淺層地能技術(shù)在廣播劇場空調(diào)節(jié)能改造中的應(yīng)用

唐靈通

摘要：文章闡述了淺層地能熱泵系統(tǒng)概念，介紹了水源熱泵工藝技術(shù)，分析了所在地區(qū)水文地質(zhì)條件、水資源利用的可行性及對地下水資源的相關(guān)影響，重點(diǎn)闡述了水源熱泵系統(tǒng)在廣播劇場空調(diào)節(jié)能改造中的應(yīng)用及實(shí)施并對節(jié)能效果進(jìn)行了比較。實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示：該系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，節(jié)能效果顯著。

關(guān)鍵詞：水源熱泵；水資源分析；空調(diào)改造；節(jié)能效果；地能技術(shù)；廣播劇場 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU852 文章編號(hào)：1009-2374（2016）18-0084-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.042

節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境是我國的基本國策，為緩解能源供應(yīng)緊張狀況、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，為實(shí)現(xiàn)“十一五”期間單位GDP能耗降低20%左右，主要污染物的排放總量減少10%的節(jié)能減排目標(biāo)，保障國家能源安全，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，廣播劇場傳統(tǒng)的燃煤采暖方式和普通的電力供冷形式已經(jīng)不能滿足節(jié)約資源的基本國策，替代能源——地源熱泵系統(tǒng)的大量應(yīng)用，為此提供了節(jié)能的更好途徑。

1 淺層地能熱泵系統(tǒng)概述

1.1 淺層地能簡介

淺層地能是指在太陽能和地心熱的綜合作用下，在大地表層（一般400m以內(nèi)）的土壤、砂石和地下水中所蘊(yùn)含的低溫?zé)崮堋Ｆ涮攸c(diǎn)是溫度適中、相對恒定、儲(chǔ)存量大、分布廣泛，是取之不盡、用之不竭的“綠色能源”，是目前世界用于建筑物供暖最普遍的可再生能源。

1.2 水源熱泵技術(shù)介紹

1.2.1 熱泵工藝。水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太陽能和地?zé)崮芏纬傻牡臀粺崮苜Y源，采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。

1.2.2 熱泵用水工藝。

（1）在制冷模式時(shí)，高壓高溫的制冷劑氣體從壓縮機(jī)出來后進(jìn)入冷凝器，向抽取的地下水中排放熱量而冷卻成高壓液體，并使水溫升高。到熱膨脹閥進(jìn)行節(jié)流膨脹成低壓液體后進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)成低壓蒸汽，同時(shí)吸收水的熱量，該水又通過管道系統(tǒng)回灌到地下。低壓制冷劑蒸汽又進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮成高壓氣體，如此循環(huán)住復(fù)。此時(shí)，制冷環(huán)境需要的冷凍水在蒸發(fā)器中獲得；（2）在供熱模式時(shí)，高壓高溫制冷劑氣體從壓縮機(jī)壓出后進(jìn)入冷凝器同時(shí)排放熱量而冷卻成高壓液體，到熱膨脹閥進(jìn)行節(jié)流膨脹成低壓液體進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)成低壓蒸汽，蒸發(fā)過程中吸收水中的熱量將水冷卻。低壓制冷劑蒸汽又進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮成高壓氣體，如此循環(huán)不已。此時(shí)，供熱環(huán)境需要的熱水在冷凝器中獲得。

2 水資源利用可行性分析

2.1 用水合理性分析

根據(jù)廣播劇場熱泵夏季高峰需水量為35.4m3/h，冬季高峰需水量為18.9m3/h。熱泵一般運(yùn)行時(shí)需水量按照高峰需水量85%計(jì)算，則夏季一般用水量為30.1m3/h，冬季一般用水量為16.1m3/h。

