基于夏熱冬冷地區(qū)水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的一種快速判斷方法

【摘要】本文結(jié)合以長(zhǎng)沙為代表的夏熱冬冷地區(qū)氣象條件特點(diǎn)，探討民用建筑基于淺地表水源的開(kāi)式水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵選取因素，并提供了一種簡(jiǎn)單易用的判斷方法，幫助項(xiàng)目相關(guān)方快速判斷具體項(xiàng)目是否適合采用淺地表水源開(kāi)式水源熱泵系統(tǒng)。其中包含了水源熱泵形式對(duì)比、地表水蓄熱蓄冷量分析、水源熱泵快速判斷方法等內(nèi)容，闡述了基于淺地表開(kāi)式水源熱泵的空調(diào)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，在滿足建筑熱舒適性的前提下，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

【關(guān)鍵詞】民用建筑;開(kāi)式水源熱泵;淺地表水源;判斷方法;空調(diào)系統(tǒng);形式對(duì)比

1、氣象特點(diǎn)

長(zhǎng)沙市屬溫暖濕潤(rùn)的亞熱帶季風(fēng)氣候，具有四季分明、溫暖潮濕、雨量充沛、嚴(yán)寒期短等特點(diǎn)。根據(jù)氣象部門(mén)長(zhǎng)年觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，本區(qū)多年平均氣溫 16.4～18.2℃，最低為-9℃，最高可達(dá)40℃左右，日平均最高氣溫38.1 ℃，日平均最低氣溫0.4℃。一年之中，1月最冷，月平均氣溫一般為 4～7℃;7月最熱，月平均氣溫為27～30℃。平均風(fēng)速為2.2m/s，最大風(fēng)速為20m/s，風(fēng)向隨季節(jié)變化，冬季多為西北風(fēng)，夏季多為東南風(fēng)。該地區(qū)屬于典型的夏熱冬冷地區(qū)。

根據(jù)《長(zhǎng)沙市可再生資源分析評(píng)估報(bào)告》，長(zhǎng)沙市湖泊水深小于5米的淺水湖泊水溫易受當(dāng)?shù)貧庀髼l件的影響，全年出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，但最低水溫一般不低于4℃，最高水溫一般不會(huì)超過(guò)33℃。

2、淺地表水源熱泵形式對(duì)比

淺地表水源熱泵形式一般分為開(kāi)式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)。其中，開(kāi)式系統(tǒng)是直接從淺地表水源底部抽水，通過(guò)板式換熱器與循環(huán)介質(zhì)進(jìn)行熱量交換，并將換熱后的水排至淺地表水源的方式。而閉式系統(tǒng)，則是在水下安裝換熱盤(pán)管，將循環(huán)介質(zhì)通過(guò)環(huán)路分水器送入封閉式換熱盤(pán)管，與水源直接進(jìn)行熱交換，并通過(guò)環(huán)路集水器收集后送入循環(huán)泵的方式。

采用閉式水源熱泵，由于換熱盤(pán)管為封閉系統(tǒng)，不需要進(jìn)行過(guò)多水質(zhì)處理，水泵揚(yáng)程較低，不會(huì)引起地表水源的富營(yíng)養(yǎng)化，對(duì)于水質(zhì)較差的地表水源較適宜。

但是，由于不存在取水排水，水體不存在流動(dòng)，需要敷設(shè)盤(pán)管的范圍較大，盤(pán)管較長(zhǎng)，管路阻力較大，施工復(fù)雜。由于水體中密布盤(pán)管，水體也難以用于其他功用。特別是對(duì)于淺表水景，可能會(huì)影響水景觀感，一般不適用于兼作景觀等用途的地表水源。

采用開(kāi)式水源熱泵，需要考慮從水源底部取水，排水需距取水點(diǎn)有一定距離，通過(guò)取排水位置的優(yōu)化保證水體的流動(dòng)，從而提高換熱效率。地表水一般不宜直接進(jìn)入制冷機(jī)組，需要進(jìn)行凈化處理后采用板式換熱器與循環(huán)介質(zhì)進(jìn)行熱交換。為了防止化學(xué)處理方式污染水源，一般采用的凈化方式應(yīng)為物流方式，比如采用旋流除砂器除去水中顆粒物，再通過(guò)綜合水處理器進(jìn)行殺菌滅藻和過(guò)濾。

采用開(kāi)式系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便。另外，需要在水源端設(shè)取水構(gòu)造物，水質(zhì)處理很重要，需要定期進(jìn)行管道清理，排水端與取水端距離需要較遠(yuǎn)，須設(shè)置中間換熱器，有1℃左右溫差損失。

