地源熱泵在某公寓辦公樓熱水系統中的應用

傅 婷

（上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司 上海 200125）

1 工程概況

本項目位于上海市崇明縣，項目地塊東至東團公路（上實大道），南至規劃路（東灘大道），西至泯溝，北至農田區，總建筑面積約3.92萬m2。地塊由六幢多層單體建筑組成，其中含一幢四層的6#公寓辦公樓，總建筑面積約（地上建筑面積約5349m2，地下建筑面積約3900m2），地下一層為車庫及設備用房等，底層為職工餐廳及會議室等，二～四層為公寓式辦公等。根據項目要求，6#公寓辦公樓（以下簡稱本工程）采用地源熱泵系統作為中央空調冷熱源，并同時作為餐飲和公寓式辦公等部分生活熱水系統的熱源。

2 地源熱泵作為生活熱水熱源的技術特點

地源熱泵通過熱媒熱水循環將熱回收型地源熱泵高溫機冷凝器的熱量交換出來，再用間接換熱設備利用該熱媒熱水作為熱源對生活熱水進行加熱，以此制備生活熱水。因為地源熱泵系統只能在冬季制熱后提供生活熱水，而在夏季，土壤需要回灌熱量，從而達到土壤內能量的平衡，所以生活熱水系統不能單獨使用地源熱泵技術，只能與空調系統結合起來使用，以暖通專業的地源熱泵系統的廢熱為熱源，才能充分利用土壤源熱泵系統的特點，達到土壤的能量守恒。

目前實際工程中，熱泵制備生活熱水常用板式換熱器（簡稱板換）。板換具有傳熱系數大，換熱設備占地面積小；換熱效率高；清洗維護方便、更換方便、變更工作狀態容易；且熱損小、水頭阻力小等優點，因此本工程地源熱泵高溫機制備生活熱水時采用板換作為換熱器。

3 地源熱泵生活熱水系統設計

3.1 熱水用水量計算

本工程的熱水用量計算依據《建筑給水排水設計規范》（GB50015-2003）（2009版）的規定，最大日的熱水用水量見表1。

表1 最大日的熱水用水量

3.2 熱水系統設計

本工程的生活集中熱水供應采用地源熱泵閉式循環間接換熱系統，采用板換作為換熱器，系統24h機械循環，熱水系統管道同程布置。底層廚房及其衛生間單獨設置一套熱水系統，配置立式貯熱水罐1臺，冷水補水由室外市政給水管直接供給；二～四層公寓式辦公另單獨設置一套熱水系統，配置立式貯熱水罐2臺，冷水補水由給水變頻泵加壓供給。板換與貯熱水罐間設置一次生活熱水循環加熱泵；貯熱水罐與用戶側設置二次生活熱水循環加熱泵。距離集中熱水系統管道較遠的其余公共衛生間洗臉盆下均設局部電加熱設備。本工程地源熱泵集中熱水系統原理見圖1。

圖1 本工程地源熱泵集中熱水系統原理

3.3 設計小時耗熱量和設計小時熱水量計算

本工程的集中熱水供應的設計小時耗熱量和設計小時熱水量，依據《建筑給水排水設計規范》（GB50015-2003）（2009版）的規定，按下式計算：

式中：Qh——設計小時耗熱量，kJ/h；

m——用水計算單位數（人或床位數）；

qr——熱水用水定額（L/人·d或L/床·d）；

C——水的比熱，C=4.187kJ/kg·℃；

tr——熱水溫度，tr=60℃；

tl——冷水溫度，取tl=5℃；

ρr——熱水密度，取0.983kg/L；

T——每日使用時間（h）；

Kh——小時變化系數。

式中：qrh——設計小時熱水量（L/h）；

Qh、tr、tl、C、ρr——同上。

本工程設計小時耗熱量和設計小時熱水量見表2。

表2 設計小時耗熱量和設計小時熱水量

3.4 貯熱設備的容積計算

本工程貯熱水罐容積按照1.5h貯水量考慮，選用立式貯熱水罐，有效貯熱容積系數η取0.85。公寓式辦公生活熱水貯熱水罐計算容積為3.3m3，設置2臺立式貯熱水罐，Φ=1300mm，容積2.0m3/臺；餐飲及管理人員生活熱水貯熱水罐計算容積為1.5m3，設置1臺立式貯熱水罐，Φ=1300mm，容積2.0m3/臺。

