中國(guó)水利博物館地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

唐彪鋒，毛霞麗，潘松法
（埃美圣龍（寧波）機(jī)械有限公司）

【摘 要】地源熱泵系統(tǒng)是一種環(huán)保節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)，可采用土壤源、地下水源、地表淡水源、污水源及海水源等多種冷熱源形式，對(duì)于單體項(xiàng)目可以采取各種冷熱源組合的方式。設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)需要結(jié)合建筑物周邊條件因地制宜加以選用，并從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行嚴(yán)格的分析論證，達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，以節(jié)省初投資和運(yùn)行費(fèi)用。
【關(guān)鍵詞】地源熱泵；地表水源；湖水盤(pán)管；土壤源；豎直埋管；初投資；運(yùn)行費(fèi)用

Optimized Design for the GSHP System of Chinese Water Conservancy Museum
Tang Biaofeng, Mao Xiali，Pan Songfa
(IMI Shenglong (Ningbo) Machinery Co., Ltd)

【Abstract】As a environment-friendly and energy saving air-conditioning system, GSHP system is employed as a multi-purpose systems that use the ground, groundwater, surface freshwater, sewage water and seawater as its heat source. Also these above items can be united for a single building. In design application, we should study the surrounding conditions of the building to decide which type of heat source/sink to use, analyze and calculate the technical and economical indexes to aim at the most optimized design, in order to save the investment and operating cost.
【Keywords】 GSHP; surface water source; pond loop; ground source, vertical loop; original investment; operating cost

一、工程概況

    中國(guó)水利博物館位于杭州市蕭山區(qū)，利用靠近錢(qián)塘江這一地理優(yōu)勢(shì)引錢(qián)塘江水修建了一座人工湖，形成三面環(huán)水之勢(shì)。人工湖面積約30萬(wàn)平方，湖深4-6米，水量常年維持在120萬(wàn)立方以上。根據(jù)業(yè)主提供的湖水溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，湖底水溫最低為3℃，最高為28℃。本工程建筑面積約32000平方米，空調(diào)冷負(fù)荷為3000KW，熱負(fù)荷為1520KW。室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)采用大型螺桿式水源熱泵主機(jī)+末端風(fēng)機(jī)盤(pán)管和組合式空調(diào)器，夏季開(kāi)3臺(tái)主機(jī)制冷，冬季開(kāi)2臺(tái)制熱，還有1臺(tái)為塔基內(nèi)區(qū)提供冷量。受業(yè)主委托，作者對(duì)本工程空調(diào)室外換熱系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并最終被業(yè)主采用，目前該項(xiàng)目已完工且運(yùn)行節(jié)能效果良好。

二、設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)概述
2.1 、室外土壤、室外換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)
 ——全年土壤平均溫度，杭州地區(qū)約為19℃；
 ——室外換熱器（豎直埋管+地表水閉式盤(pán)管）出水設(shè)計(jì)最高溫度32℃
 ——室外換熱器（豎直埋管+地表水閉式盤(pán)管）出水設(shè)計(jì)最低溫度8℃
 ——夏季湖水水底最高溫度28℃
 ——冬季湖水水底最低溫度3℃
2.2、 熱泵機(jī)組工況設(shè)計(jì)參數(shù)
夏季空調(diào)供、回水溫度為7℃～12℃，地源水供水溫度32℃/37℃；
冬季空調(diào)供、回水溫度為45℃～40℃，地源水供水溫度8℃/3℃；
2.3、 設(shè)計(jì)概述
    原設(shè)計(jì)方案的室外換熱系統(tǒng)采用地表水閉式盤(pán)管，利用安裝在湖底的1900個(gè)湖水盤(pán)管換熱器作為三臺(tái)大型螺桿式水源熱泵主機(jī)的冷熱源，單個(gè)盤(pán)管長(zhǎng)度為100米，管徑dn25，盤(pán)管總長(zhǎng)190000米。
優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的室外換熱系統(tǒng)采用地表水閉式盤(pán)管與豎直埋管并聯(lián)的混合式系統(tǒng)：設(shè)計(jì)湖水盤(pán)管800個(gè)，單個(gè)盤(pán)管長(zhǎng)度為100米，管徑dn25，盤(pán)管總長(zhǎng)80000米；設(shè)計(jì)豎直埋管總長(zhǎng)度38398米，單U埋管深度40米，孔間距4m×4m，鉆孔數(shù)500個(gè)。
通過(guò)計(jì)算分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案比原方案的初投資節(jié)省18萬(wàn)元，年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省12萬(wàn)元（節(jié)約率達(dá)26.5%）。機(jī)組運(yùn)行工況更好更穩(wěn)定。且系統(tǒng)不需要添加防凍劑，更安全。

