梁增勇

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南寧博物館江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁增勇

（華藍(lán)設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司 南寧 530011）

介紹了南寧博物館江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)，包括江水溫度的確定、水處理措施、系統(tǒng)形式、系統(tǒng)流程、取水設(shè)施和效果評價(jià)等。指出應(yīng)對實(shí)測數(shù)據(jù)分析后確定江水設(shè)計(jì)溫度，應(yīng)對進(jìn)入熱泵機(jī)組的江水采取必要的水處理措施，并對熱泵機(jī)組的換熱器做特別處理。采用的岸邊深井取水法在配合景觀建設(shè)、確保航運(yùn)安全、抗擊洪水沖擊以及施工方法等方面具有特色。

江水溫度；水質(zhì)；水處理；開式系統(tǒng)；取水設(shè)施

0 工程概況

南寧博物館位于南寧市五象新區(qū)，臨邕江而建，建筑面積30817.30 m2。地下1層，地上3層，局部4層。建筑造型從空中俯瞰形似六片“葉子”。地下1層主要有藏品庫房及機(jī)電用房；1～3層為展廳、臨時(shí)展廳、多功能廳等；局部4層為餐廳和廚房。辦公用房區(qū)域相對集中，主要為藏品處理、研究、辦公、小型會(huì)議等功能。本工程建筑高度29.88 m，為二類公共建筑。項(xiàng)目建成后經(jīng)2016年全年及2017年夏季使用，至今運(yùn)行良好。

針對博物館具有公眾參觀、藏品收藏、館員辦公等不同的使用功能，分別采用不同的系統(tǒng)形式。

圖1 項(xiàng)目實(shí)景照片

公眾參觀用房，采用江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，夏季供冷，冬季供暖；

藏品庫房，采用風(fēng)冷恒溫恒濕空調(diào)機(jī)，各藏品庫房獨(dú)立設(shè)置系統(tǒng)，根據(jù)不同藏品性質(zhì)靈活運(yùn)行和調(diào)節(jié)其溫濕度；

館員辦公用房及位于局部4層的餐廳，分層分房間區(qū)域采用多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)。

本文重點(diǎn)介紹江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的技術(shù)特點(diǎn)。

1 江水源熱泵系統(tǒng)的水溫參數(shù)

國家規(guī)范GB/T 19409-2013《水（地）源熱泵機(jī)組》，給出了容積式熱泵機(jī)組正常工作的冷熱源溫度范圍，冷源溫度范圍為10～40 ℃，熱源溫度范圍為5～30 ℃。對于江水源熱泵機(jī)組的進(jìn)出水溫度，現(xiàn)行設(shè)計(jì)類規(guī)范如GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50366-2009《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》并未給出詳細(xì)規(guī)定。

戎向陽等的研究結(jié)果表明，利用江水的累年最熱月、最冷月平均溫度作為水源熱泵機(jī)組的選型依據(jù)時(shí)，熱泵機(jī)組實(shí)際制冷、制熱量對負(fù)荷側(cè)需求的保證率在98.3%以上，完全能夠滿足一般工程應(yīng)用的要求[1]。在目前規(guī)范缺少相關(guān)規(guī)定的情況下，筆者認(rèn)為文獻(xiàn)[1]的研究結(jié)果是合理的。江河實(shí)際水溫的歷史數(shù)據(jù)一般缺少公開的資料，往往導(dǎo)致一般江水源設(shè)計(jì)時(shí)，取水溫度的確定存在一定的盲目性，因此取得當(dāng)?shù)厮恼镜膶?shí)測資料尤為重要。

統(tǒng)計(jì)了南寧市邕江河段某水文站5年記錄的數(shù)據(jù)，江水累年月平均溫度變化如圖2所示。

圖2 南寧市邕江河段江水累年月平均溫度變化

數(shù)據(jù)顯示，南寧市江水溫度的最冷月出現(xiàn)在每年的1月份，而最熱月出現(xiàn)在6～8月份，以7月份居多。經(jīng)統(tǒng)計(jì)歷年水溫?cái)?shù)據(jù)，南寧市邕江河段基本水溫參數(shù)見表1。

表1 南寧市邕江河段基本水溫參數(shù)