該系統(tǒng)在用水過程中只是利用地下水中的低溫?zé)崮埽叵滤郎囟茸兓猓槿∩蟻淼牡叵滤c外界沒有發(fā)生物質(zhì)交換，整個(gè)用水過程也不改變地下水水量的變化，用過的地下水通過回灌井又全部回灌地下，熱泵運(yùn)行時(shí)既不消耗水也不增加水，同時(shí)又不會(huì)產(chǎn)生污染，地下水除溫度變化外沒有其他任何變化。所以項(xiàng)目用水不會(huì)影響當(dāng)?shù)厮Y源變化，從而達(dá)到了保護(hù)地下水資源的目的，所以熱泵用水是合理的。

2.2 地層含水量分析

根據(jù)北京市水務(wù)局對復(fù)興門地區(qū)地層構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、第四系含水層的分布規(guī)律及其富水性研究報(bào)告，該地區(qū)工作區(qū)第四系地下水水質(zhì)硬度、總礦化度較高，按地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分類為Ⅳ類水，根據(jù)工程需要，在東門先期開鑿了一眼勘探井，井深76m，井徑800mm，管徑500mm，下入花管47.2m，花管上部位置埋深13.1m。通過抽水試驗(yàn)得知：靜水位23.45m，穩(wěn)定動(dòng)水位32.86m，水位降深9.41m，涌水量50.68m3/h（1216.32m3/d），水溫14℃，基本恒溫。由于熱泵用水對水質(zhì)沒有特殊的要求，水溫需要較穩(wěn)定，故該地區(qū)地下水水質(zhì)、水溫均可以滿足項(xiàng)目熱泵系統(tǒng)用水需求。

綜上所述，本區(qū)的水文地質(zhì)條件可以滿足廣播劇場水源熱泵系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目的供水水源要求。

2.3 取水、用水、退水影響分析

該水源系統(tǒng)項(xiàng)目采用“抽灌分離”技術(shù)，只利用地下水恒溫的冷熱量來實(shí)現(xiàn)制冷、制熱的目標(biāo)，不消耗水資源，不污染水環(huán)境。其取水和回灌方案能夠保證將取出的地下水經(jīng)能量交換后全部回灌地下，從而達(dá)到不消耗、不浪費(fèi)地下水資源，因此，該水源熱泵系統(tǒng)取用水時(shí)不會(huì)對區(qū)域水資源及周邊其他用水單位產(chǎn)生影響。

3 水源熱泵系統(tǒng)在劇場空調(diào)節(jié)能改造中的應(yīng)用

廣播劇場工程總建筑面積約為7900m2，共三層，為劇場和辦公兩部分，其中劇場部分建筑面積大約為1200m2。原劇場部分原有兩臺(tái)40萬大卡冷水機(jī)組夏季制冷，冬季熱源由二次水提供；辦公部分冬季熱源由二次水提供，末端為散熱器系統(tǒng)。由于辦公樓拆遷，劇場原冷熱源已經(jīng)切斷，需重新為劇場選擇冷熱源。

3.1 冷熱負(fù)荷計(jì)算

本工程采用冷熱負(fù)荷指標(biāo)估算法計(jì)算冷熱負(fù)荷：

3.1.1 采暖熱負(fù)荷。

Qr=F·q1/1000

式中：

F——供暖面積（m2）

q1——供暖熱指標(biāo)（W/m2）

本工程取建筑熱負(fù)荷指標(biāo)為90W/m2，則建筑采暖熱負(fù)荷為711kW。

3.1.2 冷負(fù)荷。根據(jù)工程實(shí)際情況，原有兩臺(tái)464kW冷水機(jī)組，制冷量共計(jì)為928kW。

3.2 能量采集系統(tǒng)

