新安江畔某綜合辦公大樓水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

虞　杰，吳可立

(浙江工業(yè)大學(xué) 工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310014)

新安江畔某綜合辦公大樓水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

虞杰，吳可立

(浙江工業(yè)大學(xué) 工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310014)

摘要：水源熱泵系統(tǒng)是一種充分利用天然水資源優(yōu)勢(shì)，由水源給實(shí)際工程提供冷熱源的空調(diào)系統(tǒng)，結(jié)合工程當(dāng)?shù)爻浞值乃Y源優(yōu)勢(shì)，并考慮該工程特點(diǎn)，從水溫、水質(zhì)、水量和供水可靠性分析該綜合辦公大樓使用水源熱泵空調(diào)技術(shù)條件的可行性，詳細(xì)描述了該工程冷熱源配置、風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、空調(diào)設(shè)計(jì)的噪聲控制減震措施等特點(diǎn)，介紹水源熱泵機(jī)房控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、水源取水構(gòu)筑物及取水池設(shè)計(jì)、水資源再利用的措施，通過實(shí)際運(yùn)行，說明水源熱泵系統(tǒng)是環(huán)保節(jié)能、使用時(shí)經(jīng)濟(jì)合理的空調(diào)系統(tǒng)之一，值得在條件許可的地方推廣應(yīng)用.

關(guān)鍵詞：水源熱泵；可行性分析；空調(diào)設(shè)計(jì)；取水構(gòu)筑物；取水池

水源熱泵是用地下水、江河、湖泊、海洋等水源作為空調(diào)系統(tǒng)冷熱源，通過輸入少量電能，給實(shí)際工程提供冷量和熱量的制冷制熱空調(diào)系統(tǒng).上述各種水源的水體溫度全年相對(duì)比較穩(wěn)定，一般為10～30 ℃，其溫度變化的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的溫度變化，作為水源熱泵的冷熱源其水溫比較穩(wěn)定的特點(diǎn)，使得水源熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)更加穩(wěn)定、安全和高效，并充分發(fā)揮了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性.系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不僅不消耗水資源，不會(huì)造成水資源的二次污染，同時(shí)不需要配置傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中的鍋爐和冷卻塔等設(shè)備，是一種節(jié)能環(huán)保、再利用的可再生能源技術(shù).水源熱泵系統(tǒng)在供給空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷的同時(shí)還供給生活熱水，一套系統(tǒng)多種用途，在水資源豐富、條件許可的場(chǎng)所，不失為空調(diào)系統(tǒng)最佳的選擇.

本工程擬采用水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，工程位于新安江畔，功能為綜合辦公大樓，總建筑面積81 163 m2.其中地上由一幢27層的辦公主樓和一幢五層的商業(yè)用房輔樓組成，地上建筑面積共約61 873 m2，地下二層，地下建筑面積19 290 m2.地上建筑要求設(shè)置集中空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)的總冷負(fù)荷為6 980 kW,熱負(fù)荷為4 880 kW[1-3].

1水源熱泵的可行性分析

水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)得到應(yīng)用的前提條件是工程項(xiàng)目所在地應(yīng)有合適的水源，對(duì)水源的要求是：水溫、水質(zhì)、水量、供水可靠性.本項(xiàng)目是否可行，可以從下面四個(gè)方面進(jìn)行分析.

1.1水溫

水源熱泵機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)要求水源的水溫為10～30 ℃，最佳溫度為15～25 ℃之間；在制熱工況下，一般要求水源水溫為8～30 ℃，最佳溫度為10～25 ℃之間.新安江10 m以下的水溫常年恒溫在13～17 ℃之間，非常適合水源熱泵系統(tǒng)使用，該工況下水源熱泵主機(jī)無論是夏季還是冬季均可達(dá)到最佳運(yùn)行工況[1,4-5].

1.2水質(zhì)

水源熱泵機(jī)組對(duì)水質(zhì)有一定要求，用于水源熱泵的水含砂量應(yīng)小于1/20萬，渾濁度小于20 mL/L，水中固體顆粒直徑應(yīng)小于0.5 mm，水源的PH值應(yīng)在6.5～8.5之間， CaO的質(zhì)量濃度應(yīng)小于200 mg/L，水源的礦化度應(yīng)小于3 g/L[6-7].

