虞　杰，吳可立

(浙江工業(yè)大學 工程設計集團有限公司，浙江 杭州 310014)

新安江畔某綜合辦公大樓水源熱泵空調系統(tǒng)設計

虞杰，吳可立

(浙江工業(yè)大學 工程設計集團有限公司，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，由水源給實際工程提供冷熱源的空調系統(tǒng)，結合工程當?shù)爻浞值乃Y源優(yōu)勢，并考慮該工程特點，從水溫、水質、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技術條件的可行性，詳細描述了該工程冷熱源配置、風系統(tǒng)和水系統(tǒng)設計、空調設計的噪聲控制減震措施等特點，介紹水源熱泵機房控制系統(tǒng)設計、水源取水構筑物及取水池設計、水資源再利用的措施，通過實際運行，說明水源熱泵系統(tǒng)是環(huán)保節(jié)能、使用時經濟合理的空調系統(tǒng)之一，值得在條件許可的地方推廣應用.

關鍵詞：水源熱泵；可行性分析；空調設計；取水構筑物；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系統(tǒng)冷熱源，通過輸入少量電能，給實際工程提供冷量和熱量的制冷制熱空調系統(tǒng).上述各種水源的水體溫度全年相對比較穩(wěn)定，一般為10～30 ℃，其溫度變化的范圍遠遠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，使得水源熱泵機組運行時更加穩(wěn)定、安全和高效，并充分發(fā)揮了系統(tǒng)的經濟性.系統(tǒng)運行時不僅不消耗水資源，不會造成水資源的二次污染，同時不需要配置傳統(tǒng)空調系統(tǒng)中的鍋爐和冷卻塔等設備，是一種節(jié)能環(huán)保、再利用的可再生能源技術.水源熱泵系統(tǒng)在供給空調系統(tǒng)冷熱負荷的同時還供給生活熱水，一套系統(tǒng)多種用途，在水資源豐富、條件許可的場所，不失為空調系統(tǒng)最佳的選擇.

本工程擬采用水源熱泵空調系統(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.地上建筑要求設置集中空調系統(tǒng)，空調系統(tǒng)的總冷負荷為6 980 kW,熱負荷為4 880 kW[1-3].

1水源熱泵的可行性分析

水源熱泵空調系統(tǒng)得到應用的前提條件是工程項目所在地應有合適的水源，對水源的要求是：水溫、水質、水量、供水可靠性.本項目是否可行，可以從下面四個方面進行分析.

1.1水溫

水源熱泵機組正常運行時要求水源的水溫為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無論是夏季還是冬季均可達到最佳運行工況[1,4-5].

1.2水質

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

新安江水是國家一類水質，可以作為飲用水水源，因此完全符合水源熱泵機組對水質的要求.

1.3水量

本項目夏季總冷負荷為6 980 kW，當水源水溫15 ℃時，機組滿負荷運行時需要水源水量650 m3/h; 冬季熱負荷為4 880 kW，水源水溫13 ℃時，機組滿負荷運行時需要水源水量 485 m3/h.本項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)電機組都停機檢修，這時的江水最小流量為9 m3/s(32 400 m3/h).按水源熱泵常規(guī)運行測算，此時水量可供300 萬m2以上建筑同時使用水源熱泵中央空調系統(tǒng).因此供水量是足夠的.

1.4供水可靠性

本項目水源熱泵空調機房設置在地下二層，離新安江距離只有150 m，且有現(xiàn)成的取水構筑物(原建化的生產用水泵房，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，是非常可靠的.

綜上所述，本項目離新安江近且有現(xiàn)成的取水構筑物，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空調設計

2.1室內設計參數(shù)

各功能房間內的溫度按DB 33/1036-2007《公共建筑節(jié)能設計標準》[4]中相關要求設置新風量按最小標準確定，另行確定各場所噪聲指標值，按要求選擇室內通風空調設備并采取相應的降噪措施(表1)[1-3].

表1　室內設計參數(shù)

2.2空調冷熱源配置

建筑物總冷負荷為6 980 kW，熱負荷為4 880 kW，單位建筑面積冷負荷指標為113 W/m2，熱負荷指標為79 W/m2.

