地下水水源熱泵區(qū)域供熱供冷系統(tǒng)的設計

王 紹 瑞

(新疆建筑設計研究院，新疆 烏魯木齊 830002)

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·水·暖·電·

地下水水源熱泵區(qū)域供熱供冷系統(tǒng)的設計

王 紹 瑞

(新疆建筑設計研究院，新疆 烏魯木齊 830002)

根據(jù)吐魯番地區(qū)的氣候特征和區(qū)域供熱供冷特點，在地下水取水、回灌、水溫和水量獲得保證的條件下，在設計上采取了一系列提高系統(tǒng)能效的措施，包括盡量縮小水源熱泵系統(tǒng)的作用半徑，并采用高效循環(huán)泵，控制輸送水泵的耗電輸熱比；選擇水源側(cè)大溫差且高效的熱泵機組，優(yōu)化機組設計參數(shù)等，實施方案在注重節(jié)能效益的同時也使系統(tǒng)的經(jīng)濟性有所提高。

地下水水源熱泵，區(qū)域供熱供冷，系統(tǒng)能效

吐魯番市新區(qū)位于吐魯番市老城區(qū)東部，新老城區(qū)相距5 km。新區(qū)總建筑面積150萬m2，于2008年啟動建設。新區(qū)總體規(guī)劃設計確定了以可再生能源應用示范作為建設的主導方針，并根據(jù)當?shù)刭Y源條件情況，明確了以太陽能、淺層地熱能為核心的應用發(fā)展方向。為此，實施了大規(guī)模建筑屋面光伏發(fā)電、太陽能生活熱水系統(tǒng)的建設。在總體規(guī)劃的基礎上，中國建筑科學研究院完成了可再生能源供熱供冷規(guī)劃方案的制定。根據(jù)新疆水力水電勘測設計研究院地質(zhì)勘察研究所提供的水文地質(zhì)測試實驗報告結果及巖土熱物性參數(shù)測試結果，新區(qū)可再生能源供熱供冷規(guī)劃方案對淺層地熱能資源條件及應用方式做了較為詳盡的論證，對可供選擇的地下水源熱泵和土壤源熱泵應用方案做了技術、經(jīng)濟對比，并進一步明確了以地下水水源熱泵為主要應用的指導原則。方案對區(qū)域供熱供冷的技術形式、優(yōu)點也做了充分的分析和介紹。方案對新區(qū)供熱供冷實施方案的確定起到了極為重要的指導作用。新區(qū)居住示范區(qū)建筑面積66.5萬m2，最終確定以地下水水源熱泵區(qū)域供熱供冷系統(tǒng)作為實施方案。本文將對實施方案中采取的提高系統(tǒng)能效的措施進行介紹。

1 居住示范區(qū)氣象特點及建筑概況

1)氣象特點。吐魯番夏季炎熱干燥，35 ℃以上氣溫可持續(xù)165 d，40 ℃以上氣溫可達50 d，素有“火州”之稱。該地區(qū)夏季空調(diào)室外計算干球溫度為40.3 ℃，濕球溫度為24.2 ℃，冬季供暖室外計算干球溫度為-12.6 ℃，供暖天數(shù)118 d，供暖期平均溫度-3.4 ℃。2)建筑概況。居住示范區(qū)劃分為A～E五個區(qū)塊，總建筑面積66.5萬m2，其中住宅面積占89%，小型商業(yè)、學校、幼兒園等面積僅占11%。住宅均為4層單元式，公建層數(shù)為2層～4層。吐魯番夏季炎熱，有供冷需求；冬季寒冷，有供暖需求。建筑供暖平均熱指標50 W/m2，供冷平均冷指標65 W/m2。根據(jù)供冷供暖需求，新區(qū)建筑普遍采用以風機盤管為末端的空調(diào)供冷供暖方式。

2 提高區(qū)域供熱供冷系統(tǒng)能效的措施

2.1 冷熱源站規(guī)模及作用半徑的確定

吐魯番新區(qū)居住示范區(qū)采用地下水水源熱泵區(qū)域供熱供冷系統(tǒng)。地下水水源熱泵系統(tǒng)不同于其他常規(guī)冷熱源方式，含有水源側(cè)和用戶側(cè)兩個輸送系統(tǒng)，兩個輸送系統(tǒng)的能耗都不可忽視。