新安江水是國(guó)家一類水質(zhì)，可以作為飲用水水源，因此完全符合水源熱泵機(jī)組對(duì)水質(zhì)的要求.

1.3水量

本項(xiàng)目夏季總冷負(fù)荷為6 980 kW，當(dāng)水源水溫15 ℃時(shí)，機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)需要水源水量650 m3/h; 冬季熱負(fù)荷為4 880 kW，水源水溫13 ℃時(shí)，機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)需要水源水量 485 m3/h.本項(xiàng)目最大需要水源水量不超過650 m3/h.

據(jù)新安江水文資料，年流量為15.83 km3，新安江歷史最低水位為0.5 m.最不利條件下新安江水電站所有發(fā)電機(jī)組都停機(jī)檢修，這時(shí)的江水最小流量為9 m3/s(32 400 m3/h).按水源熱泵常規(guī)運(yùn)行測(cè)算，此時(shí)水量可供300 萬m2以上建筑同時(shí)使用水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng).因此供水量是足夠的.

1.4供水可靠性

本項(xiàng)目水源熱泵空調(diào)機(jī)房設(shè)置在地下二層，離新安江距離只有150 m，且有現(xiàn)成的取水構(gòu)筑物(原建化的生產(chǎn)用水泵房，目前廢棄)，只要稍加整修就可重新投入使用，可以說取水是非常方便的，是非?？煽康?

綜上所述，本項(xiàng)目離新安江近且有現(xiàn)成的取水構(gòu)筑物，取水條件非常有利，本工程取水口位于新安江上游，距岸邊約80 m，周圍不存在污水排放口，水溫適宜，水質(zhì)非常好，完全符合水源熱泵的使用條件，使用水源熱泵是可行的.

2空調(diào)設(shè)計(jì)

2.1室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

各功能房間內(nèi)的溫度按DB 33/1036-2007《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[4]中相關(guān)要求設(shè)置新風(fēng)量按最小標(biāo)準(zhǔn)確定，另行確定各場(chǎng)所噪聲指標(biāo)值，按要求選擇室內(nèi)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備并采取相應(yīng)的降噪措施(表1)[1-3].

表1　室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2空調(diào)冷熱源配置

建筑物總冷負(fù)荷為6 980 kW，熱負(fù)荷為4 880 kW，單位建筑面積冷負(fù)荷指標(biāo)為113 W/m2，熱負(fù)荷指標(biāo)為79 W/m2.

本工程冷熱源主機(jī)選擇時(shí)考慮到辦公與商業(yè)用房運(yùn)行時(shí)間及高峰負(fù)荷的差異，選用四臺(tái)滿液式螺桿型水源熱泵主機(jī)，單臺(tái)制冷量為1 745 kW，制熱量為1 787 kW.水源熱泵機(jī)組設(shè)置于地下二層冷凍機(jī)房,從新安江抽取的江水經(jīng)過濾、除沙和滅藻等處理后再接入水源熱泵機(jī)組.夏季四臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行給空調(diào)系統(tǒng)提供7～12 ℃冷凍水，冬季三臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行給空調(diào)系統(tǒng)提供45～40 ℃熱水[1].

2.3空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

辦公室、小型會(huì)議室采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)；大會(huì)議室、報(bào)告廳和大餐廳等大空間場(chǎng)所采用全空氣系統(tǒng)，采用上送下回的氣流組織形式.

會(huì)議室1空氣處理采用單風(fēng)機(jī)定量回風(fēng)全空氣系統(tǒng)，夏季和冬季空氣處理過程見圖1[1,8].

圖1　會(huì)議室 1夏季冬季空氣處理過程焓濕圖Fig.1　Enthalpy and humidity chart of air handling process for the conference room 1 in summer and winter

為達(dá)到會(huì)議室1的設(shè)計(jì)參數(shù)，夏季供冷工況下的計(jì)算送風(fēng)溫差取10 ℃，會(huì)議室人員密度按0.3～0.6 人/m2，管道溫升值取0.5 ℃，新風(fēng)量按每人20 m3/h.會(huì)議室1的計(jì)算結(jié)果如表2所示.