考慮到水文站與項(xiàng)目取水點(diǎn)有一定的距離偏差，且由于獲取水文資料的統(tǒng)計(jì)累年數(shù)偏少，從工程保守的角度以及機(jī)組選型方便的需要，本設(shè)計(jì)確定了以下江水設(shè)計(jì)溫度：夏季供回水溫度分別為30 ℃和35 ℃；冬季供回水溫度分別為15 ℃和10 ℃。

2 江水源熱泵系統(tǒng)的水質(zhì)要求和水處理措施

2.1 水質(zhì)要求

對于進(jìn)入江水源熱泵機(jī)組的水質(zhì)，規(guī)范GB 50366-2009《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》及文獻(xiàn)[3]給出了參考指標(biāo)：pH值為6.5～8.5，CaO含量＜200 mg/L，礦化度＜3 g/L，Cl-＜l00 mg/L，SO42-＜200 mg/L，F(xiàn)e2+＜l mg/L，H2S＜0.5 mg/L，含砂量＜10 mg/L[2,3]。

上述文獻(xiàn)同時(shí)也指出，當(dāng)水源的水質(zhì)不能滿足要求時(shí)，應(yīng)采取過濾、沉淀、滅藻、阻垢、除垢和防腐等措施；仍不滿足使用需求時(shí)，可設(shè)熱交換器換熱或采用特殊的換熱裝置。

由此可見，地表水未經(jīng)處理直接進(jìn)入機(jī)組是不可取的。按規(guī)范要求，應(yīng)對直接進(jìn)入熱泵機(jī)組的江水進(jìn)行必要的水處理。

2.2 水處理措施

本項(xiàng)目所在地南寧市的相關(guān)河段，總體上屬于Ⅱ～Ⅲ類水質(zhì)，部分河段達(dá)到Ⅳ～Ⅴ類水質(zhì)[5]，水質(zhì)污染主要為有機(jī)物污染[6]。就江河水質(zhì)而言，大部分水體的水質(zhì)均不能滿足機(jī)組直接進(jìn)水要求，主要是含沙量不能滿足要求[3]，因此，需要對進(jìn)入江水源熱泵機(jī)組的江水作進(jìn)一步的水質(zhì)處理。

根據(jù)南寧市邕江河段的水質(zhì)情況，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，南寧博物館江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)采取了如下水處理流程：

取水頭部格柵攔截→旋流除砂器→中間水池沉淀→Y型過濾器→全程水處理器→自動(dòng)在線清洗裝置。

3 江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)流程

3.1 系統(tǒng)形式

江水源熱泵系統(tǒng)根據(jù)水源測環(huán)路可分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)[3,4]，開式系統(tǒng)直接從江河取水送入機(jī)組換熱器或中間換熱器換熱；閉式系統(tǒng)是將換熱盤管置于江河水底，通過盤管內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)與江河水體換熱。閉式系統(tǒng)需要將盤管沉入江河，可能影響航道通航；循環(huán)介質(zhì)的溫度一般要比地表水溫度低2～7 ℃[3]，在夏熱冬暖地區(qū)夏季水溫較高的情況下，換熱效率較低，所以，本項(xiàng)目不考慮選擇閉式系統(tǒng)。

開式系統(tǒng)又可分為直接式和間接式系統(tǒng)。直接式和間接式系統(tǒng)的區(qū)別是在熱泵機(jī)組前端是否安裝有中間換熱器，如圖3，圖4所示。

