水源热泵系统在某工程试用探讨

3.3  风机盘管形式

    本工程风机盘管空气流程形式采用压出式，即风机位于盘管的上风侧，这种形式的优点是盘管送风均匀，冷、热效率相对较高。安装形式采用卧式暗装，为侧送风底回风，将它放置于吊顶内，对吊顶的装修较为有利。

3.4  冷、热媒参数

    本工程空调冷、热媒自行制备，集中供给，供回水温度分别为：夏季冷冻水温度为7/12℃，冬季热水温度为60/50℃。

4  空调冷、热源

4.1  冷、热源型式

    由于高层民用建筑空调使用的一年四季中，冷、热源是交替使用的。目前国内采用的制冷及供热方案基本上有3个：方案1—水冷冷水机组+锅炉供热；方案2—吸收式制冷+锅炉供热（或直燃式吸收制冷机组制冷供热一体化）；方案3—空气源热泵机组制冷供热一体化。笔者认为把冷、热源割裂开来分析是不完善的，不同的冷、热源及设备的组合对于其整个建筑的综合经济性是完全不一样的。充分提高设备运行效率和利用率需要统一考虑冷、热源问题，因此笔者建议采用方案3，其实较理想的全年冬夏供热制冷的冷热源方案应该是：在夏季使用水冷方式制冷，而冬季使用热泵方式供热。

    目前使用的空气源热泵大致可分为两大类：即空气—空气热泵和水—空气热泵。前者通过对外界空气的放热进行制冷，通过吸收外界空气的热量来供热。这种热泵供热量受到室外气温的影响较大，当室外气温较低时，其供热的COP值大幅下降，甚至在某一低温以下时无法正常工作。考虑到滨州冬季气象条件，笔者认为不宜采用这种形式。

    水—空气热泵的载热介质为水（故简称水源热泵），制冷时，向水放热而把空气冷却；供热时则从水中取得热量。如果保证一定的水温，这一装置的制冷系统和供热的COP值都始终能保持较好。因此笔者综合考虑各方面因素后，建议使用水源热泵系统做为空调系统的冷、热源。

4.2  水源热泵系统的发展现状

    地下含水层储能技术起源于二十世纪六十年代的上海，在世界上开创了“冬灌夏用”、“夏灌冬用”的地下含水层储能技术的先河。而地下水源热泵在国内的应用始于二十世纪九十年代中后期，被称之为绿色能源技术。由于其制冷效果好，造价低，容量大，水的温度稳定，所以市场占有率高。

4.3  水源热泵系统的特点

4.3.1  节省能源

（一）热量的转移

    由于内部冷负荷所占的比例较大，因此进深较大的办公室有必要划分内、外区。外区常常是夏季供冷，冬季供热的运行状态；而内区全年要求供冷运行，因此如果能够把建筑物内部的部分区域得热移到需要供热的外部区域，则可以最大限度的减少外界供给的冷、热源，提高能源的利用率，这是最经济的节能方式之一。从水源热泵系统的形式来看，它具有这种热量转移的优势。

（二）热泵供热能效比高

    与空气源热泵相比，水源热泵由于采用水冷式热交换器，且可以把水温控制在较合适的范围，因此它设计的供热COP系数及全年运行的平均COP系数都远高于空气源热泵。这就保证其运行工况的稳定，达到节能的目的。

（三）运行节能

    由于水源热泵装置分散布置，比较容易满足系统同时使用系数上的要求，因此这一特点使其全年运行能耗较低。

4.3.2  满足多工况要求

水源热泵系统保证实现四管制系统精确满足建筑内各区域的不同运行工况的要求。

4.3.3  施工方便、节省空间

（一）减少管道管理

    水源热泵系统，只有循环水管。从循环水管的管径来看，它与中央空调系统的冷却水管相当；从管道的布置上看，它则与中央空调系统中的冷冻水管的布置相似，因此水源热泵系统的管道大为减少，不但施工更快捷，而且占用空间减少。

（二）不用保温

    循环水的温度在15~33℃变化，属于常温水，与所服务的房间温度（22~25℃左右）的温差不大，因此循环水管不需要保温，既节约了投资，又减少了施工的工作量。

（三）节省机房面积

    在水源热泵系统中，需占用面积的中央设备只有循环水泵，而没有诸如冷水机组，冷冻水泵等，因此占地面积小得多，可节省较多的机房面积，提高了建筑面积的利用率。

4.3.4  运行可靠，便于管理

（一）管理收费方便

    在水源热泵系统中，主要的用电点是用户安装的水源热泵装置，因此只要记录其用电量，就可以更准确的确定收费情况。因此，这有可能使整个建筑的运行能耗更得以节省，也避免了因平均收费所带来的一系列问题。

