水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)及其廢熱利用

謝學(xué)海

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水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)及其廢熱利用

謝學(xué)海

水源熱泵是一項節(jié)能環(huán)保，可再生的能源利用技術(shù)。本文通過水源熱泵系統(tǒng)在沈陽航空航天大學(xué)體育館的應(yīng)用實例，就水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計、工藝和在實際工程應(yīng)用中應(yīng)注意的問題進行了闡述且對水源熱泵系統(tǒng)廢熱的利用進行了探討。

水源熱泵在體育館空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用概況

沈陽航空航天大學(xué)體育館（以下簡稱體育館）空調(diào)系統(tǒng)負責(zé)夏季供冷，冬季供熱（比賽時使用）非比賽時間采暖由散熱器系統(tǒng)負擔(dān)，冷（熱）源由水源熱泵機組提供；過度季節(jié)泳池、新風(fēng)和地面輻射采暖熱源由水源熱泵機組提供；冬季熱源由校區(qū)鍋爐房提供，供回水溫度為80/60℃。

體育館冷（熱）負荷

冬季和過渡季節(jié)熱負荷

游泳館熱風(fēng)445kw， 游泳館地?zé)?70kw，合計715kw。游泳池水加熱400kw，淋浴水加熱600kw（間歇運行）。

夏季冷負荷

主館空調(diào)冷負荷1920kw，主館新風(fēng)冷負荷140kw，合計2060kw。訓(xùn)練館負荷冷負荷240kw，健身房附屬房間風(fēng)機盤管冷負荷430kw，合計670kw。按滿負荷85%考慮冷負荷應(yīng)滿足2320kw。

主要設(shè)計參數(shù)

機組制冷量：

夏季主館空調(diào)不開時，由游泳池機組和淋浴機組滿足訓(xùn)練館空調(diào)，最大制冷量為338+518=856k，其中淋浴水間間歇運行。

主館使用時，機組最大制冷量100*2+338+518=2336kw.

地下水最大用水量

由表一、表二、表三最大用水量為100*2+60+80=340m3/h

設(shè)備選型

依據(jù)體育館冷（熱）負荷使用情況和要求和選型軟件，進一步優(yōu)化設(shè)計后，設(shè)備選型如下：

1.淋浴水加熱 水源熱泵機組SM-400M 1臺

2.泳池水加熱 水源熱泵機組SM-600M 1臺

3.空調(diào) 水源熱泵機組SM-700M 2臺

夏季制冷高峰負荷時4臺全開，可滿足體育館的使用，過度季節(jié)采暖時1臺機組即可滿足使用。機組互為備用負荷調(diào)解靈活、方便。

空調(diào)系統(tǒng)水源熱泵地下水源井成井工藝

地下水源熱泵因其環(huán)保節(jié)能近年得到廣泛應(yīng)用，應(yīng)用該系統(tǒng)的前提條件是系統(tǒng)取水回灌問題是否得到保證。本工程需要地下水量340m3/h， 結(jié)合水文地質(zhì)勘察報告書，回灌井的物理、化學(xué)氣相等堵塞是造成回灌量減少的主要原因。為了盡量降低水源井的渾濁度，增加出水量，盡量提高回灌井的回灌效果，根據(jù)行業(yè)特點及技術(shù)規(guī)范，特提出如下工藝要求。

井群布置

提（回）水井?dāng)?shù)量

保證出水井抽水時的流速小于地下水的安全流速，共設(shè)4眼出水井，單水出水量分別為60m3/h、80 m3/h、100 m3/h、100 m3/h，回灌井?dāng)?shù)量為12眼。為更加穩(wěn)妥起見，另設(shè)1眼備用調(diào)劑井，可做出水井，也可做回水井。

提水（回罐）井距

為保證地下水跟土壤的換熱量，保證地下水溫度的穩(wěn)定，提水井群和回灌井群間距原則上為190m。

成井工藝

井壁管和管徑的技術(shù)要求

使用符合國標(biāo)GB/T10002.1-2006給水用的PVC-U管材，公稱外徑250mm，公稱壁厚9.6mm，公稱 壓力1.00Mpa。基巖孔（段）孔徑為325mm，覆蓋層孔（段）孔徑為600mm。

對過濾器的技術(shù)要求

（1）覆蓋層孔（段）的PVC-U管開口率不小于10%（用開孔器鉆直徑4cm的進水孔，每米70個）。進水孔要按圖紙要求均勻合理布置。

（2）礫砂砂層需在孔式濾水管外面包扎一層8～14目尼龍濾網(wǎng)；粗砂砂層需在孔式濾水管外面在包一層20目尼龍濾網(wǎng)；中砂沙層需在包一層20～40目尼龍濾網(wǎng)；細砂以下的砂層須在包一層4～60目尼龍濾網(wǎng)。具體網(wǎng)目根據(jù)電法測井確定的砂層狀況決定。濾網(wǎng)要包扎嚴密。

