中國水利博物館地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設計

唐彪鋒，毛霞麗，潘松法
（埃美圣龍（寧波）機械有限公司）

【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，對于單體項目可以采取各種冷熱源組合的方式。設計應用時需要結合建筑物周邊條件因地制宜加以選用，并從技術、經(jīng)濟方面進行嚴格的分析論證，達到系統(tǒng)最優(yōu)化設計的目的，以節(jié)省初投資和運行費用。
【關鍵詞】地源熱泵；地表水源；湖水盤管；土壤源；豎直埋管；初投資；運行費用

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

    中國水利博物館位于杭州市蕭山區(qū)，利用靠近錢塘江這一地理優(yōu)勢引錢塘江水修建了一座人工湖，形成三面環(huán)水之勢。人工湖面積約30萬平方，湖深4-6米，水量常年維持在120萬立方以上。根據(jù)業(yè)主提供的湖水溫度實測數(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，空調冷負荷為3000KW，熱負荷為1520KW。室內(nèi)空調系統(tǒng)采用大型螺桿式水源熱泵主機+末端風機盤管和組合式空調器，夏季開3臺主機制冷，冬季開2臺制熱，還有1臺為塔基內(nèi)區(qū)提供冷量。受業(yè)主委托，作者對本工程空調室外換熱系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，并最終被業(yè)主采用，目前該項目已完工且運行節(jié)能效果良好。

二、設計參數(shù)及設計概述
2.1 、室外土壤、室外換熱系統(tǒng)設計參數(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+地表水閉式盤管）出水設計最高溫度32℃
 ——室外換熱器（豎直埋管+地表水閉式盤管）出水設計最低溫度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、 熱泵機組工況設計參數(shù)
夏季空調供、回水溫度為7℃～12℃，地源水供水溫度32℃/37℃；
冬季空調供、回水溫度為45℃～40℃，地源水供水溫度8℃/3℃；
2.3、 設計概述
    原設計方案的室外換熱系統(tǒng)采用地表水閉式盤管，利用安裝在湖底的1900個湖水盤管換熱器作為三臺大型螺桿式水源熱泵主機的冷熱源，單個盤管長度為100米，管徑dn25，盤管總長190000米。
優(yōu)化設計方案的室外換熱系統(tǒng)采用地表水閉式盤管與豎直埋管并聯(lián)的混合式系統(tǒng)：設計湖水盤管800個，單個盤管長度為100米，管徑dn25，盤管總長80000米；設計豎直埋管總長度38398米，單U埋管深度40米，孔間距4m×4m，鉆孔數(shù)500個。
通過計算分析，優(yōu)化設計方案比原方案的初投資節(jié)省18萬元，年運行費用節(jié)省12萬元（節(jié)約率達26.5%）。機組運行工況更好更穩(wěn)定。且系統(tǒng)不需要添加防凍劑，更安全。

三、系統(tǒng)優(yōu)化設計

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)運行原理
3.2.1、原方案系統(tǒng)運行原理
    原方案設計湖水水平拋管1900卷，每卷100米，循環(huán)水通過拋管在湖中換熱，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，達到夏季制冷，冬季取暖的效果。
空調主機為三臺大型螺桿機組（水－水機組），夏天制冷開三臺，冬季取暖開兩臺，另一臺為塔基內(nèi)區(qū)制冷所用。因采暖季湖水溫度較低，兩臺熱泵機組不僅要面臨效率衰減的問題，而且系統(tǒng)的安全運行也受到考驗。
3.2.2、優(yōu)化方案系統(tǒng)運行原理
    經(jīng)過計算論證，設計采用混合式（湖水盤管+豎直地埋管）換熱方案，其中湖水拋管800個，每個盤管100米長；豎直地埋孔500個，孔深40米。控制系統(tǒng)根據(jù)制冷季與采暖季的不同特點靈活選擇換熱方式，達到節(jié)能最大化。
    制冷季：以湖中盤管為主，豎直地埋管為輔。據(jù)湖水水溫測試資料，湖水溫度在制冷季可達到換熱要求。根據(jù)詳細計算設計湖中盤管800個，基本達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，提高熱泵機組工作效率，設計豎直地埋管分擔部分冷量（約800kw）。
    采暖季：以豎直地埋管為主，湖中盤管為輔。1）湖水水溫達到8℃以上時，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，保證機組源側進水溫度在8℃以上。2）湖水水溫低于8℃時，關閉湖水盤管的集/分水器總管閥門，全部采用豎直地埋管換熱，以保證熱泵機組地源側進水溫度在8℃以上，不僅滿足了系統(tǒng)制熱量的要求，而且系統(tǒng)無需添加防凍液。
根據(jù)螺桿機的性能曲線圖可得出，在進水溫度8℃條件下一臺螺桿機組的制熱量即可達到1200kw，這樣冬季只需開一臺螺桿機就基本上達到建筑物取暖的要求，另一臺相當于備用機。

四、技術穩(wěn)定性分析
    采用地表水（湖水）為本工程冬季采暖取熱時，大家都較關注湖水溫降問題，認為在采暖期隨著取熱時間增加，湖水換熱平衡打破，這樣溫度會越來越低。而經(jīng)過科學分析我們認為湖水的熱平衡不會被破壞，分析如下：
4.1、湖水換熱原理
    地表水體（湖水）的整體溫度變化過程是一個熱平衡過程，除了熱泵機組的運行而使湖水吸熱（或散熱），湖水本身也會向大氣和土壤散熱（或吸熱）。其主要熱交換方式有：太陽輻射、天空輻射、與空氣的對流換熱、蒸發(fā)、與大地的熱傳導，以及來自熱泵機組的散熱（或吸熱）。
地表水體（湖水）溫度隨時間的變化可以用下述微分方程表示：