（二）可靠性高

    分散装置水源热泵的这种系统，具有非常高的可靠性，当某台装置的故障需要检修时，不会影响其它装置的正常运行，这是其所具有的一个较大的优点。

（三）控制简单

    每台设备采用独立的控制方式，互不影响，也不需要复杂的控制系统，使得控制更加简单和可靠。

4.4  水源热泵系统的对办公楼的适用性

①由于这些建筑物具有较为稳定的内部热源，因此其运行的能耗相当节省。

②系统投资可分步到位，有利于开发商的投资回收年限缩短。

③各用户可根据需要就地进行独立控制。

④便于对各出租用户进行收费。

4.6  水源热泵系统项目实施的条件

4.6.1  水文地质条件

    地下水回路技术的边界条件是：水文地质条件，地质条件不同，整个系统的经济性也不同，它是一种客观条件，也是项目实施的先决条件。基本的地质条件为：①含水层的深度在150米以内。②含水层的厚度不宜太小。③含水层的砂粒为砾石和中粗砂。④地下水埋深不宜太深。⑤地下水力坡度应适当。⑥水质情况应减少对管道的腐蚀。

    笔者仔细查阅了科技大厦的勘察设计资料，了解到：

（一）场地地下水情况

该场地地下水的类型为第四系孔隙潜水，补给来源以大气降水及黄河水为主，排泄途径以地面蒸发为主；水位埋深2.10~2.20米，水位埋深平均标高为6.59米，水位变化受季节影响明显。场区地层均为弱透水层，环境类别属Ⅲ类。地下水化学类型为HCO₃.CL—Ca.Na型。

（二）地下水环境检测报告

（三）场地各层岩土的分布和性质

    详见勘察设计资料

    通过认真对照上述的先决条件，分析研究后，笔者认为该地区的水文地质条件比较适合采用水源热泵系统。

4.6.2  地下水回灌方式

    随着地下水资源的日益减少，政府部门要求地下水实行全面回灌。而国内的地下水回灌基本上采用原先的人工回灌方式，主要分为压力回灌和真空回灌两种。压力回灌适用于高水位和低渗透性的含水层；而真空回灌仅适用于低水位和渗透性好的含水层。现在国内大多数系统都采用这种方式的地下水回灌。

    地下水回灌的堵塞问题成为制约此项技术推广应用的关键因素。造成井堵的原因是多种多样的，下表列出了各种堵塞机理和相应的物理和化学处理方法。

根据井的堵塞性质和原因，可采用连续回扬法，化学法和灭菌法等处理井堵塞问题。

    水源热泵系统中地下水回路的应用技术，不仅可以达到建筑节能的目的，而且又实现了地下含水层可持续利用。只要我们坚持可持续发展战略，用先进的技术作保障，就可以做到环境与发展的和谐。

4.7  水源热泵系统的设计

4.7.1  循环水系统设计

（一）冷、热量及水量的确定

    采用此系统时，夏季需要冷量的计算方法与其它系统都是相同的。冷量计算完成后，各台水

    热量的计算是重要的，计算中必须考虑到内部热源的散热。在冬季设计状态时，如果建筑内部热源散热量能够满足整幢建筑的热损失，则辅助热源可不需要；反之，则应详细计算辅助热源的热量需求。

（二）系统形式

水源热泵水路系统通常采用一次泵系统，其运行简单，管理也比较方便。为保证运行可靠，必须设置备用泵。无论是支路还是每个装置，采用同程式水系统更能达到水力平衡的要求。

4.7.2  设备选择

（一）冷却塔

    在水路系统中，为保证水质不受影响，一般要求循环水做成密闭式系统，不直接与大气接触。采用封闭式蒸发冷却塔是一种较好的选择。

（二）热交换器

    可采用板式热交换器，把冷却水与循环水分开的方式，为了保证换热器能正常可靠工作，一般来说应采用两台以上并联运行。

（三）水源热泵机组

    选择机组时，应注意的事项有：

    ①要符合实际使用条件，对制冷量和供热量应根据实际条件进行一定的修正。

    ②为了保证使用的可靠，所选择机组的实际冷量应大于或接近计算要求的冷量。

    ③必须注意到其工作压力。

4.7.3  控制系统

    水源热泵机组本身自带有比较完善的自控系统及相关设备，要进行监控的范围主要是冷却塔，水泵等设备的启停及循环水温控制。

（一）水源热泵机组的控制

    一般小型机组的控制，即采用回风温度直接控制压缩机的启停。

    大、中型机组采用多台压缩机分级控制的方式。

    最合理及最节能的方式是采用对压缩机进行变频调速控制。

（二）循环水温控制

    水源热泵系统的一个明显优点是在季节转换方面。由于其循环水量的适用范围较大（15~33℃），因此夏季过渡季与冬季过渡季交叉的运行期间，系统不用进行工况的频繁切换。控制循环水温主要有两种方法：

①利用循环水供水温度直接控制闭式冷却塔的运行台数。

②利用循环水供水温度直接控制冷却塔风机的转数。

5  结论

    水源热泵系统是我国近年来迅速发展的新型空调系统，是一种环保、节能的能源利用方式。我们必须积极引进国外成熟的先进技术和经验，并结合当地的水文，气象，经济等情况而逐步推广应用。从本质上解决地下水的回灌问题，建立示范性项目，不断提高技术水平。水源热泵系统的设计理论还需要在实践中不断完善。相信随着我国可持续发展战略的实施和国家对环保、节能的高度重视，水源热泵系统必将有着广阔的发展前景。