端采用水源熱泵機組加新風系統。水源熱泵機組采用分體型，每戶設一臺水源熱泵主機，主機設于衛生間吊頂內，室內機設置在各空調房間，室內采用頂送風或側送風，頂回風的氣流組織方式。公寓每層設兩臺水源熱泵新風機組處理新風，新風機組安裝于核心筒新風機房內，在35層避難層設有兩臺熱回收新風處理機組，利用衛生間排風對新風進行預處理。

6 空調水系統

地源循環水系統采用一次泵變流量系統，由地源水-水環水換熱機組成套配置三臺臥式離心泵，由自動控制系統根據監測地溫、出水溫度及水環系統釋熱、吸熱量判定投入運行的地源換熱井數量并控制分區供回水電動閥，并根據實際投入運行地源換熱井數量調節水泵流量。

水環循環水系統采用一次泵變流量系統。選擇三臺臥式離心泵（二用一備）。循環水供回水主管之間設置電動調節旁通閥，由自動控制系統根據供回水壓差聯合調節水泵流量和電動調節旁通閥開度。末端水源熱泵機組循環水支管設置電動二通閥。

7 控制要求及用能計量

水環循環水設計工況進出水溫度制冷32/37℃、制熱11/6℃，額定供回水溫差為5.0℃，地埋管換熱系統設計工況進出水溫度為制冷35/30℃、制熱7/12℃，輔助熱源設計工況進出水溫度6/11℃，冷卻塔設計工況進出水溫度37/32℃。供冷工況（水環循環出水溫度高于進水溫度時，相反為供熱工況）：地源出水低于30℃獨立運行地埋管換熱系統，高于30℃運行輔助冷源；供熱工況：地源出水高于12℃獨立運行地埋管換熱系統，低于12℃運行輔助熱源。

公寓各水源熱泵機組循環水支管設置分戶計量裝置。冷熱量計量采用供回水溫差、流量積分積算方式。輔助熱源在鍋爐房設用能計量。水泵、冷卻塔等耗電設備設用電計量。

圖1 水環熱泵空調系統原理圖

8 設計分析及結論

（1）該工程冷熱源采用地埋管換熱系統，因地制宜，將淺層地熱能利用技術與水環熱泵空調系統相結合，具有更大程度的節能、環保特點。這種系統應用前景廣闊，節能潛力大，可拓寬水環熱泵空調系統的應用范圍，使內部余熱小或無余熱的建筑物也可以采用水環熱泵空調系統實現節能[4]。

（2）該工程采用水環熱泵空調系統，無需為公寓設置制冷機房，節省了設備用房面積，降低維護管理工作量。每戶設一臺主機，用戶可根據需要自行控制室內溫度和啟停空調，調節靈活，控制方便。

（3）該工程公寓將出租、出售給不同的用戶用以居住或辦公，有分戶計費的要求，水環熱泵空調系統主機分戶設置，分戶計量，各用戶需要分攤的僅僅是循環水泵、輔助冷熱源等少量耗電量，能更好地提高計費準確度，避免糾紛，利于形成良好的節電意識。

（4）考慮到出租、出售率的不同、房間使用功能的變化、以及室外氣候條件的變化等，空調負荷是不斷變化的，因此地源循環水和水環循環水均采用一次泵變流量系統，水泵變頻控制，節約運行能耗。

（5）水環熱泵空調系統的水環循環水直接流經末端熱泵機組的換熱器，對水質要求比較高，因此該工程采用閉式冷卻塔作為輔助冷源，其初投資較開式冷卻塔較高，但是省卻了二次換熱機組，且提高了熱交換效率。另外，該工程地處夏熱冬冷地區，冷卻塔的設置除應滿足水環熱泵空調系統本身運行所需之外，還需考慮在夏季消除多余熱量，保證土壤熱平衡的要求。

（6）水環熱泵空調系統成功應用的關鍵之一是新風的處理，該工程中，水環循環水冬夏季供回水溫差均為5℃，按夏季工況選型的水源新風機組難以滿足冬季新風處理的要求，采用排風熱回收機組對新風進行預處理，一方面節約新風處理能耗，另一方面保證冬季使用要求。

（7）水環熱泵空調系統針對本工程有上述優點，有很好的適用性，在類似建筑中有廣泛的應用前景，但是也有一些不足之處。比如每戶衛生間內需設熱泵主機，噪聲較大，對設備安裝時隔振降噪提出了更高的要求；由于小型水源熱泵機組的能效比低于大型蒸汽壓縮式水冷機組，因此增大了公寓部分總的配電容量；利用鍋爐產生的熱水作為輔助熱源，雖符合該工程實際情況，但從能源利用角度講并不合理，不符合按質用能的原則；另外，該工程公寓內外分區不明顯，內區余熱回收這一水環熱泵空調系統最為顯著的節能特性未能得到充分利用。

9 結語

水環熱泵空調系統作為一種具有節能和環保意義的空調系統，在該工程中與地源熱泵技術有機結合，在當今能源緊缺、環境污染日趨嚴重的形勢下，這種系統在有條件的類似建筑物中將具有較大的節能潛力和良好的應用前景。

[1]馬最良，姚楊，楊自強.水環熱泵空調系統設計[M].北京：化學工業出版社，2005.

[2]盧瓊華，徐菱虹，胡平放，等.水環熱泵空調系統的適用性研究[J].流體機械，2008，36（3）：63~66.

[3]徐菱虹，盧瓊華，胡平放，等.水環熱泵空調系統的經濟性研究[J].流體機械，2008，36（2）：69~73.

[4]姜益強，姚楊，馬最良.水環熱泵空調系統若干問題分析[J].流體機械，2001，29（11）：52~54.

Design and Analysis of the Ground Source Water Loop Heat Pump Air Conditioning System for a Super High-rise Building in Wuxi

BAI Wen，GUO You-ming
（Shenzhen Huasen Architectural&Engineering Designing Consultants Ltd Nanjing Branch，Nanjing 210005，China）

The Principle of water loop heat pump air conditioning system is introduced briefly in this article，the main design points are introduced，including heating and cooling source system，end and fresh air system，water system，control requirements and energy measurement，and then the applicability of this system is analyzed.It can be referenced for the air conditioning system design of similar projects.

heating and cooling source；ground source heat pump；water loop heat pump

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.06.021

TU831

B

2095-3429（2015）06-0078-03

2015-11-04

修回日期：2015-12-21

柏文（1963-），男，江蘇南京人，本科，學士，高級工程師，研究方向：民用建筑暖通空調系統設計。