會(huì)議室1溫濕度控制：在回風(fēng)管道和新風(fēng)管道上設(shè)置溫濕度傳感器，對(duì)室內(nèi)回風(fēng)和新風(fēng)溫濕度控制，把所檢測(cè)到的溫濕度與控制器設(shè)定的控制點(diǎn)參數(shù)相比較，控制系統(tǒng)可以根據(jù)比較的結(jié)果輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)數(shù)據(jù)，以控制動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作，使會(huì)議室1內(nèi)的溫濕度基本保持在設(shè)計(jì)范圍內(nèi).會(huì)議室1的空調(diào)機(jī)組送回風(fēng)系統(tǒng)控制如圖2所示[1].

表2　會(huì)議室1焓濕圖計(jì)算參數(shù)和結(jié)果

1—多葉調(diào)節(jié)閥；2—過濾器；3—冷/熱盤管；4—馬達(dá)啟動(dòng)器；5—溫度傳感器；6—?jiǎng)討B(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥；7—壓差指示表(視實(shí)際需要安裝)；8—控制器圖2　會(huì)議室 1空調(diào)機(jī)組送回風(fēng)控制Fig.2　The supply and return air control of air conditioning unit for the conference room 1

2.4空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本工程空調(diào)水系統(tǒng)采用同程式兩管制，空調(diào)冷熱水系統(tǒng)為一級(jí)泵變頻控制，用戶側(cè)分為主樓及裙房四個(gè)區(qū)塊.空調(diào)循環(huán)水泵設(shè)置變頻系統(tǒng)，按照供回水壓差運(yùn)行，以利于水泵的節(jié)能.各樓層水系統(tǒng)水平總管、新風(fēng)機(jī)組和空調(diào)機(jī)組回水管處設(shè)置平衡閥控制，機(jī)房集水器各區(qū)塊回水管處設(shè)置平衡閥，以保證主機(jī)水量變化時(shí)各系統(tǒng)、新風(fēng)機(jī)組和空調(diào)機(jī)組水量的平衡，風(fēng)機(jī)盤管設(shè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥.

2.5空調(diào)系統(tǒng)消聲減振設(shè)計(jì)

建筑物使用時(shí)噪聲主要來自于室內(nèi)和室外的噪聲源，室外噪聲源主要來之于交通噪聲(包括汽車、輪船和飛機(jī)等)，室內(nèi)噪聲主要來之于人的活動(dòng)、衛(wèi)生設(shè)備的使用、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)和電梯等.噪音污染對(duì)人類的危害是比較大的，房間內(nèi)噪音超過35 dB時(shí)，人的睡眠會(huì)有影響，而長(zhǎng)期在70 dB以上的噪音環(huán)境中生活和工作，噪音會(huì)嚴(yán)重影響人的身體健康.空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)是持續(xù)運(yùn)行的，其噪聲對(duì)建筑物使用的影響也是持續(xù)的，因此空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲控制就顯得尤為重要[9].

空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)控制噪聲的主要措施有：選擇低噪聲空調(diào)通風(fēng)設(shè)備；送回風(fēng)系統(tǒng)采取一級(jí)消聲措施；設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備作隔振處理；設(shè)備機(jī)房墻面作吸聲處理；吊頂回風(fēng)管段內(nèi)貼吸聲材料；墻面回風(fēng)時(shí)采用消聲回風(fēng)口.

空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)主要采取以下減振措施：冷熱源機(jī)房布置在地下二層，從空間角度將主機(jī)、水泵等設(shè)備產(chǎn)生的噪聲振動(dòng)進(jìn)行了隔離；空調(diào)水管、風(fēng)管與設(shè)備進(jìn)出口采用柔性連接方式；冷熱源機(jī)組與基礎(chǔ)連接處設(shè)置隔振墊；水泵與基礎(chǔ)之間采用減振基座；安裝于吊頂內(nèi)的風(fēng)機(jī)采用減振吊鉤.

3水源熱泵機(jī)房控制系統(tǒng)

本工程水源熱泵機(jī)房主機(jī)控制系統(tǒng)采用PLC(可編程序控制器)為核心的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠?qū)λ礋岜脵C(jī)組的參數(shù)進(jìn)行采集并顯示，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求自動(dòng)控制水源熱泵機(jī)組、水泵和風(fēng)機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行，PLC控制系統(tǒng)可自動(dòng)記錄各種數(shù)據(jù)，管理人員可隨意查閱.系統(tǒng)及設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)判斷并發(fā)出聲光報(bào)警.水源熱泵機(jī)房控制系統(tǒng)圖如圖3所示.