三、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1、系統(tǒng)原理圖
 
3.1.1、原方案系統(tǒng)原理圖

3.1.2、優(yōu)化方案系統(tǒng)原理圖

3.2、系統(tǒng)運(yùn)行原理
3.2.1、原方案系統(tǒng)運(yùn)行原理
    原方案設(shè)計(jì)湖水水平拋管1900卷，每卷100米，循環(huán)水通過(guò)拋管在湖中換熱，夏季將熱量排入湖水（原始狀態(tài)下最高溫度28℃）中，冬季吸取湖水（原始狀態(tài)下最低溫度3℃）的熱量，達(dá)到夏季制冷，冬季取暖的效果。
空調(diào)主機(jī)為三臺(tái)大型螺桿機(jī)組（水－水機(jī)組），夏天制冷開(kāi)三臺(tái)，冬季取暖開(kāi)兩臺(tái)，另一臺(tái)為塔基內(nèi)區(qū)制冷所用。因采暖季湖水溫度較低，兩臺(tái)熱泵機(jī)組不僅要面臨效率衰減的問(wèn)題，而且系統(tǒng)的安全運(yùn)行也受到考驗(yàn)。
3.2.2、優(yōu)化方案系統(tǒng)運(yùn)行原理
    經(jīng)過(guò)計(jì)算論證，設(shè)計(jì)采用混合式（湖水盤(pán)管+豎直地埋管）換熱方案，其中湖水拋管800個(gè)，每個(gè)盤(pán)管100米長(zhǎng)；豎直地埋孔500個(gè)，孔深40米?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)制冷季與采暖季的不同特點(diǎn)靈活選擇換熱方式，達(dá)到節(jié)能最大化。
    制冷季：以湖中盤(pán)管為主，豎直地埋管為輔。據(jù)湖水水溫測(cè)試資料，湖水溫度在制冷季可達(dá)到換熱要求。根據(jù)詳細(xì)計(jì)算設(shè)計(jì)湖中盤(pán)管800個(gè)，基本達(dá)到夏季所需制冷量的要求，但為了維持地下部分全年熱量平衡，提高熱泵機(jī)組工作效率，設(shè)計(jì)豎直地埋管分擔(dān)部分冷量（約800kw）。
    采暖季：以豎直地埋管為主，湖中盤(pán)管為輔。1）湖水水溫達(dá)到8℃以上時(shí)，可以豎直地埋管為主，豎直地埋管出水與湖中拋管出水相混合，保證機(jī)組源側(cè)進(jìn)水溫度在8℃以上。2）湖水水溫低于8℃時(shí)，關(guān)閉湖水盤(pán)管的集/分水器總管閥門(mén)，全部采用豎直地埋管換熱，以保證熱泵機(jī)組地源側(cè)進(jìn)水溫度在8℃以上，不僅滿足了系統(tǒng)制熱量的要求，而且系統(tǒng)無(wú)需添加防凍液。
根據(jù)螺桿機(jī)的性能曲線圖可得出，在進(jìn)水溫度8℃條件下一臺(tái)螺桿機(jī)組的制熱量即可達(dá)到1200kw，這樣冬季只需開(kāi)一臺(tái)螺桿機(jī)就基本上達(dá)到建筑物取暖的要求，另一臺(tái)相當(dāng)于備用機(jī)。

