空氣源熱泵作為冷熱源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及技術(shù)計(jì)算分析

董金虎

（山西晉設(shè)拓凡建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司, 山西 太原 030013）

1 概述

本工程為太原市示范性綜合實(shí)踐基地建設(shè)項(xiàng)目，位于山西省太原市清徐縣徐溝鎮(zhèn)西楚王村，是太原市2016 年度重點(diǎn)建設(shè)工程。本工程總用地面積76899.02m2；總建筑面積45050.00m2，其中地上建筑面積41849.29m2，地下建筑面積3200.71m2。本項(xiàng)目是全面提升中學(xué)生創(chuàng)新性、實(shí)踐性和動(dòng)手操作能力的一所綜合實(shí)踐基地項(xiàng)目，共包含7 個(gè)子項(xiàng)和各種訓(xùn)練場(chǎng)如拓展訓(xùn)練、攀巖訓(xùn)練、障礙賽以及氣象監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、果木養(yǎng)殖、農(nóng)作物養(yǎng)殖等區(qū)域。其中單體建筑包括：

1 號(hào)運(yùn)動(dòng)館：地上兩層；主要功能為室內(nèi)籃球場(chǎng)兼羽毛球館，建筑面積3791.32m2。

2 號(hào)綜合樓：地下一層，地上五層；地下一層主要功能為電氣設(shè)備用房及空氣源熱泵機(jī)房，地上五層主要功能為實(shí)踐活動(dòng)體驗(yàn)區(qū)、實(shí)踐活動(dòng)教學(xué)區(qū)、多功能廳及閱覽室，總建筑面積為14242m2。

3 號(hào)體驗(yàn)樓：地上四層；主要功能為地震體驗(yàn)區(qū)，消防體驗(yàn)區(qū)，文化體驗(yàn)區(qū)，5D 電影區(qū)等，總建筑面積為7635.05 m2。

4 號(hào)食堂：地上三層；主要功能為餐廳，廚房，包間等，總建筑面積為3430.5m2。

5 號(hào)學(xué)生公寓：地上五層；主要功能為學(xué)生宿舍及配套用房，總建筑面積為15309.2m2。

6 號(hào)看臺(tái)：總建筑面積為787.14m2。

7 號(hào)門衛(wèi)、校門；總建筑面積為97.10m2。

本項(xiàng)目總面積約為4.5 萬(wàn)m2，共分7 個(gè)單體，單體建筑面積不大，但每棟樓功能各異，系統(tǒng)多且復(fù)雜，如何把采暖空調(diào)系統(tǒng)合理化、系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)好，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、管理方便是設(shè)計(jì)中的又一難點(diǎn)[1-4]。

2 空氣源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 冷熱源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1） 本項(xiàng)目冷熱源均由空氣源熱泵和風(fēng)冷冷水(熱泵) 機(jī)組(低溫型) 提供。該項(xiàng)目熱泵機(jī)房位于2#綜合樓地下室，機(jī)房建筑面積大約為170.0m2，機(jī)房層高為4.5m。風(fēng)冷冷水(熱泵) 機(jī)組(低溫型) 和空氣源熱泵機(jī)組室外機(jī)均安裝在2號(hào)綜合樓屋頂。

綜合考慮各單體室內(nèi)空間情況、舒適度要求及使用功能的復(fù)雜程度，各單體冷熱負(fù)荷計(jì)算及采暖空調(diào)系統(tǒng)形式詳見下表：

根據(jù)以上冷負(fù)荷計(jì)算表和逐時(shí)冷負(fù)荷圖可以看出該項(xiàng)目的夏季空調(diào)冷負(fù)荷峰值發(fā)生時(shí)刻為14：00 左右，此時(shí)刻的每座樓峰值冷負(fù)荷疊加計(jì)算，即為該項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)的總冷負(fù)荷，經(jīng)過(guò)計(jì)算，總冷負(fù)荷為2897KW。

表1 冷負(fù)荷計(jì)算表

圖1 逐時(shí)冷負(fù)荷圖

根據(jù)熱負(fù)荷計(jì)算表得出整個(gè)項(xiàng)目的采暖熱負(fù)荷Qr=1929.48KW，地板輻射采暖系統(tǒng)熱負(fù)荷為578.98KW，散熱器采暖系統(tǒng)熱負(fù)荷為1350.5KW。

綜上計(jì)算得出：

1～4 號(hào)樓：冬季為散熱器采暖系統(tǒng)，散熱器采暖系統(tǒng)熱源采用37 臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組室外機(jī)，單臺(tái)機(jī)組額定制熱量為73.3KW (室外溫度：7℃)，熱水進(jìn)出水溫度65/55℃，COP值為3.39；夏季為中央空調(diào)制冷系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)冷源采用18臺(tái)風(fēng)冷冷水(熱泵) 機(jī)組(低溫型) +13 臺(tái)風(fēng)冷冷水(熱泵)機(jī)組(超低溫型)，單臺(tái)機(jī)組額定制冷量分別為62KW/65.0KW(室外溫度：35℃)，冷水進(jìn)出水溫度7/12℃，COP 值為3.20。