廣播劇場熱泵提取7℃溫差時(shí)，高峰需水量為35.4m3/h。所以廣播劇場開鑿2眼熱泵用水井，采用1抽1灌的方案即可滿足劇場供暖和制冷需求。水井布設(shè)依據(jù)水務(wù)局規(guī)定和要求，井間距離大于50m，井與建筑物的距離大于30m。1號(hào)用水井位于廣播劇場東側(cè)約31m，距離南業(yè)務(wù)樓約為33m，廣播劇場為二層建筑，高度在15m左右，南業(yè)務(wù)樓10層，高度約30m；2號(hào)井位于廣電總局東門外家屬樓之間綠地內(nèi)，距離家屬樓分別為32m和48m，該家屬樓為15層建筑，建筑高度約45m。2號(hào)井距離西二環(huán)地鐵線120m左右，而熱泵用水井地下水位影響距離一般不超過60m，水溫影響經(jīng)數(shù)值模擬模型進(jìn)行預(yù)測后影響范圍在30～35m以內(nèi)，所以熱泵用水井對西二環(huán)地鐵線不會(huì)產(chǎn)生影響，同時(shí)1號(hào)井和2號(hào)井間距為56m。

3.3 能量提升系統(tǒng)

依照建筑特點(diǎn)及冷熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，按總冷負(fù)荷和總熱負(fù)荷確定主機(jī)數(shù)量。系統(tǒng)冬季向末端提供55/50℃熱水，夏季向末端提供7/12℃冷凍水。系統(tǒng)選用一臺(tái)YSSR-600A地能熱泵主機(jī)滿足建筑物的冬季供暖、夏季制冷需求。

3.4 能量釋放系統(tǒng)

3.5 系統(tǒng)水處理及系統(tǒng)定壓補(bǔ)水

采用自動(dòng)加藥裝置，設(shè)穩(wěn)壓補(bǔ)水裝置，設(shè)壓力傳感器測得系統(tǒng)壓力并與設(shè)定值比較低點(diǎn)啟動(dòng)補(bǔ)水泵、高點(diǎn)停泵，同時(shí)將壓力信號(hào)送至定壓罐上的電動(dòng)閥及安全閥使其在不同的設(shè)定壓力下開啟，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.6 系統(tǒng)節(jié)能控制

主機(jī)為微電腦全自動(dòng)控制，具備自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，根據(jù)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行能級(jí)調(diào)節(jié)，在滿足冷熱負(fù)荷的同時(shí)最大限度節(jié)能；主機(jī)與相關(guān)循環(huán)水泵連鎖，主機(jī)開啟則相應(yīng)井水泵、末端泵開啟，如主機(jī)關(guān)閉則關(guān)閉相應(yīng)井水泵、末端泵；本系統(tǒng)由主機(jī)自帶PLC進(jìn)行群組控制，各主機(jī)按累計(jì)運(yùn)行時(shí)間優(yōu)先啟停；主機(jī)設(shè)RS485通訊接口，與外界遠(yuǎn)程通訊傳輸數(shù)據(jù)。

4 廣播劇場采用水源熱泵節(jié)能效益分析

4.1 廣播劇場冬季供暖運(yùn)行經(jīng)濟(jì)分析

5 水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析及總結(jié)

廣播劇場水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)開機(jī)后劇場內(nèi)溫度由17℃上升到24℃，井水溫度經(jīng)過開機(jī)后降低2℃后，平穩(wěn)在13℃左右，井水回水溫度在8℃左右，室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定數(shù)值，機(jī)組停機(jī)，井水進(jìn)口、出口溫度接近，工作狀態(tài)溫差5℃左右，表明機(jī)組運(yùn)行正常。

通過以上分析及運(yùn)行實(shí)際表明，地源熱泵系統(tǒng)具有節(jié)能、運(yùn)行費(fèi)用低、系統(tǒng)安全可靠、使用區(qū)域零污染、保護(hù)地下水、節(jié)約水資源、改善能源結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，是目前其他傳統(tǒng)方式不可比擬的，是最為理想的供熱制冷方式。

參考文獻(xiàn)

[1] 北京市地質(zhì)工程勘察院.廣播劇場水源熱泵項(xiàng)目水資源論證報(bào)告[R].

（責(zé)任編輯：王 波）