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

2.3空調風系統(tǒng)設計

辦公室、小型會議室采用風機盤管加新風系統(tǒng)；大會議室、報告廳和大餐廳等大空間場所采用全空氣系統(tǒng)，采用上送下回的氣流組織形式.

會議室1空氣處理采用單風機定量回風全空氣系統(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

為達到會議室1的設計參數(shù)，夏季供冷工況下的計算送風溫差取10 ℃，會議室人員密度按0.3～0.6 人/m2，管道溫升值取0.5 ℃，新風量按每人20 m3/h.會議室1的計算結果如表2所示.

會議室1溫濕度控制：在回風管道和新風管道上設置溫濕度傳感器，對室內回風和新風溫濕度控制，把所檢測到的溫濕度與控制器設定的控制點參數(shù)相比較，控制系統(tǒng)可以根據(jù)比較的結果輸出相應的電壓信號數(shù)據(jù)，以控制動態(tài)平衡電動調節(jié)閥的動作，使會議室1內的溫濕度基本保持在設計范圍內.會議室1的空調機組送回風系統(tǒng)控制如圖2所示[1].

表2　會議室1焓濕圖計算參數(shù)和結果

1—多葉調節(jié)閥；2—過濾器；3—冷/熱盤管；4—馬達啟動器；5—溫度傳感器；6—動態(tài)平衡電動調節(jié)閥；7—壓差指示表(視實際需要安裝)；8—控制器圖2　會議室 1空調機組送回風控制Fig.2　The supply and return air control of air conditioning unit for the conference room 1

2.4空調水系統(tǒng)設計

本工程空調水系統(tǒng)采用同程式兩管制，空調冷熱水系統(tǒng)為一級泵變頻控制，用戶側分為主樓及裙房四個區(qū)塊.空調循環(huán)水泵設置變頻系統(tǒng)，按照供回水壓差運行，以利于水泵的節(jié)能.各樓層水系統(tǒng)水平總管、新風機組和空調機組回水管處設置平衡閥控制，機房集水器各區(qū)塊回水管處設置平衡閥，以保證主機水量變化時各系統(tǒng)、新風機組和空調機組水量的平衡，風機盤管設電動調節(jié)閥.

2.5空調系統(tǒng)消聲減振設計

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

空調通風系統(tǒng)控制噪聲的主要措施有：選擇低噪聲空調通風設備；送回風系統(tǒng)采取一級消聲措施；設備機房內設備作隔振處理；設備機房墻面作吸聲處理；吊頂回風管段內貼吸聲材料；墻面回風時采用消聲回風口.

空調通風系統(tǒng)主要采取以下減振措施：冷熱源機房布置在地下二層，從空間角度將主機、水泵等設備產生的噪聲振動進行了隔離；空調水管、風管與設備進出口采用柔性連接方式；冷熱源機組與基礎連接處設置隔振墊；水泵與基礎之間采用減振基座；安裝于吊頂內的風機采用減振吊鉤.

3水源熱泵機房控制系統(tǒng)

本工程水源熱泵機房主機控制系統(tǒng)采用PLC(可編程序控制器)為核心的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠對水源熱泵機組的參數(shù)進行采集并顯示，并根據(jù)設計要求自動控制水源熱泵機組、水泵和風機等設備的運行，PLC控制系統(tǒng)可自動記錄各種數(shù)據(jù)，管理人員可隨意查閱.系統(tǒng)及設備發(fā)生故障時，自動判斷并發(fā)出聲光報警.水源熱泵機房控制系統(tǒng)圖如圖3所示.

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

運行模式：

夏季運行工況：V1，V3，V6，V8關閉；V2，V4，V5，V7開啟.

冬季運行工況：V2，V4，V5，V7關閉；V1，V3，V6，V8開啟.