1—水源熱泵機(jī)組；2—冷熱水循環(huán)泵；3—真空排氣定壓機(jī)組；4—強(qiáng)磁水處理器；5—分水器；6—集水器；7—壓差控制器；8—旋流除沙器圖3　冷熱機(jī)房群控系統(tǒng)原理圖Fig.3　Schematic diagram of control system for refrigerating and heating room

運(yùn)行模式：

夏季運(yùn)行工況：V1，V3，V6，V8關(guān)閉；V2，V4，V5，V7開啟.

冬季運(yùn)行工況：V2，V4，V5，V7關(guān)閉；V1，V3，V6，V8開啟.

3.1機(jī)組控制

水源熱泵空調(diào)主機(jī)與循環(huán)水泵一一對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì).隨著建筑物空調(diào)冷熱負(fù)荷的變化，控制水源熱泵空調(diào)主機(jī)及循環(huán)水泵臺(tái)數(shù)的啟停，啟停程序如下：

負(fù)荷變大時(shí)→啟動(dòng)運(yùn)行機(jī)組→開啟機(jī)組水源水及循環(huán)水入水管上電動(dòng)兩通閥→啟動(dòng)循環(huán)水泵→30 s延時(shí)→機(jī)組運(yùn)行.

負(fù)荷減小時(shí)→關(guān)閉一臺(tái)主機(jī)→30 s延時(shí)→關(guān)閉相應(yīng)的水泵→關(guān)閉相應(yīng)機(jī)組水源水和循環(huán)水入水管上電動(dòng)兩通閥.

自動(dòng)報(bào)警：水源熱泵機(jī)組進(jìn)水管及水源水進(jìn)水管均設(shè)置流量開關(guān)，流量開關(guān)與水源熱泵機(jī)組聯(lián)動(dòng)，主機(jī)進(jìn)水量低于最低供水量時(shí)，水源熱泵機(jī)組自動(dòng)停運(yùn).

3.2水源水泵控制

為減少水源水量和節(jié)能省電的目的，水源熱泵機(jī)組水源水供水泵采取恒壓供水，以利于節(jié)能，每臺(tái)主機(jī)進(jìn)水管設(shè)置電動(dòng)開關(guān)閥及定(限)流量閥，水源水的控制由壓力變送器完成，測(cè)得系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行壓力，經(jīng)PID計(jì)算，輸送至潛水泵的變頻控制器，保證水源水側(cè)系統(tǒng)壓力恒定，壓力不足時(shí)運(yùn)行另外一臺(tái)水源水供水泵.

3.3混水系統(tǒng)控制

回灌水管上安裝一電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用以調(diào)節(jié)水源水量.當(dāng)混水系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，混水泵啟動(dòng)同時(shí)調(diào)節(jié)閥根據(jù)機(jī)組入口溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)回灌水量，由于潛水泵采用變頻恒壓控制，能夠根據(jù)壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)水量，當(dāng)回水量變化時(shí)自動(dòng)調(diào)整供水頻率，以調(diào)整供水量，從而以達(dá)到混水的目的.

4水源水

4.1水源水取水構(gòu)筑物及取水池設(shè)計(jì)

本工程取水口位于新安江上游，距岸邊約80 m，周圍不存在污水排放口，原建化生產(chǎn)用水的泵房雖然已拆除，但江中的取水池還在，取水池的尺寸為4 900 mm×3 800 mm×5 000 mm(長(zhǎng)×寬×深)，原泵房安裝了三臺(tái)(二用一備)流量為485 m3/h的清水泵，總流量為970 m3/h，現(xiàn)水源熱泵主機(jī)的最大用水量為650 m3/h.原取水池的水由埋到江中心的二根直徑為400的管道供應(yīng)，經(jīng)過檢查，現(xiàn)在這二根DN 400的管道已基本堵塞，但取水池還是完整的，可以利用，具體改造設(shè)計(jì)方案如圖4所示.

圖4　取水池和取水口平剖面Fig.4　Pool and water intake flat section

1) 在江水低于現(xiàn)有取水池頂部時(shí)，將水池盡量抽干，將兩根DN400管道完全密封，如水池壁有滲漏也同時(shí)一并修復(fù)，這樣以后在取水池內(nèi)需要清理時(shí)，池內(nèi)的水就可以被抽完，以方便檢修和清理.