四、技術(shù)穩(wěn)定性分析
    采用地表水（湖水）為本工程冬季采暖取熱時(shí)，大家都較關(guān)注湖水溫降問(wèn)題，認(rèn)為在采暖期隨著取熱時(shí)間增加，湖水換熱平衡打破，這樣溫度會(huì)越來(lái)越低。而經(jīng)過(guò)科學(xué)分析我們認(rèn)為湖水的熱平衡不會(huì)被破壞，分析如下：
4.1、湖水換熱原理
    地表水體（湖水）的整體溫度變化過(guò)程是一個(gè)熱平衡過(guò)程，除了熱泵機(jī)組的運(yùn)行而使湖水吸熱（或散熱），湖水本身也會(huì)向大氣和土壤散熱（或吸熱）。其主要熱交換方式有：太陽(yáng)輻射、天空輻射、與空氣的對(duì)流換熱、蒸發(fā)、與大地的熱傳導(dǎo)，以及來(lái)自熱泵機(jī)組的散熱（或吸熱）。
地表水體（湖水）溫度隨時(shí)間的變化可以用下述微分方程表示：

    對(duì)于夏季/冬季工況而言：1）太陽(yáng)輻射和換熱器（盤(pán)管）換熱量為湖水與外界的的主要換熱量，其中太陽(yáng)輻射得熱占有很大比重，可以達(dá)到950 w/耐，大約40％的太陽(yáng)輻射在表面被吸收，其余熱量的大約93％在人眼可見(jiàn)的深度內(nèi)被吸收。在冬季晴暖的白天，湖水表現(xiàn)為蓄熱狀態(tài)，因此這部分熱量對(duì)湖水溫升影響較大；2）因?yàn)楹屯饨绱髿獾臏夭钕鄬?duì)較小，所以湖水的對(duì)流換熱量非常小，通常只相當(dāng)于太陽(yáng)輻射得熱的10％～20％，即對(duì)流換熱只占一小部分，相對(duì)前兩者可以不考慮；3）湖水的冷卻主要通過(guò)表面蒸發(fā)和輻射散熱（也存在對(duì)流散熱）來(lái)完成，在晴朗的夏季夜晚，溫度相對(duì)較高的水體表面將向溫度較低的天空進(jìn)行輻射傳熱，但對(duì)于改善湖水溫升（溫降）的作用卻不大；4）而最后一項(xiàng)熱傳導(dǎo)是通過(guò)大地導(dǎo)熱的熱量，盡管它所占的比例并不大，但湖底土壤與湖水接觸面積較大而且導(dǎo)熱在不停進(jìn)行中，因而這部分導(dǎo)熱量對(duì)湖水溫度穩(wěn)定也起重要作用。
4.2、湖水蓄熱量
    按人工湖最低蓄水容量(30萬(wàn)m2*4米)120萬(wàn)m3，溫度升高或降低1℃的熱量變化量為4.18kJ/(kg•℃)×1000kg/m3×1200000m3×1℃=5016×106KJ=5016×106KW•s。系統(tǒng)冷負(fù)荷3000KW，熱負(fù)荷1520KW，也就是說(shuō)，熱泵連續(xù)排熱464小時(shí)，才使水溫升高1℃；或連續(xù)吸熱916小時(shí)，才使水溫降低1℃。可見(jiàn)，由熱泵機(jī)組通過(guò)湖水盤(pán)管換熱器向湖水散熱（或吸熱）相對(duì)太陽(yáng)輻射熱小得多，即湖水溫度在3℃～28℃變化不是由這部分熱量起主要作用，而是由其它換熱量（如輻射熱量、土壤導(dǎo)熱）決定，因此蓄水湖有足夠的容量確保本空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行，而一般情況下水源溫度不會(huì)低于冬季極限溫度3℃。
4.3、極端低溫運(yùn)行弊端
    湖水的溫度與流動(dòng)的錢(qián)塘江的水溫是有差異的，受天氣的影響較大，極端情況下，湖水溫度最低溫度3℃，盡管采暖季水源熱泵機(jī)組從湖水連續(xù)吸熱不會(huì)引起湖水溫度較大的波動(dòng)，但是極低湖水水溫對(duì)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行有如下三方面影響：
a、對(duì)熱泵機(jī)組的影響
    冬季需要制熱時(shí)，對(duì)于大型水-水熱泵機(jī)組（螺桿），在進(jìn)水溫度<3℃（通過(guò)盤(pán)管隔離，水源水溫度低于湖水溫度）時(shí)機(jī)組運(yùn)行效率和運(yùn)行安全性將大幅度降低，機(jī)組壽命也將大大縮減，并且僅僅為了保證機(jī)組運(yùn)行就需要以下條件：①充注防凍劑；②增加噴油或油冷卻器。下圖為水源螺桿機(jī)組性能曲線圖：

