地源熱泵在某公寓辦公樓熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用

傅 婷

（上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院（集團(tuán)）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(tuán)公路（上實大道），南至規(guī)劃路（東灘大道），西至泯溝，北至農(nóng)田區(qū)，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(shè)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(jù)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(tǒng)作為中央空調(diào)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(tǒng)的熱源。

2 地源熱泵作為生活熱水熱源的技術(shù)特點

地源熱泵通過熱媒熱水循環(huán)將熱回收型地源熱泵高溫機(jī)冷凝器的熱量交換出來，再用間接換熱設(shè)備利用該熱媒熱水作為熱源對生活熱水進(jìn)行加熱，以此制備生活熱水。因為地源熱泵系統(tǒng)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(dá)到土壤內(nèi)能量的平衡，所以生活熱水系統(tǒng)不能單獨使用地源熱泵技術(shù)，只能與空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合起來使用，以暖通專業(yè)的地源熱泵系統(tǒng)的廢熱為熱源，才能充分利用土壤源熱泵系統(tǒng)的特點，達(dá)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(shù)大，換熱設(shè)備占地面積??；換熱效率高；清洗維護(hù)方便、更換方便、變更工作狀態(tài)容易；且熱損小、水頭阻力小等優(yōu)點，因此本工程地源熱泵高溫機(jī)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(tǒng)設(shè)計

3.1 熱水用水量計算

本工程的熱水用量計算依據(jù)《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》（GB50015-2003）（2009版）的規(guī)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(tǒng)設(shè)計

本工程的生活集中熱水供應(yīng)采用地源熱泵閉式循環(huán)間接換熱系統(tǒng)，采用板換作為換熱器，系統(tǒng)24h機(jī)械循環(huán)，熱水系統(tǒng)管道同程布置。底層廚房及其衛(wèi)生間單獨設(shè)置一套熱水系統(tǒng)，配置立式貯熱水罐1臺，冷水補(bǔ)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(shè)置一套熱水系統(tǒng)，配置立式貯熱水罐2臺，冷水補(bǔ)水由給水變頻泵加壓供給。板換與貯熱水罐間設(shè)置一次生活熱水循環(huán)加熱泵；貯熱水罐與用戶側(cè)設(shè)置二次生活熱水循環(huán)加熱泵。距離集中熱水系統(tǒng)管道較遠(yuǎn)的其余公共衛(wèi)生間洗臉盆下均設(shè)局部電加熱設(shè)備。本工程地源熱泵集中熱水系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 本工程地源熱泵集中熱水系統(tǒng)原理

3.3 設(shè)計小時耗熱量和設(shè)計小時熱水量計算

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

式中：Qh——設(shè)計小時耗熱量，kJ/h；

m——用水計算單位數(shù)（人或床位數(shù)）；

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(shù)。

式中：qrh——設(shè)計小時熱水量（L/h）；

Qh、tr、tl、C、ρr——同上。

本工程設(shè)計小時耗熱量和設(shè)計小時熱水量見表2。

表2 設(shè)計小時耗熱量和設(shè)計小時熱水量

3.4 貯熱設(shè)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(shù)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(shè)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(shè)置1臺立式貯熱水罐，Φ=1300mm，容積2.0m3/臺。

3.5 生活熱水循環(huán)泵的設(shè)計

3.5.1 二次生活熱水循環(huán)加熱泵

本工程全日集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)的二次生活熱水循環(huán)流量按下式計算：

式中：qx——全日供應(yīng)熱水的二次生活熱水循環(huán)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(jī)械循環(huán)熱水供應(yīng)系統(tǒng)的循環(huán)水泵揚(yáng)程按下式計算：

式中：Hb——循環(huán)水泵的揚(yáng)程（kPa）；

hp——循環(huán)水量通過配水管網(wǎng)的水頭損失（kPa）；

hx——循環(huán)水量通過回水管網(wǎng)的水頭損失（kPa）。

經(jīng)計算，公寓式辦公生活熱水系統(tǒng)的二次熱水循環(huán)泵計算流量604L/h，配置熱水離心循環(huán)泵2臺，一用一備，每臺流量700L/h，揚(yáng)程10m；餐飲及管理人員生活熱水系統(tǒng)的二次熱水循環(huán)泵計算流量273L/h，配置熱水離心循環(huán)泵2臺，一用一備，每臺流量500L/h，揚(yáng)程7m。

3.5.2 一次生活熱水循環(huán)加熱泵

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

式中：q——一次生活熱水循環(huán)加熱泵流量，m3/h；

Qg——設(shè)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(huán)加熱泵的揚(yáng)程按下式計算：

H=1.3（板式換熱器阻力損失+管路損失）

經(jīng)計算，公寓式辦公生活熱水系統(tǒng)的一次熱水循環(huán)泵計算流量23.2m3/h，計算揚(yáng)3/h，揚(yáng)程12m；餐飲及管理人員生活熱水系統(tǒng)的一次熱水循環(huán)泵計算流量10.5m3/h，計算揚(yáng)程10.8m，配置熱水離心循環(huán)泵2臺，一用一備，每臺流量12m3/h，揚(yáng)程12m。

3.5 泄壓措施的設(shè)計

本工程為地源熱泵閉式循環(huán)間接換熱系統(tǒng)，公寓式辦公和餐飲等熱水系統(tǒng)的日用熱水量分別為13.16m3和7.37m3。根據(jù)規(guī)范要求，閉式熱水供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置壓力式膨脹罐、泄壓閥，當(dāng)日用熱水量小于等于30m3的熱水供應(yīng)系統(tǒng)可采用安全閥等。因此本工程熱水系統(tǒng)無需設(shè)置膨脹罐，僅考慮設(shè)置安全閥作為泄壓措施。

結(jié)語

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

但值得注意的是，由于熱水供應(yīng)系統(tǒng)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(yè)不能單獨運用此項技術(shù)，應(yīng)在適宜的場合加以推廣應(yīng)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(yīng)考慮設(shè)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(jī)組作為生活熱水熱源設(shè)計中的相關(guān)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(shù)在上海某科技產(chǎn)業(yè)樓熱水系統(tǒng)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(tǒng)在高檔住宅小區(qū)集中生活熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].給水排水,2017,43(10):76-80.

[4]GB50015-2003（2009版）建筑給水排水設(shè)計規(guī)范.

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