居住示范區(qū)地下水靜水位埋深在80 m～100 m，設計動水位降為5 m。如此深的地下水位必將加大水源側(cè)的輸送能耗，從而影響熱泵系統(tǒng)的綜合能效。為了抵消地下水埋深給系統(tǒng)綜合能效帶來的影響，有必要在系統(tǒng)作用半徑和熱泵機組能效方面采取補救措施。按新區(qū)總體規(guī)劃設計，居住區(qū)的冷熱源站是結合區(qū)塊內(nèi)公建來設置的，但實際上在開工建設階段，住宅是先期建設完成的，公建作為后期建設項目。為保證住宅能夠按期供熱供冷，冷熱源站也必須在公建建設之前建成并投入運行，這樣，冷熱源站需要重新選址。重新選址考慮了冷熱源站土建及設備投資、用戶側(cè)及水源側(cè)管網(wǎng)輸配能耗、運行費用、水力平衡等因素，以盡量縮小系統(tǒng)作用半徑為原則。經(jīng)與當?shù)匾?guī)劃部門充分溝通、密切合作，最終確定了四個站點，每個冷熱源站作用半徑不大于500 m。

各地塊所設冷熱源站服務面積為：A5地塊站，14萬m2；B7地塊站，18萬m2；E1地塊站，16.5萬m2；E2地塊站，18萬m2。冷熱源站在各區(qū)塊的布置情況見圖1。

下面以容量最大、用戶側(cè)輸送管網(wǎng)最長的B7地塊冷熱源站為例來看輸配能耗情況：

B區(qū)塊冷熱源站供熱負荷為Q=9 000 kW，用戶側(cè)供回水溫差Δt=6 ℃，室外管網(wǎng)主干線總長度∑L=620m，系數(shù)A=0.005 4，系數(shù)α=0.008 78，則循環(huán)泵耗電輸熱比應為：EHR≤0.023 3。

水泵電機和傳動部分的效率η=0.87，循環(huán)水泵軸功率應為：N≤0.023 3Qη，即N≤182 kW。

將冷熱源站內(nèi)部管路系統(tǒng)阻力控制在120 kPa以內(nèi)，最不利用戶內(nèi)部系統(tǒng)阻力控制在50 kPa以內(nèi)。將室外管網(wǎng)主干線單位長度綜合平均阻力控制在100 Pa/m，則620 m長室外管網(wǎng)主干線阻力為124 kPa，系統(tǒng)總阻力為294 kPa。若考慮1.15的安全系數(shù)，系統(tǒng)總阻力則為340 kPa。該冷熱源站采用設置三臺熱泵機組，三臺用戶側(cè)循環(huán)水泵的配置，單臺泵流量考慮1.15的富余，則單臺水泵流量為495 m3/h，揚程為34 m。通過產(chǎn)品選型，確定單臺泵參數(shù)為：流量500 m3/h，揚程35.6 m，軸功率56.8 kW，泵效率84.1%，電機功率75 kW。該泵效率高于GB 19762—2007清水離心泵能效限定值及節(jié)能評價值泵目標能效限定值81.7%的要求。三臺循環(huán)泵軸功率之和為170.4 kW<182 kW，說明用戶側(cè)系統(tǒng)輸送能效可滿足《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能標準》的要求。這一結果也說明將管路單位長度綜合平均阻力控制在100 Pa/m是符合循環(huán)泵耗電輸熱比要求的，同時也是經(jīng)濟的。

居住示范區(qū)域內(nèi)的地下水單井出水量為140 m3/h，靜水位埋深為80 m，設計動水位85 m，水源側(cè)輸配管網(wǎng)比摩阻取100 Pa/m～200 Pa/m，經(jīng)系統(tǒng)水力計算得抽水泵揚程為127 m，電機功率75 kW。