3.1機組控制

水源熱泵空調主機與循環(huán)水泵一一對應設計.隨著建筑物空調冷熱負荷的變化，控制水源熱泵空調主機及循環(huán)水泵臺數(shù)的啟停，啟停程序如下：

負荷變大時→啟動運行機組→開啟機組水源水及循環(huán)水入水管上電動兩通閥→啟動循環(huán)水泵→30 s延時→機組運行.

負荷減小時→關閉一臺主機→30 s延時→關閉相應的水泵→關閉相應機組水源水和循環(huán)水入水管上電動兩通閥.

自動報警：水源熱泵機組進水管及水源水進水管均設置流量開關，流量開關與水源熱泵機組聯(lián)動，主機進水量低于最低供水量時，水源熱泵機組自動停運.

3.2水源水泵控制

為減少水源水量和節(jié)能省電的目的，水源熱泵機組水源水供水泵采取恒壓供水，以利于節(jié)能，每臺主機進水管設置電動開關閥及定(限)流量閥，水源水的控制由壓力變送器完成，測得系統(tǒng)的實際運行壓力，經PID計算，輸送至潛水泵的變頻控制器，保證水源水側系統(tǒng)壓力恒定，壓力不足時運行另外一臺水源水供水泵.

3.3混水系統(tǒng)控制

回灌水管上安裝一電動調節(jié)閥，用以調節(jié)水源水量.當混水系統(tǒng)啟動時，混水泵啟動同時調節(jié)閥根據(jù)機組入口溫度自動調節(jié)回灌水量，由于潛水泵采用變頻恒壓控制，能夠根據(jù)壓力自動調節(jié)水量，當回水量變化時自動調整供水頻率，以調整供水量，從而以達到混水的目的.

4水源水

4.1水源水取水構筑物及取水池設計

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×寬×深)，原泵房安裝了三臺(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，經過檢查，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，具體改造設計方案如圖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，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一并修復，這樣以后在取水池內需要清理時，池內的水就可以被抽完，以方便檢修和清理.

2) 在取水池外新設計安裝一個取水構筑物，采用預制雙層鋼結構架構，尺寸為5 000 mm×2 000 mm×2 500 mm(長×寬×深).取水構筑物四周采用內外雙層格柵，安裝粗細二層過濾網，以確保進入池內的水質達到水源熱泵主機的使用要求.

3) 在取水構筑物和取水池之間安裝二根DN400的虹吸管(一用一備)，虹吸管的吸水口設置在取水構筑物內，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的使用安全.

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

4.2水源水再利用

當夏季空調系統(tǒng)滿負荷使用時，水源水回灌江水總量為650 m3/h, 即使非高峰負荷時回灌江水總量也非?？捎^，因水質本身不錯而水壓也有20 kPa，如直排江中非常可惜.因此水源水經過主機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結論

根據(jù)該工程實際運行情況來看，為了能達到水源熱泵空調系統(tǒng)的正常運行，提供給水源熱泵空調系統(tǒng)使用水源的水溫是隨著外界溫度環(huán)境的變化而產生水溫變化，實際運行過程中應根據(jù)外界溫度環(huán)境的影響適當調節(jié)建筑物的冷量和熱量，以滿足正常冷熱負荷的使用，才能使機組處于高效運行狀態(tài)，從而保證整個系統(tǒng)運行的經濟合理.本工程竣工完畢，經過夏季和冬季供冷供熱二個季節(jié)的分別使用，目前該工程空調系統(tǒng)整體運行正常，實測各項運行數(shù)據(jù)及室內參數(shù)均符合設計要求，從實測的數(shù)據(jù)比較分析來看，該項目空調系統(tǒng)全年運行時不僅運行效率比常規(guī)電制冷空調系統(tǒng)要高20%～30%，而且全年運行還能比常規(guī)電制冷空調系統(tǒng)節(jié)省20%～30%的電量消耗，系統(tǒng)運行達到了既節(jié)能環(huán)保又經濟合理的目的[13].

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(責任編輯：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

作者簡介：虞杰(1964—)，男，江蘇無錫人，高級工程師，研究方向為暖通空調領域，E-mail：641945777@qq.com.

中圖分類號：TB494

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4303(2016)03-0321-05