    對于夏季/冬季工況而言：1）太陽輻射和換熱器（盤管）換熱量為湖水與外界的的主要換熱量，其中太陽輻射得熱占有很大比重，可以達到950 w/耐，大約40％的太陽輻射在表面被吸收，其余熱量的大約93％在人眼可見的深度內(nèi)被吸收。在冬季晴暖的白天，湖水表現(xiàn)為蓄熱狀態(tài)，因此這部分熱量對湖水溫升影響較大；2）因為湖水和外界大氣的溫差相對較小，所以湖水的對流換熱量非常小，通常只相當于太陽輻射得熱的10％～20％，即對流換熱只占一小部分，相對前兩者可以不考慮；3）湖水的冷卻主要通過表面蒸發(fā)和輻射散熱（也存在對流散熱）來完成，在晴朗的夏季夜晚，溫度相對較高的水體表面將向溫度較低的天空進行輻射傳熱，但對于改善湖水溫升（溫降）的作用卻不大；4）而最后一項熱傳導是通過大地導熱的熱量，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熱在不停進行中，因而這部分導熱量對湖水溫度穩(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m2*4米)120萬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)冷負荷3000KW，熱負荷1520KW，也就是說，熱泵連續(xù)排熱464小時，才使水溫升高1℃；或連續(xù)吸熱916小時，才使水溫降低1℃?？梢?，由熱泵機組通過湖水盤管換熱器向湖水散熱（或吸熱）相對太陽輻射熱小得多，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、土壤導熱）決定，因此蓄水湖有足夠的容量確保本空調系統(tǒng)運行，而一般情況下水源溫度不會低于冬季極限溫度3℃。
4.3、極端低溫運行弊端
    湖水的溫度與流動的錢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組從湖水連續(xù)吸熱不會引起湖水溫度較大的波動，但是極低湖水水溫對空調系統(tǒng)運行有如下三方面影響：
a、對熱泵機組的影響
    冬季需要制熱時，對于大型水-水熱泵機組（螺桿），在進水溫度<3℃（通過盤管隔離，水源水溫度低于湖水溫度）時機組運行效率和運行安全性將大幅度降低，機組壽命也將大大縮減，并且僅僅為了保證機組運行就需要以下條件：①充注防凍劑；②增加噴油或油冷卻器。下圖為水源螺桿機組性能曲線圖：

     從上圖可以看出當機組水源側出水溫度4℃時（負荷側出水45℃），制熱量衰減20％，功率增加5%，這時機組效率下降24%；而本工程冬天最冷時湖水溫度僅有3℃，則水源熱泵機組水源側進水溫度僅有2℃，出水溫度可能在0-1℃，此工況下機組運行效率極低，同時機組運行狀態(tài)點接近非安全區(qū)邊緣，系統(tǒng)會出現(xiàn)以下主要問題：
1）、機組運行效率衰減大，一般可達到30％以上；
2）、機組磨損大，壽命短；
3）、同條件下熱泵機組成本增加；
4）、由于防凍液的腐蝕性，機組及系統(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熱系數(shù)降低，這時機組運行效率又將下降5％以上。
在美國若要求熱泵機組在低溫制熱運行時，系統(tǒng)需要具備以下兩條件：
1）、熱泵機組為小型水-水機組（渦旋壓縮機）或水-空機組；
2）、增加輔助加熱設備提高源側進水溫度。
b、對盤管的影響
    隨著時間推移，湖底盤管上可能會滋生藻類等微生物，或部分盤管被泥沙掩埋，換熱效果將大受影響，導致制熱運行時機組進水溫度將更低，3～5年后進水溫度甚至可能降至2℃以下，這樣整個系統(tǒng)運行效率更低，因此必要時需要清洗盤管。
c、對室外環(huán)路系統(tǒng)影響
    因盤管數(shù)量多，需占用很大的湖水面積，園區(qū)以后如需增設游樂項目必然會受到一定限制。水平管路也需相應增多，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
    根據(jù)以上分析得知，水源熱泵機組在夏季運行效率較高，湖水溫度升高1～2℃對機組效率影響不大（約2%之內(nèi)），但在采暖季運行，湖水溫度降低1℃，熱泵機組效率衰減較大，而且在接近機組非安全區(qū)域運行。因此盡量提高熱泵機組水源側進水溫度也就緩解了地表水熱泵冬季采暖的瓶頸問題。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（地表水盤管系統(tǒng)+垂直式地埋管系統(tǒng)），優(yōu)點如下：
1）、機組運行安全系數(shù)提高，遠離冬季運行的不安全區(qū)域，無需添置其他輔助設備。
2）、機組運行效率可以大幅提高，進一步實現(xiàn)節(jié)能目標。
3）、無需添加防凍液，系統(tǒng)效率不會因此衰減，而且管道系統(tǒng)腐蝕的風險降低，系統(tǒng)維護費用低。

五、經(jīng)濟性分析
5.1、初投資比較
經(jīng)過比較，原方案投資預算為221萬元，優(yōu)化方案投資預算為203萬元，節(jié)省了18萬元。
5.2、運行費用比較
經(jīng)過測算，原方案年運行費用為455624元，優(yōu)化方案年運行費用為334728元，優(yōu)化方案運行費用比原方案節(jié)省26.5%。

本文為《地源熱泵》雜志專稿內(nèi)容，轉載請注明“中國地源熱泵網(wǎng)”。