5～7 號(hào)樓：冬季為地板輻射采暖系統(tǒng)，地板輻射采暖系統(tǒng)熱源采用18 臺(tái)風(fēng)冷冷水(熱泵) 機(jī)組(低溫型)，單臺(tái)機(jī)組額定制熱量為70.0KW (室外溫度：7℃)，熱水進(jìn)出水溫度50/45℃，COP 值為3.20，冬季為地板輻射采暖系統(tǒng)提供熱源，同時(shí)作為空調(diào)系統(tǒng)的一部分冷源。

2） 本項(xiàng)目風(fēng)冷熱泵及空氣源熱泵系統(tǒng)循環(huán)水泵及軟水定壓設(shè)備設(shè)置在2 號(hào)綜合樓地下室，機(jī)房?jī)?nèi)散熱器采暖系統(tǒng)設(shè)置三臺(tái)DE4300 型智能變頻一體立式水泵為散熱器采暖熱水循環(huán)水泵，冬季地板輻射采暖系統(tǒng)與夏季空調(diào)系統(tǒng)合用設(shè)置三臺(tái)DE4300 型智能變頻一體立式水泵為地板輻射采暖熱水循環(huán)水泵，使用形式均為兩用一備，均為立式變頻一體單級(jí)離心水泵，熱水循環(huán)泵耗電輸冷比ECR=0.02610＜0.026243（限值）。

3） 水處理設(shè)備選用ZNJH-9 全自動(dòng)軟水器(安裝于機(jī)房?jī)?nèi))，軟水器出水量6～12m3/h，軟水器自動(dòng)完成離子交換和制備軟水的運(yùn)行以及再生反洗排污和鹽箱補(bǔ)水循環(huán)的過(guò)程，并在兩罐之間自動(dòng)切換，連續(xù)運(yùn)行，隨時(shí)可供軟化水。

4） 地板輻射采暖熱水和散熱器采暖熱水補(bǔ)水及定壓系統(tǒng)采用真空脫氣定壓補(bǔ)水機(jī)組，功能為自動(dòng)定壓、膨脹、補(bǔ)水和真空脫氣。

5） 控制計(jì)量和自動(dòng)控制設(shè)計(jì)：

a. 本項(xiàng)目負(fù)荷變化有一定的規(guī)律可依，主機(jī)可以通過(guò)臺(tái)數(shù)和連續(xù)容量調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)荷，調(diào)節(jié)可以達(dá)到15%～100%，基本可以滿足運(yùn)行調(diào)節(jié)的要求。

b. 水處理器的給水系統(tǒng)安裝流量計(jì)，集水器上每個(gè)分環(huán)路上均安裝冷（熱） 量表。

c. 在主機(jī)控制盤上實(shí)現(xiàn)主要設(shè)備（風(fēng)冷冷水(熱泵) 機(jī)組(低溫型) 和空氣能熱泵機(jī)組室外機(jī)、循環(huán)水泵) 的聯(lián)鎖啟動(dòng)，即機(jī)組運(yùn)行時(shí)循環(huán)水泵與主機(jī)設(shè)置按自動(dòng)順序啟停與手動(dòng)啟停兩種方式，并在機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)有遠(yuǎn)傳控制系統(tǒng)。

d. 冷熱源系統(tǒng)設(shè)置計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

2.2 1～4 號(hào)樓空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 號(hào)運(yùn)動(dòng)館空調(diào)系統(tǒng)采用一次回風(fēng)低速單風(fēng)道全空氣系統(tǒng)，氣流組織采用上送上回形式。

2 號(hào)綜合樓一層實(shí)踐活動(dòng)體驗(yàn)區(qū)及二層多功能廳均采用一次回風(fēng)低速單風(fēng)道全空氣系統(tǒng)，氣流組織采用上送上回式，二層接待區(qū)，閱覽室，三，四，五層實(shí)踐活動(dòng)教學(xué)區(qū)均采用了風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)系統(tǒng)。氣流組織采用上送上回形式。

3 號(hào)體驗(yàn)館空調(diào)系統(tǒng)為舒適性中央空調(diào)系統(tǒng)，氣流組織采用上送上回形式。

4 號(hào)食堂空調(diào)系統(tǒng)為舒適性中央空調(diào)系統(tǒng)，氣流組織采用上送上回形式。

本項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)均采用帶熱回收的空氣處理系統(tǒng)，換熱效率高達(dá)70%，從而降低因室內(nèi)外空氣置換而造成的能耗損失，實(shí)現(xiàn)了全面、有效、節(jié)能的空氣置換。