     從上圖可以看出當(dāng)機(jī)組水源側(cè)出水溫度4℃時(shí)（負(fù)荷側(cè)出水45℃），制熱量衰減20％，功率增加5%，這時(shí)機(jī)組效率下降24%；而本工程冬天最冷時(shí)湖水溫度僅有3℃，則水源熱泵機(jī)組水源側(cè)進(jìn)水溫度僅有2℃，出水溫度可能在0-1℃，此工況下機(jī)組運(yùn)行效率極低，同時(shí)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)接近非安全區(qū)邊緣，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)以下主要問(wèn)題：
1）、機(jī)組運(yùn)行效率衰減大，一般可達(dá)到30％以上；
2）、機(jī)組磨損大，壽命短；
3）、同條件下熱泵機(jī)組成本增加；
4）、由于防凍液的腐蝕性，機(jī)組及系統(tǒng)管路不可避免受到一定的腐蝕，而且因加入防凍液引起導(dǎo)熱系數(shù)降低，這時(shí)機(jī)組運(yùn)行效率又將下降5％以上。
在美國(guó)若要求熱泵機(jī)組在低溫制熱運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)需要具備以下兩條件：
1）、熱泵機(jī)組為小型水-水機(jī)組（渦旋壓縮機(jī)）或水-空機(jī)組；
2）、增加輔助加熱設(shè)備提高源側(cè)進(jìn)水溫度。
b、對(duì)盤(pán)管的影響
    隨著時(shí)間推移，湖底盤(pán)管上可能會(huì)滋生藻類等微生物，或部分盤(pán)管被泥沙掩埋，換熱效果將大受影響，導(dǎo)致制熱運(yùn)行時(shí)機(jī)組進(jìn)水溫度將更低，3～5年后進(jìn)水溫度甚至可能降至2℃以下，這樣整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效率更低，因此必要時(shí)需要清洗盤(pán)管。
c、對(duì)室外環(huán)路系統(tǒng)影響
    因盤(pán)管數(shù)量多，需占用很大的湖水面積，園區(qū)以后如需增設(shè)游樂(lè)項(xiàng)目必然會(huì)受到一定限制。水平管路也需相應(yīng)增多，不僅初投資大，而且系統(tǒng)循環(huán)水泵功耗也大。
4.4、優(yōu)化方案優(yōu)點(diǎn)
    根據(jù)以上分析得知，水源熱泵機(jī)組在夏季運(yùn)行效率較高，湖水溫度升高1～2℃對(duì)機(jī)組效率影響不大（約2%之內(nèi)），但在采暖季運(yùn)行，湖水溫度降低1℃，熱泵機(jī)組效率衰減較大，而且在接近機(jī)組非安全區(qū)域運(yùn)行。因此盡量提高熱泵機(jī)組水源側(cè)進(jìn)水溫度也就緩解了地表水熱泵冬季采暖的瓶頸問(wèn)題。本優(yōu)化方案的室外換熱系統(tǒng)采用混合式地源換熱方式（地表水盤(pán)管系統(tǒng)+垂直式地埋管系統(tǒng)），優(yōu)點(diǎn)如下：
1）、機(jī)組運(yùn)行安全系數(shù)提高，遠(yuǎn)離冬季運(yùn)行的不安全區(qū)域，無(wú)需添置其他輔助設(shè)備。
2）、機(jī)組運(yùn)行效率可以大幅提高，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。
3）、無(wú)需添加防凍液，系統(tǒng)效率不會(huì)因此衰減，而且管道系統(tǒng)腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)降低，系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用低。

五、經(jīng)濟(jì)性分析
5.1、初投資比較
經(jīng)過(guò)比較，原方案投資預(yù)算為221萬(wàn)元，優(yōu)化方案投資預(yù)算為203萬(wàn)元，節(jié)省了18萬(wàn)元。
5.2、運(yùn)行費(fèi)用比較
經(jīng)過(guò)測(cè)算，原方案年運(yùn)行費(fèi)用為455624元，優(yōu)化方案年運(yùn)行費(fèi)用為334728元，優(yōu)化方案運(yùn)行費(fèi)用比原方案節(jié)省26.5%。

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