但對(duì)于城市項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，大多水源需要作為水景等多種用途，采用開(kāi)式系統(tǒng)符合大多數(shù)建筑的基本要求。因此，本文主要對(duì)開(kāi)式水源熱泵進(jìn)行分析和說(shuō)明。

3、地表水源蓄熱蓄冷量分析

3.1地表水源熱交換分析

理論分析中可忽略水體雨水及排水對(duì)地表水源量的影響，地表水源的得熱量及散熱量主要有太陽(yáng)輻射得熱φsr、大氣輻射射得熱φar、水體發(fā)出的長(zhǎng)波輻射散熱φwr、水面的對(duì)流散熱φc、水表面蒸發(fā)散熱φe、地表水源與巖土的換熱φg。

空氣與水直接接觸時(shí)，水表面形成的飽和空氣邊界層與主流空氣之間通過(guò)分子擴(kuò)散和紊流擴(kuò)散，使邊界層的飽和空氣與主流空氣不斷混摻，從而使主流空氣狀態(tài)發(fā)生變化。因此，空氣與水的熱濕交換過(guò)程可以視為主流空氣與邊界層空氣不斷混合的過(guò)程。夏冬季，可能出現(xiàn)的地表水源與空氣的熱交換情況有以下三種。

1）水溫高于空氣濕球溫度而低于空氣干球溫度，發(fā)生如下圖所示的A-5過(guò)程。此時(shí)由于twpqA，部分地表水源蒸發(fā)帶走熱量，同時(shí)地表水源被空氣加熱。

2）水溫等于空氣干球溫度時(shí)，發(fā)生A-6過(guò)程。此時(shí)由于tw=tA，pq6>pqA，說(shuō)明不發(fā)生顯熱交換，空氣狀態(tài)變化過(guò)程為等溫加濕。散熱全部依靠部分地表水源蒸發(fā)帶走熱量。

3）水溫高于空氣干球溫度時(shí)，發(fā)生A-7過(guò)程。此時(shí)由于tw>tA，pq7>pqA，空氣被加熱和加濕。散熱依靠部分地表水源蒸發(fā)和與空氣之間的溫差傳熱。

從以上分析可以看出，在最炎熱的夏季中一段時(shí)間，地表水源白天從空氣中吸收熱量，晚上則向空氣釋放熱量;最寒冷的冬季某些時(shí)間段，由于氣溫低，地表水源無(wú)論白天或晚上都向空氣中釋放熱量，對(duì)以地表水源供熱來(lái)說(shuō)，是很不利的。

3.2冬季地表水源蓄熱分析

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002），人為造成的環(huán)境水溫變化應(yīng)限制在：周平均最大溫降≤2℃。

按照夏熱冬冷地區(qū)大多數(shù)民用建筑的運(yùn)行規(guī)律，假設(shè)熱泵機(jī)組每天峰值負(fù)荷運(yùn)行8小時(shí)左右。

（1）地表水源的計(jì)算溫度

地表水源平均溫度按8℃計(jì)算。

（2）運(yùn)行30天地表水源允許達(dá)到的極限溫度

運(yùn)行30天地表水源允許達(dá)到的極限溫度為5℃。

（3）地表水源提供的熱量

假設(shè)某地表水源面積為10000平方米，平均深度1m左右區(qū)域的地表水源參加換熱，有效的換熱地表水源體積約10000立方米。

由熱平衡關(guān)系式：

Qk3600*30*8=ρVCp△t=ρSHCP△t

Qk=1000*10000*4.2*3/（3600*30*8）=146kW

（4）制熱量

蒸發(fā)器需提供的熱量全由地表水源提供，將導(dǎo)致地表水源溫度降低。水源熱泵系統(tǒng)（熱源來(lái)自淺地表水源）運(yùn)行時(shí)的COP一般在3.8左右。以COP=3.8為例進(jìn)行計(jì)算分析，則地表水源提供的熱量QK=制熱量Q0*（1-1/3.8）。

參照制熱量Q01=146/（1-1/3.8）=196kW

3.3夏季地表水源能量分析

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002），人為造成的環(huán)境水溫變化應(yīng)限制在：周平均最大溫降≤1℃。

