平潭綜合實驗區科技文化中心海水源熱泵系統的應用介紹

林　臻

(平潭綜合實驗區土地開發集團有限公司　福建平潭　350400 )

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平潭綜合實驗區科技文化中心海水源熱泵系統的應用介紹

林臻

(平潭綜合實驗區土地開發集團有限公司福建平潭350400 )

文章以當前中國的能源及環境狀況為背景，介紹了節能及環保意義非常重大的水源熱泵系統的工作原理及優點，并結合平潭綜合實驗區科技文化中心項目的情況，論證了海水源熱泵系統應用的可行性、節能性。

水源熱泵；工作原理及特點；必要性；節能性

1　背景

目前我國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。從我國的能源消費結構看，煤炭、原油、天然氣等傳統能源的消費量占能源消費總量的92%以上。新能源的利用率遠低于發達國家的水平[1]。

2002年全國建筑能耗已占全國能源消耗總量的27.8%左右，而在建筑能耗中，空調用電又占到了30%～40%左右，每年夏天都由于空調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，加劇了我國生態環境的污染。因此，如何在發展經濟的同時，減少能源消耗，減少環境污染已經成為能否轉變經濟增長方式的重要問題。在這樣的大環境下，低能耗、低污染、高效率的可再生能源的開發利用已經刻不容緩，可再生能源在空調技術上面的應用是一條很值得探索的道路[3，4]。

根據國家及福建省有關綠色建筑行動方案的文件[5,6]，國家積極鼓勵推進可再生能源建筑規模化應用，積極推動太陽能、淺層地能、生物質能等可再生能源在建筑中的應用。

海洋是一個巨大的能源庫。由于海水的熱容量比較大，為3 996kJ/(m3·℃)，太陽輻射能以熱能的形式儲存在海水中。東海海域冬季海水溫度一般在+10℃以上，冰點溫度通常在-2℃左右，采用熱泵技術，冬季把海水的低位熱能轉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。海水源熱泵系統是可再生能源利用達到實用的技術之一。

2　水源熱泵技術的基本原理

地球表面淺層水源中吸收的太陽能和地熱能形成低溫低位熱能資源，水源熱泵技術是通過熱泵原理，以消耗少量的高位電能，將低位熱能向高位熱能轉移的一種技術[7]。

淺層水源的溫度一般比較穩定。夏季地表水源作為熱泵機組的冷卻用水，將建筑物中的熱量轉移到水源中，冬季熱泵機組從水源中提取能量，根據熱泵原理，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。

水源熱泵機組工作的原理如圖3所示：

從對水源的利用方式區分，水源熱泵有閉式系統和開式系統2種。閉式系統的水源側為閉式循環換熱管，換熱管可水平或垂直埋于地下或地表水中，通過與土壤或地表水熱交換實現能量轉移。土壤中埋管的系統又稱土壤源熱泵，埋于地表水中的系統又稱水源熱泵。開式系統是指將地下水或地表水直接用于熱泵機組換熱的系統。

3　水源熱泵系統的優點

水源熱泵技術是利用地表水作為空調冷熱源，與常規冷水機組及風冷熱泵機組相比，具有以下優點：

(1)具有高效節能性

地表水溫度冬季一般為10℃以上，水溫比環境空氣溫度高，機組蒸發器的蒸發溫度提高使得能效比提高。而夏季水溫一般在為28℃以下，水溫比環境空氣溫度低，冷凝器的冷凝溫度降低使得機組效率提高[8]。水源熱泵系統可節約30%～40%的空調運行費用。

(2)是可再生能源利用的一項技術

水源熱泵系統將地球地表水體所儲藏的太陽能資源，通過熱泵原理進行能量轉換，提供空調系統的冷熱源。可以利用的水體包括地下水或江、河、湖泊、海洋等地表水。水體不僅是一個巨大的太陽能儲存庫，同時建筑物的空調負荷夏季轉移至水體，冬季從水體獲得能源，水體又是一個巨大的動態能量平衡系統，水源熱泵系統是可再生能源利用的一種技術。

(3)機組運行穩定可靠性好

由于水體的全年溫度相對穩定，波動的范圍遠小于空氣溫度的變動，熱泵機組運行更穩定可靠，避免了空氣源熱泵冬季除霜問題，冬季供暖運行可靠性高。

(4)環境效益提高

空調系統消耗的能源以電力為主，我國的電廠發電目前仍以火電為主，產生大量的污染物和二氧化碳溫室氣體，對環境造成嚴重影響，水源熱泵系統與空氣源熱泵相比，能耗減少30%以上，與電供暖相比，能耗減少70%以上，節能就是減少環境污染。水源熱泵系統運行是建筑物的室內負荷與天然水體之間的能量轉換過程，對環境無任何污染。