2.3 采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1～4 號(hào)樓均采用散熱器采暖系統(tǒng)，散熱器選用壓鑄鋁雙金屬散熱器(UR7002-600)，既能滿足采暖要求，又美觀整潔。

5～7 號(hào)樓均采用地板輻射采暖系統(tǒng)，既滿足采暖要求，而且舒適性好，溫度均勻、易于鋪設(shè)，適合公寓類建筑。

2.4 運(yùn)行耗能分析

風(fēng)冷熱泵在冬季運(yùn)行時(shí)，COP 約為3.2，即投入1KW 電能，可得到3KW 的熱能，夏季運(yùn)行時(shí)，COP 可達(dá)4.3，投入1KW 電能，可得到4KW 的冷量，能源利用效率為電采暖方式的3-4 倍;并且熱交換器不需要除霜，減少了結(jié)霜和除霜的用電能耗；而且風(fēng)冷熱泵機(jī)組其本身可輕松實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制（包括自動(dòng)除霜） 以達(dá)到管理運(yùn)行簡(jiǎn)單；能提供制冷和制熱以適應(yīng)不同建筑物的使用要求，一機(jī)冬夏兩用，具有設(shè)備利用率高的特點(diǎn)；空調(diào)系統(tǒng)冷熱源合一，夏季制冷時(shí)采用空氣側(cè)換熱器，無(wú)需安裝冷卻塔，避免了噪音及霉菌污染，同時(shí)省去了冷卻水泵和管路，減少了附加設(shè)備的投資，冬季制熱省去鍋爐設(shè)備和鍋爐房土建投資，消除了鍋爐房最有可能存在的安全隱患，適用于同時(shí)具有采暖和制冷需求的用戶；其結(jié)構(gòu)緊湊且整體性好，機(jī)組戶外安裝，可放置在屋頂，安裝方便，不占用建筑物的室內(nèi)空間，省去了冷凍機(jī)房，節(jié)約了建筑投資，風(fēng)冷熱泵機(jī)組的一次能源利用率可達(dá)90%，節(jié)約了能源消耗，大大降低了用戶成本，減少大氣污染和CO2 排放；風(fēng)冷系統(tǒng)替代冷卻水系統(tǒng)，更適用于缺水地區(qū)，對(duì)于節(jié)水、節(jié)能和環(huán)保等都具有重要的意義。熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來(lái)的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。

3 結(jié)論及建議

根據(jù)本工程特點(diǎn)，該項(xiàng)目位于基礎(chǔ)配套設(shè)施不完善區(qū)域。集中供熱無(wú)法到達(dá)，天然氣源和管網(wǎng)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)，而為響應(yīng)節(jié)能環(huán)保政策，本項(xiàng)目又不能采用燃煤鍋爐，這就造成了冬季采暖空調(diào)供熱熱源無(wú)法解決的難點(diǎn)。本項(xiàng)目采用風(fēng)冷熱泵機(jī)組作為冷熱源，很好的解決了上述難點(diǎn)，且周邊無(wú)高大建筑，空氣對(duì)流通暢，更利于風(fēng)冷熱泵機(jī)組運(yùn)行。而本項(xiàng)目作為學(xué)校項(xiàng)目，其特點(diǎn)是在進(jìn)入寒假期間，除值班人員外，校園內(nèi)處于無(wú)人狀態(tài)，采用風(fēng)冷熱泵機(jī)組作為熱源，可以根據(jù)各單體建筑的具體情況，在寒假采用降低室內(nèi)溫度，如無(wú)人使用時(shí)，可采用值班采暖溫度或局部供熱，有效的解決了寒假期間大部分學(xué)校都會(huì)產(chǎn)生不必要的能源浪費(fèi)問(wèn)題，同時(shí)風(fēng)冷熱泵機(jī)組可獨(dú)立或組成運(yùn)行，既管理方便，又運(yùn)行可靠也為學(xué)校節(jié)省了很大一筆開支。因此，采用風(fēng)冷熱泵機(jī)組作為該項(xiàng)目的熱源是個(gè)很好的選擇。

隨著現(xiàn)代建筑的蓬勃建設(shè)，為了適應(yīng)國(guó)際化大都市的要求，規(guī)劃、環(huán)保、消防部門均對(duì)鍋爐房的設(shè)置提出了種種限制。風(fēng)冷熱泵機(jī)組以大自然中蘊(yùn)藏著大量的較低溫度的低品位空氣為熱源，可以取之不盡，用之不竭，處處都有且無(wú)償獲取，可大大降低一次能源的消耗，是一項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展技術(shù)。其作為一種比較成熟的高效環(huán)保型供冷供熱產(chǎn)品，因其能做到夏季供冷、冬季供熱，近年來(lái)在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用，在建筑節(jié)能工程中的作用也越來(lái)越大。