B區(qū)塊冷熱源站設計工況下需運行三臺熱泵機組、三臺用戶側(cè)循環(huán)泵、五臺水源側(cè)抽水泵。熱泵機組制冷總量為：3×2 750 kW，總功率為：3×406 kW；制熱總量為：3×3 000 kW，總功率為：3×493 kW(熱泵機組詳細參數(shù)見下節(jié)介紹)。輸配總功率為：3×75 kW+5×75 kW=600 kW。B區(qū)塊冷熱源站綜合能效：制冷工況：COPs=4.53，制熱工況COPs=4.33。由于將各冷熱源站作用半徑確定在500 m范圍內(nèi)，各站水源井也在各站作用半徑范圍之內(nèi)按間距要求進行布置，因此水源側(cè)輸送管網(wǎng)的輸送能耗也是較低的。這就保證了每個地下水水源熱泵系統(tǒng)都具有較高的能效。

2.2 熱泵機組設計工況的確定

新區(qū)水文地質(zhì)勘察報告提供的地下水溫度為18 ℃，這是較高的地下水溫度，適合于在水源側(cè)采用大溫差、小流量設計方式。水源側(cè)大溫差是相對于熱泵機組額定工況下5 ℃溫差而言的，水源側(cè)溫差大于5 ℃即為大溫差。水源側(cè)大溫差取熱可以減少地下水用量，但同時也會降低熱泵機組蒸發(fā)溫度及能效，因此需要在地下水用量和熱泵機組能效兩者之間進行權衡。新區(qū)熱泵系統(tǒng)水源側(cè)采用大溫差設計是必然的，問題是溫差多大時才既省水又省電。下面以A區(qū)塊冷熱源站為例，說明熱泵機組設計工況的確定。A區(qū)塊設置三臺熱泵機組，要求單臺制熱量達到2 400 kW，并采用能效較高的離心式機組。用戶側(cè)供/回水溫度：冬季按42 ℃/36 ℃，夏季按10 ℃/16 ℃；水源側(cè)供水溫度按18 ℃，回水溫度：夏季按32 ℃，冬季分別按5 ℃和8 ℃兩種工況來選型。冬季水源側(cè)設定兩種供回水溫差，分別為13 ℃和10 ℃的大溫差，以比較兩種工況下，機組能效和地下水用量的差異。如表1所示是由特靈空調(diào)系統(tǒng)(中國)有限公司提供的兩種工況下的離心式熱泵機組性能參數(shù)。

表1 兩種工況下的離心式熱泵機組性能參數(shù)表

從表1中可以看出，兩種工況下夏季地下水用量基本上未發(fā)生變化，這就意味著兩種工況需要的抽水井、回灌井的數(shù)量是一樣的，水源側(cè)的初投資也是一樣的。工況2冬季三臺熱泵機組滿負荷運行時地下水用量比工況1減少126 m3/h。但工況2三臺熱泵機組滿負荷運行時用電量比工況1增加了89.4 kW。

居住示范區(qū)域內(nèi)的地下水單井出水量為140 m3/h，靜水位埋深為80 m，設計動水位85 m，經(jīng)系統(tǒng)水力計算得抽水泵揚程為127 m，電機功率75 kW。可見，工況2冬季雖然可以減少一臺抽水泵用電，但冷熱源站在滿負荷運行時總體用電比工況1增加了(89.4-75)=14.4 kW。無論用工況1還是工況2，抽水井數(shù)量是一樣的，只是工況2在冬季可以少用一口而已。冬季吐魯番新區(qū)地下水量有充足的保證，而且地下巖土體滲透性較好，一抽二灌能確保回灌，采用工況1多用一口水井也僅為取熱，不存在水資源浪費問題。在此種情況下，我們選擇了對提高系統(tǒng)能效有利的工況1作為本項目熱泵機組設計工況的參數(shù)，并作為機組配置要求。

冬季滿負荷時，A區(qū)塊三臺熱泵機組(供熱量3×2 400 kW，電機功率3×394.3 kW)、三臺用戶循環(huán)泵(電機功率3×55 kW)、四臺抽水泵(電機功率4×75 kW)投入運行，此時熱源站的系統(tǒng)綜合能效比COPs可達4.37，應該是較高的水平。我們對兩臺(組)熱泵機組串聯(lián)以實現(xiàn)水源側(cè)大溫差、小流量的應用方式也作了機組選型分析，熱泵機組串聯(lián)工況的性能參數(shù)見表2。