圖3 直接式系統(tǒng)示意圖

圖4 間接式系統(tǒng)示意圖

如采用間接式系統(tǒng)，不僅需要增加一級循環(huán)泵，增加輸送能耗；而且，由于本項(xiàng)目地處夏熱冬暖地區(qū)，夏季江水溫度偏高，設(shè)計(jì)溫度已達(dá)30 ℃，若采用間接式系統(tǒng)將會(huì)有1.5～2 ℃的溫差損失，機(jī)組進(jìn)水溫度將接近傳統(tǒng)冷卻塔出水溫度32 ℃，對系統(tǒng)能效提升十分不利。在相同條件下，直接式地表水系統(tǒng)的制冷制熱效率要高于間接式地表水系統(tǒng)，在條件允許的狀況下應(yīng)盡量采用直接式地表水系統(tǒng)[3]。筆者調(diào)查了廣西實(shí)際采用的江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)大量工程采用了江河水直接進(jìn)入冷水（熱泵）機(jī)組的方案?？紤]到提升系統(tǒng)能效需要，且冬季水溫偏高，不存在結(jié)凍的問題，本項(xiàng)目采用直接式系統(tǒng)。同時(shí)，選擇加厚換熱器銅管管壁的熱泵機(jī)組，在此基礎(chǔ)上通過設(shè)置旋流除砂器、自動(dòng)在線清洗裝置等常規(guī)物理水處理設(shè)施，以滿足工程實(shí)際需要。需要指出的是，采用間接式系統(tǒng)更有利于水質(zhì)處理，建議不同地區(qū)不同項(xiàng)目結(jié)合自身特點(diǎn)綜合比較后確定系統(tǒng)形式。

3.2 系統(tǒng)流程

本項(xiàng)目江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，設(shè)置水源熱泵機(jī)組3臺(tái)，每臺(tái)制冷量為1146 kW，制熱量為1216 kW。根據(jù)當(dāng)?shù)亟疁?、水質(zhì)的實(shí)際情況采用了開式直接系統(tǒng)。為了更好地說明系統(tǒng)流程，本文將系統(tǒng)簡化為一臺(tái)主機(jī)，如圖5所示。

夏季制冷開啟閥門V1、V3、V5、V7，關(guān)閉閥門V2、V4、V6、V8，江水進(jìn)入冷凝器，蒸發(fā)器產(chǎn)生冷水；冬季供暖開啟閥門V2、V4、V6、V8，關(guān)閉閥門V1、V3、V5、V7，江水進(jìn)入蒸發(fā)器，冷凝器產(chǎn)生熱水。

源側(cè)采用直接開式系統(tǒng)。江水從引水管自流進(jìn)入江邊取水井，通過潛污泵（源側(cè)一級水泵）輸送至博物館主機(jī)房附近的中間水池，經(jīng)源側(cè)二級水泵進(jìn)一步輸送至主機(jī)換熱，最后等流量流回邕江取水口下游。江水夏季制冷時(shí)供回水設(shè)計(jì)溫度30/25 ℃，冬季供暖時(shí)供回水設(shè)計(jì)溫度15/10 ℃。

設(shè)置中間水池的目的，一是可對江水沉淀和調(diào)節(jié)，二是可結(jié)合景觀用水的需要，實(shí)現(xiàn)取水設(shè)施兩種用途。但是，到項(xiàng)目竣工時(shí)止，景觀水景部分未能實(shí)施。這也給本項(xiàng)目的綜合效益產(chǎn)生了一定影響。

空調(diào)末端冷熱水系統(tǒng)采用一次泵閉式系統(tǒng)，屬于常規(guī)水系統(tǒng)流程，夏季制冷時(shí)供回水設(shè)計(jì)溫度7/12 ℃，冬季供暖時(shí)供回水設(shè)計(jì)溫度45/40 ℃，不再贅述。

圖5 系統(tǒng)流程示意圖

4 取水設(shè)施設(shè)計(jì)

江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)取水設(shè)施是系統(tǒng)的重要部分。南寧博物館的取水設(shè)施主要包括引水管、取水井、取水泵及相關(guān)管路。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段應(yīng)重視取水設(shè)施建設(shè)審批，并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定適合的取水方案。

4.1 審批流程

取水設(shè)施涉及航運(yùn)安全和水資源保護(hù)等問題，必須向當(dāng)?shù)厮?、航運(yùn)部門提出申請。各地關(guān)于江河水取水審批流程可能會(huì)有不同，就本項(xiàng)目所走流程而言，基本上包括：設(shè)計(jì)單位向項(xiàng)目業(yè)主提出初步方案→項(xiàng)目業(yè)主委托與水利相關(guān)單位出具《水資源論證報(bào)告》→業(yè)主向水利局提出《取水許可申請書》、《入河排污口設(shè)置申請書》等→市水利局批復(fù)。