3.5 生活熱水循環泵的設計

3.5.1 二次生活熱水循環加熱泵

本工程全日集中熱水供應系統的二次生活熱水循環流量按下式計算：

式中：qx——全日供應熱水的二次生活熱水循環加熱泵流量，L/h；

Qs——配水管道的熱損失（kJ/h），本工程取3%Qh；

Δt——配水管道的熱水溫度差（℃），本工程取5℃。

機械循環熱水供應系統的循環水泵揚程按下式計算：

式中：Hb——循環水泵的揚程（kPa）；

hp——循環水量通過配水管網的水頭損失（kPa）；

hx——循環水量通過回水管網的水頭損失（kPa）。

經計算，公寓式辦公生活熱水系統的二次熱水循環泵計算流量604L/h，配置熱水離心循環泵2臺，一用一備，每臺流量700L/h，揚程10m；餐飲及管理人員生活熱水系統的二次熱水循環泵計算流量273L/h，配置熱水離心循環泵2臺，一用一備，每臺流量500L/h，揚程7m。

3.5.2 一次生活熱水循環加熱泵

根據項目要求，本工程地源熱泵機組設計小時供熱量滿足所需的設計小時耗熱量。一次生活熱水循環加熱泵流量按下式計算：

式中：q——一次生活熱水循環加熱泵流量，m3/h；

Qg——設計小時供熱量，kJ/h；

Δt——熱水溫度差（℃），本工程取5℃。

一次生活熱水循環加熱泵的揚程按下式計算：

H=1.3（板式換熱器阻力損失+管路損失）

經計算，公寓式辦公生活熱水系統的一次熱水循環泵計算流量23.2m3/h，計算揚3/h，揚程12m；餐飲及管理人員生活熱水系統的一次熱水循環泵計算流量10.5m3/h，計算揚程10.8m，配置熱水離心循環泵2臺，一用一備，每臺流量12m3/h，揚程12m。

3.5 泄壓措施的設計

本工程為地源熱泵閉式循環間接換熱系統，公寓式辦公和餐飲等熱水系統的日用熱水量分別為13.16m3和7.37m3。根據規范要求，閉式熱水供應系統應設置壓力式膨脹罐、泄壓閥，當日用熱水量小于等于30m3的熱水供應系統可采用安全閥等。因此本工程熱水系統無需設置膨脹罐，僅考慮設置安全閥作為泄壓措施。

結語

地源熱泵作為一種有效的新型綠色節能技術，在設置地源熱泵中央空調的同時利用熱回收制備生活熱水，將其應用于世界級生態島崇明，具有積極推動建筑節能、提高能源利用效率的示范效應。

但值得注意的是，由于熱水供應系統只能從土壤中提取熱源而無法向土壤回灌熱源，因此給排水專業不能單獨運用此項技術，應在適宜的場合加以推廣應用。另外還需注意的是，對于某些對熱水使用溫度要求較高的場所，應考慮設置例如電加熱等輔助熱源。

[1]程建華，陳曉杰，徐云波，等.地源熱泵機組作為生活熱水熱源設計中的相關問題探討[J].中國給水排水,2014,30(4):41-48.

[2]湯福南，徐鳳.地源熱泵技術在上海某科技產業樓熱水系統中的運用[J].給水排水,2012,38(4):89-90.

[3]石志敏，王春明，孫文博.地源熱泵熱回收系統在高檔住宅小區集中生活熱水系統中的應用[J].給水排水,2017,43(10):76-80.

[4]GB50015-2003（2009版）建筑給水排水設計規范.

[5]中國建筑設計研究院.建筑給水排水設計手冊（上冊）.第二版.北京:中國建筑工業出版社，2008.