表2 熱泵機組串聯(lián)工況的性能參數(shù)表

A區(qū)塊需要四臺熱泵機組，每兩臺串聯(lián)再并聯(lián)，四臺熱泵機組總功率：制熱工況為1 288.6 kW，制冷工況為1 259.6 kW，與表1中工況1三臺機組總功率相比，制冷工況多出105.7 kW，制熱工況多出281.9 kW。地下水用量與表1中工況1相比，制冷工況減少72.3 m3/h，制熱工況減少123 m3/h。綜合比較，熱泵機組串聯(lián)方式地下水用量的減少有限，而機組能效降低較多。加之這種方式采用的機組臺數(shù)以偶數(shù)為佳，本工程至少用四臺，冷熱源站占地面積和設備投資也有所增加。該方案在技術、經(jīng)濟方面均不如表1中的工況1，因而未采用。

2.3 其他節(jié)能措施概述

在居住示范區(qū)區(qū)域供熱供冷實施方案設計中采取的其他節(jié)能措施如下：1)各冷熱源站熱泵機組總?cè)萘堪炊緹嶝摵纱_定，夏季供冷同時使用系數(shù)為70%,以避免裝機容量過大。2)用戶側(cè)管網(wǎng)各分支干管和建筑物熱力入口處設置靜態(tài)水力平衡閥，保證管網(wǎng)水力平衡。3)用戶側(cè)采取變流量控制措施。4)設置自動控制監(jiān)測系統(tǒng)，各建筑熱力入口處設有遠傳型冷熱量計量裝置，住宅戶內(nèi)設有溫度面積法冷熱量分攤裝置，監(jiān)控系統(tǒng)可對用戶室溫及用冷、用熱量情況進行監(jiān)測管理，并控制熱泵機組運行臺數(shù)和循環(huán)水泵臺數(shù)及轉(zhuǎn)速。

3 結語

吐魯番市新區(qū)居住示范區(qū)地下水水源熱泵區(qū)域供熱供冷系統(tǒng)的設計采用了多項提高系統(tǒng)能效的措施，其中以控制系統(tǒng)作用半徑和熱泵機組選型為重點。系統(tǒng)作用半徑控制在500 m以內(nèi)，對減少用戶側(cè)和水源側(cè)輸送管網(wǎng)的輸送能效大有裨益。采用能效比較高的離心式熱泵機組，并在水源側(cè)采用大溫差設計，在減少地下水用量的同時又兼顧了機組能效。這兩項措施為系統(tǒng)投入運行后減少運行電耗和運行費用奠定了基礎。在保證供熱供冷效果的前提下，冷熱源站盡量少占用居住區(qū)土地面積，盡量節(jié)省土建投資和熱泵設備投資，在注重節(jié)能效益的同時也使系統(tǒng)的經(jīng)濟性有所提高。

[1]JGJ 26—2010，嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準[S].

[2]GB/T 50801—2013，可再生能源建筑應用工程評價標準[S].

[3]陸耀慶.實用供熱空調(diào)設計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

On regional heat and cool supply system design at heat pump region of underground water resources

Wang Shaorui

(XinjiangArchitecturalDesignInstitute,Urumqi830002,China)

According to the climate features of Turpan and its regional heat and cool heat characteristics, the paper adopts a series of measures to improve the system’s energy efficiency in the aspect of design, including the reduction of functional radius of the water resource heat pump on the condition of underground water pumping, recharge, water temperature, and water volume, applies the effective circular pump, controls HER of pumping, selects water resource higher temperature difference and effective pump unit, and optimizes the unit design parameter, and indicates the scheme focuses on the energy-saving effect and improve the money-saving of the system.

underground water resource heat pump, regional heat and cool supply, system energy efficiency

1009-6825(2015)01-0119-03

2014-09-03

王紹瑞(1963- )，男，教授級高級工程師

TU991.11

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