同樣假設(shè)熱泵機(jī)組每天峰值負(fù)荷運(yùn)行8小時(shí)左右。

（1）地表水源的計(jì)算溫度

地表水源平均溫度按26℃計(jì)算。

（2）運(yùn)行30天地表水源允許達(dá)到的極限溫度

運(yùn)行30天地表水源允許達(dá)到的極限溫度為32℃。

（3）地表水源提供的熱量

假設(shè)某地表水源面積為10000平方米，平均深度1m左右區(qū)域的地表水源參加換熱，有效的換熱地表水源體積約10000立方米。

由熱平衡關(guān)系式：

Qk3600*30*8=ρVCp△t=ρSHCP△t

Qk=1000*10000*4.2*6/（3600*30*8）=292kW

（4）制冷量

冷凝器產(chǎn)生的熱量全部排入地表水源，導(dǎo)致地表水源溫度升高。水源熱泵系統(tǒng)（冷源來(lái)自淺地表水源）運(yùn)行時(shí)的COP一般在4.2范圍內(nèi)，以COP=4.2為例進(jìn)行計(jì)算分析，則排入地表水源的熱量Qk=制冷量Q0 （1+1/4.2）。

參照制冷量Q02=729/（1+1/4.2）=235kW

4、水源熱泵快速判斷方法

由以上分析可知，對(duì)于基于地表水源的開(kāi)式水源熱源空調(diào)系統(tǒng)，冬季制熱量和夏季制冷量與地表水源的深度、面積有較大關(guān)系。

地表水源在未考慮夜間水源換熱的情況下，按照假設(shè)條件，水源平均深度1m，水體面積10000平方米，每天空調(diào)系統(tǒng)以峰值運(yùn)行8小時(shí)，能至少滿足空調(diào)系統(tǒng)在冬季按照196kW的滿負(fù)荷運(yùn)行30天，在夏季按照235kW的滿負(fù)荷運(yùn)行30天。

4.1判斷方法

按照實(shí)際地表水源的平均深度為A（單位為m），滿足平均深度A的水源面積為B（單位為萬(wàn)㎡）。

在冬季，實(shí)際項(xiàng)目的開(kāi)式水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制熱量：

Qr =參照制熱量Q01*A*B=196*A*B

在夏季，實(shí)際項(xiàng)目的開(kāi)式水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制冷量：

Ql=參照制冷量Q01*A*B=235*A*B

4.2案例說(shuō)明

某項(xiàng)目景觀湖湖泊面積約5萬(wàn)㎡，地表水源平均水深3.5m。地表水源熱泵取水口設(shè)置在湖底最深處，回水口設(shè)置在一般水深區(qū)，水泵的取水口與回水口的位置相隔一定的距離。

按照上述判斷方法，可得出如下成果：

冬季制熱量Qr =參照制熱量

Q01*A*B=196*3.5*5=3430kW

夏季制冷量Ql=參照制冷量

Q01*A*B=235*3.5*5=4112kW

本項(xiàng)目中，未考慮夜間水源換熱的情況下，按照假設(shè)條件，地表水源平均深度3.5m，水體面積5萬(wàn)平方米，每天空調(diào)系統(tǒng)以峰值運(yùn)行8小時(shí)，能至少滿足空調(diào)系統(tǒng)在冬季按照3430kW的熱負(fù)荷滿負(fù)荷運(yùn)行30天，在夏季按照4112kW的冷負(fù)荷滿負(fù)荷運(yùn)行30天。

實(shí)際上，具體項(xiàng)目的空調(diào)系統(tǒng)每天滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間低于8小時(shí)，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目條件進(jìn)行調(diào)整換算。

結(jié)語(yǔ)：

淺地表開(kāi)式水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，以地表水為冷熱源，不消耗水資源，節(jié)省了鍋爐房及附屬儲(chǔ)油間、冷卻塔等設(shè)施，機(jī)房面積小于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，更有利于建筑的美觀，也不影響水源用于景觀展示等其它用途。此外，水源熱泵系統(tǒng)全程無(wú)燃燒過(guò)程，避免了排煙、排污等污染，避免產(chǎn)生城市熱島效應(yīng)及霧霾問(wèn)題。

本文以長(zhǎng)沙為代表，對(duì)夏熱冬冷地區(qū)的淺地表水源熱泵的形式進(jìn)行了對(duì)比分析，并出具了一個(gè)簡(jiǎn)單判斷方法，用于判斷淺地表水源是否適合采用開(kāi)式水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，從而幫助工程人員在項(xiàng)目初期快速判斷是否可以采用水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，利于清潔能源的推廣。

作者簡(jiǎn)介：

李星亮（1989-），男，瑤族，湖南永州，本科，工程師，主要從事暖通設(shè)計(jì)和BIM技術(shù)研究推廣工作。