井的技術(shù)要求

（1）打井深度要因地制宜、科學(xué)合理，打井深度100米左右，打進基巖后，再打2～5m的沉淀孔。

（2）轉(zhuǎn)進砂層可以用泥漿，但在下管之前須做破壁處理。

（3）下管時，每隔4～6m要綁扎一道找中圈，保證井管位于井孔中心。

（4）填樂石使用當(dāng)?shù)氐奶烊坏[石，粒徑具體尺寸根據(jù)測井確定的砂層狀況確定。填礫沙要均勻，連續(xù)填至井口。

（5）每眼回灌井安裝一臺反沖洗回楊泵，流量為50m2/h，不定期進行回楊。

（6）井口以下0.5m處安裝液位報警傳感器，回灌井安裝電池閥。由主控室控制器、液位傳感器、電池閥、回楊泵組成自動回楊系統(tǒng)，實現(xiàn)回灌井的自動回楊。

洗井

（1）用潛水泵抽水方式洗井，流量為100m3/h。每抽水4h左右停抽半小時，總洗井時間不少于24h。洗井要徹底，開泵前5min，取水樣目測清澈無沉淀為合格。

（2）抽水、回灌、反沖回楊泵管道要分別設(shè)置。抽水、回灌輸水管道除機房部分外，全部采用PVC-U或PE管材，盡量避免銹蝕物對回灌水造成污染。井中的回水管使用軟管，軟管要深入到靜水位以下10m，防止產(chǎn)生負壓引起氣相堵塞。

水源熱泵回灌系統(tǒng)廢熱利用的探討

水源熱泵系統(tǒng)回水井的回灌量隨著使用年限的增加，回水量逐年減少，每年還要對回水井進行洗井。體育館的主館與游泳館毗鄰，在夏季主館空調(diào)排除的廢熱經(jīng)換熱器送給泳池和淋浴水加熱，即可減去每年洗井費用，又可利用廢熱，達到節(jié)能減排的目的。現(xiàn)就主館廢熱利用的可行性進行探討。

主館空調(diào)夏季供冷使用兩臺SL-700、一臺SL-600的螺桿式機組，機組冷卻水進入游泳池，通過游泳池水散熱。技術(shù)分析如下。

游泳池每小時需熱量計算（水溫按照28℃計算）：

維持各水池溫度恒定需要的熱量供給

各溫?zé)崴乇３炙疁睾愣ㄐ枰目偀崃?，可按下述?）——（3）計算耗熱量總和：

（1）游泳池標(biāo)面蒸發(fā)和傳導(dǎo)損失的熱量；

（2）游泳池壁和池底傳導(dǎo)損失的熱量；

（3）管道的凈化水設(shè)備損失的熱量。

游泳池表面蒸發(fā)所損失的熱量

按下式（1）計算：

式中 Qx——游泳池水表面蒸發(fā)損失的總熱量（kcal/ h）；

y——與游泳池蒸發(fā)汽化潛熱（kcal/kg）；

vf ——游泳池水表面的風(fēng)速（m/s），室內(nèi)游泳池采用 vf=0.2～0.5 m/s；

Pb——與游泳池水溫相等的飽和空氣的水蒸汽分壓力（mmHg）；

Pq——游泳池表面空氣的水蒸汽壓力（mmHg）；

A——游泳池表面面積（m2）；

B——當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫Γ╩mHg）。則游泳池：水溫28℃，表面積為：1250m2。蓄水量為：2000m3。

根據(jù)查表和相關(guān)經(jīng)驗數(shù)據(jù)可知：

由此可知；

游泳池的水表面、池底、池壁、管道和設(shè)備等傳導(dǎo)所損失的熱量

游泳池水表面蒸發(fā)損失的熱量應(yīng)按20%計算確定。

游泳池補充水加熱所需的熱量，應(yīng)按下式（2）計算：

Qb——游泳池補充水加熱損失的熱量（kcal/h）；

qb——游泳池每日補充的水量（L）；

y——水常溫的密度（kg/L）；

tr——游泳池水的溫度（℃）；

tb——游泳池補充水的水溫（℃）；

t——加熱時間（h）。

由上式（2）計算結(jié)果，游泳池總的每小時散熱需加熱量可按下式（3）；

則每小時機組的輸出熱量為W1=509010÷860=592kW

該游泳池可滿足一臺SL-600的螺桿冷水機組的降溫要求。

游泳池水溫上升溫度

兩臺SL-700機組制冷量為1400kw，若用游泳池水來降溫，游泳池水量約2000 m3，則池水每小時升高溫度為：1400×0.86÷2000=0.60℃，主館空調(diào)一天最多運行4h，則水溫升高2.4℃。游泳池水溫由28℃上升到30.4℃，由于該空調(diào)開機頻率不是很高，對游泳池影響不大，可滿足系統(tǒng)使用要求。

結(jié)束語

1. 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一項跨專業(yè)跨學(xué)科的綜合能源利用技術(shù)，需要通過相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員協(xié)助做好勘察、設(shè)計、施工、調(diào)試、合理運行等各項工作才能使系統(tǒng)達到節(jié)能環(huán)保。

2.水源熱泵回灌水可利用泳池、蓄水池等蓄熱體進行熱交換，達到降低初期投資、維護費和節(jié)能減排目的。

3.運行過程中應(yīng)及時總結(jié)水源熱泵機組實際運行情況，使水源熱泵這項可再生能源技術(shù)得到健康有序的發(fā)展。

謝學(xué)海

沈陽航空航天大學(xué)

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.006