(5)多用性

水源熱泵機組既可作為空調系統的冷熱源，又可供生活熱水，機組還可以另外配套熱回器。夏季制冷運行時可部分或全部回收熱量獲得免費的生活熱水，同時減少排出的熱量，進一步提高系統效率。一套系統可以代替常規的冷水機組及鍋爐，減少了設備的初投資及機房的面積。

4　平潭綜合實驗區科技文化中心項目概況

平潭綜合實驗區科技文化中心項目是一棟綜合各種公共事業性場館的建筑，項目位于福建省平潭綜合試驗區，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，設有科技館、博物館、青少年宮多媒體綜合使用廳、地下車庫、設備用房等；地上建筑面積66 568m2，設有婦女兒童活動中心、青少年宮、青少年校外體育活動中心、青少年校外活動中心、青少年心理輔導中心、文化館、美術館、圖書館、科技館、博物館、青少年宮多媒體綜合使用廳門廳等。建設用地緊靠竹嶼湖，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，湖面西側建有水閘與外海連通，每月定期開閘2～3次，使湖水與海水流通更換，當地風大，湖水具備一定的流動性，散熱良好。

5　采用水源熱泵系統的必要性、可行性

平潭綜合實驗區科技文化中心項目的規劃建設，正處在我國“十三五”規劃的經濟發展階段。在“十三五”的規劃中己將節約資源、綠色發展、合理的利用資源作為一項基本國策。所以“平潭綜合實驗區科技文化中心”項目的建設不僅要體現經濟實力及技術水平，而且有必要在城區規劃、能源規劃與服務水平上有新的突破和創新，充分體現平潭試驗區對國家“十三五”規劃綱要中提出的“建設資源節約型，綠色發展，綜合利用”要求的實施。

平潭綜合實驗區科技文化中心項目是當地一項大型綜合性的標志性公共建筑，建筑物以白鷺為造型，屋面為綠化及人行休閑步道，室外廣場與竹嶼湖邊木棧道結合形成景觀公園，常規集中空調系統的冷卻塔或風冷熱泵機組無處安裝。地上建筑均為人員密集的場所，從消防安全考慮空調系統熱源不能采用鍋爐。基地緊靠竹嶼湖，水量充足，冬季水溫在14℃以上，利用竹嶼湖作為水源，采用水源熱泵系統作為空調系統的冷熱源具有得天獨厚的條件，水源熱泵系統作為一項可再生能源利用的措施，既減少了對周邊環境的污染，又極大地提高了空調系統的運行效率，降低了運行成本，在本工程中的應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，采用水冷冷水機組及水源熱泵機組作為建筑集中空調系統的冷熱源。項目夏季設計冷負荷為11 500kW,冬季設計熱負荷為4 900kW。冷熱源主機采用2臺制冷量為3 164kW的三級壓縮離心式水冷單冷組機、1臺制冷量為3 164kW制熱量為3 150kW的三級壓縮離心式水源熱泵組機、2臺制冷量為1 073.1kW制熱量為1 118.4kW的螺桿式水源熱泵組機。夏季5臺機組最大制冷量11 638.2kW，冬季3臺水源熱泵組機的最大制熱量為5 386.8kW。

7　循環水系統設計

根據當地水利部門提供的數據，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。竹嶼湖通過已建成的水閘與外海連通，通過水閘調節湖水水位并定時換水，湖岸最低地坪標高為1m，湖面常年控制水位高度為0.5m，最高控制水位標高為0.8m。水閘設計高潮位為：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。水閘設計低潮位為：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。水閘擋潮閘規格為7m×10m，設計流量為961m3/s,閘頂高程為6.70m,閘底板高程為-3.50m。

由于水閘起到調節水位高度的作用，竹嶼湖水位常年穩定控制在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，距機房約50m。在取水口處設有取水室，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，湖水循環泵和水處理裝置均設在冷熱源機房。根據夏季最大冷負荷，湖水循環水設計流量為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能夠始終充滿水，不出現負壓，在吸水管上安裝有旋啟式止回閥。一旦水泵停止運行，止回閥便自動關閉。

根據竹嶼湖水面面積及平均水深，湖水總蓄水量為259萬m3，本工程根據計算空調負荷，夏季運行3個月總釋放熱量為580萬kW，冬季運行3個月總吸收熱量為247萬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℃。根據當地水利部門提供的情況，水閘每月會根據潮汐情況定期換水2～3次，且湖水表面本身自然蒸發散熱，因此采用水源熱泵系統，對湖水水溫的影響微乎其微，不會對水資源造成生態影響。