2) 在取水池外新設(shè)計(jì)安裝一個(gè)取水構(gòu)筑物，采用預(yù)制雙層鋼結(jié)構(gòu)架構(gòu)，尺寸為5 000 mm×2 000 mm×2 500 mm(長(zhǎng)×寬×深).取水構(gòu)筑物四周采用內(nèi)外雙層格柵，安裝粗細(xì)二層過濾網(wǎng)，以確保進(jìn)入池內(nèi)的水質(zhì)達(dá)到水源熱泵主機(jī)的使用要求.

3) 在取水構(gòu)筑物和取水池之間安裝二根DN400的虹吸管(一用一備)，虹吸管的吸水口設(shè)置在取水構(gòu)筑物內(nèi)，高度低于新安江歷史最低水位0.5 m，以確保水源熱泵主機(jī)的使用安全.

4) 在取水池中安裝四臺(tái)型號(hào)為300QJ(R)200-30/2深井潛水泵(流量200 m3/h，揚(yáng)程30 m，功率25 kW)，通過集水器連接成為一個(gè)供水系統(tǒng).集水器及所有控制閥門均安裝在取水池的內(nèi)池側(cè)鋼架上，然后在取水池頂部安裝活動(dòng)蓋板封閉整個(gè)取水池.

4.2水源水再利用

當(dāng)夏季空調(diào)系統(tǒng)滿負(fù)荷使用時(shí)，水源水回灌江水總量為650 m3/h, 即使非高峰負(fù)荷時(shí)回灌江水總量也非常可觀，因水質(zhì)本身不錯(cuò)而水壓也有20 kPa，如直排江中非常可惜.因此水源水經(jīng)過主機(jī)后可作為中水再次利用，作為園林景觀綠化用水，道路澆水，公廁用水等用途，多余的水通過回水管再回灌江中.

5結(jié)論

根據(jù)該工程實(shí)際運(yùn)行情況來看，為了能達(dá)到水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，提供給水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)使用水源的水溫是隨著外界溫度環(huán)境的變化而產(chǎn)生水溫變化，實(shí)際運(yùn)行過程中應(yīng)根據(jù)外界溫度環(huán)境的影響適當(dāng)調(diào)節(jié)建筑物的冷量和熱量，以滿足正常冷熱負(fù)荷的使用，才能使機(jī)組處于高效運(yùn)行狀態(tài)，從而保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)合理.本工程竣工完畢，經(jīng)過夏季和冬季供冷供熱二個(gè)季節(jié)的分別使用，目前該工程空調(diào)系統(tǒng)整體運(yùn)行正常，實(shí)測(cè)各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)及室內(nèi)參數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求，從實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)比較分析來看，該項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)不僅運(yùn)行效率比常規(guī)電制冷空調(diào)系統(tǒng)要高20%～30%，而且全年運(yùn)行還能比常規(guī)電制冷空調(diào)系統(tǒng)節(jié)省20%～30%的電量消耗，系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到了既節(jié)能環(huán)保又經(jīng)濟(jì)合理的目的[13].

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(責(zé)任編輯：劉巖)

The design of water source heat pump air conditioning system for a comprehensive office building in Xin'anjiang River

YU Jie, WU Keli

(Engineering Design Group Co., Ltd., Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:The water source heat pump system is one of full use of natural water resources and provided with cold and heat sources by water resource in practical engineering. In view of the characteristics of the project, the feasibility of application of water source heat pump air conditioning technique in the comprehensive office building is analyzed from the water temperature, water quality, water quantity, and water supply reliability. The cold and heat sources configuration, the design of air and water systems, and the noise control measures of air conditioning design are described in detail. The design of the control system of the water pump room, the design of the water intake structure and water tank, and the measures for water reuse are introduced through practical operation, which demonstrates that the water source heat pump system has the advantages of environmental protection and energy saving and can be applied where the conditions are permitted.

Keywords:water source heat pump; feasibility analysis; air conditioning design; water intake structure; water intake tank

收稿日期：2015-12-03

作者簡(jiǎn)介：虞杰(1964—)，男，江蘇無錫人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榕照{(diào)領(lǐng)域，E-mail：641945777@qq.com.

中圖分類號(hào)：TB494

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-4303(2016)03-0321-05