平潭年平均氣溫為19.8℃，夏季室外日平均氣溫為30.8℃，冬季空調室外計算溫度為4.4℃，冬季通風室外計算溫度為10.9℃，根據當地水利部門的水溫資料，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℃。水源側夏季設計水溫取29.5℃，冬季設計水溫取14.4℃。由于竹嶼湖水與外海連通，海水具有腐蝕性，為保證主機設備長期可靠運行，采用板換機組進行換熱后供主機，板換一、二次側的溫差按2℃設計，進入主機設備的水溫夏季按31.5℃，冬季按12.4℃。冷凝器及蒸發器的設計溫差按6℃，夏季冷凝器側的進出水溫度為31.5℃/37.5℃，冬季蒸發器側的進出水溫度為12.4℃/6.4℃。大部分時間夏季實際水溫低于設計工況，冬季實際水溫高于設計工況，系統根據測得的進水溫度，通過自控系統自動調節，夏季降低冷凝器的冷凝溫度，冬季提高蒸發溫度，變頻調節循環水泵流量，采取加大溫差減少流量的方式提高運行效率。根據機組電腦控制器的設定，當蒸發器出口溫度降低到4℃時，機組會報警并自動停機，因為這時蒸發器表面的溫度極有可能降至0℃以下，蒸發器表面可能出現結冰。當冬季機組進水溫度接近10℃時(湖水溫度接近12℃)，如果還維持6℃的溫差，蒸發器出口溫度會接近4℃。這時需要加大循環泵流量，減小溫差，最小溫差定為3℃，即機組進水溫度需大于7℃(湖水溫度需大于9℃)。根據歷年水溫資料，當地冬季最低水溫均高于9℃，所以采用水源熱泵系統可以保證機組在冬季的可靠運行。

在用戶側，夏季供回水溫度為6.5℃/12.5℃，冬季供回水溫度為46℃/40℃，根據室內空調負荷的變化，水系統采取一次泵變流量運行，空調末端風機盤管由房間溫度控制回水管上的電動平衡二通控制閥，并設有房間手動三檔風機調速開關。新風機組及組合式空調箱根據新風焓值及出風溫度控制回水管上的比例式電動調節閥。

根據水質報告，竹嶼湖水質如表1。

表1　竹嶼湖水質情況

本工程通過設置板換二次換熱，進入主機的循環水為閉式循環，板換設備之前的湖水進行凈化處理。如果采用投藥的化學處理方法會污染湖水，投藥費用也很高。本工程使用物理方法處理湖水。湖水首先進入旋流除砂器，除去水中的顆粒物，然后通過綜合水處理器，利用其中的高頻高壓電場及復合過濾體系進行殺菌滅藻和凈化過濾處理。

8　系統運行的節能措施

由于本項目各種場館數量多、運行時間不同、客流量變化大，為適應空調負荷的變化，冷熱源主機采用三大二小多臺機組配置，并根據運行工況調整機組開啟臺數，使機組在部分負荷下高效運行。系統的冷卻水泵、冷熱水泵采取變頻運行，水源側循環水系統根據湖水溫度的變化，在湖水溫度滿足要求的情況下實現大溫差運行，減少水泵耗電量。用戶側空調末端設備配置電動調節閥，根據室內負荷變化自動調節，冷熱水泵根據系統壓力變頻調節以減少水泵耗電量。冷熱源主機自配控制系統，根據負荷變化，部分負荷運行時無極調速，并配合運行臺數控制實現節能運行。空調水系統根據不同使用功能的場館區域合理分區，各分區回路設置能量計量系統。冷熱源主機房、空調末端設備、各場館能量計量系統均通過自動控制系統集中管理，通過自動控制實現節能運行。

9　結語

平潭綜合實驗區科技文化中心項目，作為當地一個具有極大影響力的標志性建筑，同時也應成為一個綠色節能的示范性項目。充分利用現有的自然條件，在空調系統中采用水源熱泵系統實現可再生能源利用，將會產生顯著的經濟效益、環境效益和社會效益，有利于提高我國的建筑能源效率和建筑節能水平，有利于建設資源節約型、環境友好型社會，推廣應用前景非常廣闊。

[1]中國環境與發展國際合作委員會能源戰略與技術工作組.能源與可持續發展[M].中國環境科學出版社,2003，8.

[2]龍惟定.我國電力緊缺對空調業的挑戰[J].暖通空調，2004, 34(5)39-40.

[3]龍惟定.試論中國的能源結構與空調冷熱源的選擇取向[J].暖通空調，2000, 30(5) 27-32.

[4]范存養.面向地球環境時代的空調技術[J].制冷與空調，2002, 1(1)23-32.

[5]國務院辦公廳關于轉發發展改革委住房城鄉建設部綠色建筑行動方案的通知[Z].國辦發〔2013〕1號.

[6]福建省綠色建筑行動實施方案[Z].閩政辦〔2013〕129 號.

[7]姚楊,馬最良.淺議熱泵定義[J].暖通空調，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