4.2 取水方式

常見取水方式包括岸邊取水、中心取水、浮船取水、滲濾取水、干式泵房取水等[3,4]。盡管各種文獻(xiàn)采用了不同的名稱，但總的來說，可歸結(jié)為岸邊泵房、浮船取水、滲濾取水三種方式。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，岸邊泵房的方式除了需要考慮景觀的影響、洪水水位等因素外，基本都需要圍堰施工，工程量大；而滲濾取水在河道底部設(shè)置滲濾設(shè)施，在流動(dòng)的江河取水基本上是不可能完成的任務(wù)；浮船取水，對航運(yùn)和景觀的影響非常大，也很難實(shí)現(xiàn)。無論何種取水方式，取水構(gòu)筑物的建設(shè)都存在較大難度，也是取水設(shè)施的主要初投資所在。南寧博物館的取水與上述文獻(xiàn)介紹的取水方式有所區(qū)別，相關(guān)文獻(xiàn)未見介紹，筆者稱之為岸邊深井取水，如圖6所示。

圖6 岸邊深井取水設(shè)施示意圖

取水井離江邊約60 m，井面與江邊公園綠地平齊，無突出地面的泵房，兼顧了江邊公園景觀需要；采用潛污泵深井取水，設(shè)備管道方便固定，可經(jīng)受洪水沖擊；除河道邊有一根取水管外無其他設(shè)施，不影響航運(yùn)安全。在施工工藝方面，采取的以下措施有利于保證工程進(jìn)度和降低初投資：取水井采用沉井法施工，無需圍堰及護(hù)壁；取水管采用頂管法從井內(nèi)向外推進(jìn)，避免了大面積開挖。

5 江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)與評價(jià)

5.1 主要特點(diǎn)

本江水源熱泵系統(tǒng)主機(jī)夏季可制冷、冬季可制熱，無需配置影響建筑立面的冷卻塔；無需配置冬季供暖的燃?xì)馊加湾仩t或空氣源熱泵等制熱設(shè)備，對安全、環(huán)保、噪聲、建筑美觀影響少。

與常規(guī)的冷熱源系統(tǒng)相比，由于江水夏季冷卻溫度較低以及冬季換熱溫度較高，機(jī)組具有較高的能效，節(jié)能效果較好，在近江水源處有利于可再生能源建筑規(guī)?；瘧?yīng)用。

由于沒有采用傳統(tǒng)水源，夏季制冷時(shí)沒有冷卻塔漂水，節(jié)水效果顯而易見；冬季制熱時(shí)，沒有使用燃油燃?xì)庠O(shè)備或空氣源熱泵，對于人員密集的公眾場館來說，避免了安全隱患或噪聲干擾。

5.2 投資增量及運(yùn)行費(fèi)用

一般情況下，江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)初投資要高于常規(guī)的冷熱源系統(tǒng)。其投資增量與常規(guī)冷卻塔系統(tǒng)相比，取水設(shè)施的建設(shè)是增量的主要部分。但從本項(xiàng)目建筑造型美觀的角度考慮，如果采用常規(guī)的冷熱源系統(tǒng)，勢必還要在博物館周圍地塊另建冷卻塔平臺(tái)、燃油燃?xì)庠O(shè)備機(jī)房或空氣源熱泵平臺(tái)，綜合考慮這些因素后，經(jīng)估算，本項(xiàng)目投資增量及運(yùn)行費(fèi)見表2。

表2 投資增量及運(yùn)行費(fèi)用比較

投資增量71萬元，每年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)14萬元，按靜態(tài)投資回收期計(jì)算，回收年限為5.07年。

5.3 能效評價(jià)與社會(huì)效益

地源熱泵系統(tǒng)性能共分3級，1級最高，級別劃分見表3[7]。

表3 地源熱泵系統(tǒng)性能級別劃分

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)制冷能效比達(dá)到3.72，系統(tǒng)制熱性能系數(shù)達(dá)到3.42，根據(jù)上述評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，性能為2級。

項(xiàng)目建成后，多次接受社會(huì)觀摩，對南寧市乃至廣西可再生能源建筑規(guī)?；瘧?yīng)用的推廣起到了宣傳和示范作用，具有一定的社會(huì)效益。

6 幾點(diǎn)體會(huì)

江水源側(cè)進(jìn)出水設(shè)計(jì)溫度，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)厮恼練v年記錄的的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析確定，避免盲目性。

江水未經(jīng)處理直接進(jìn)入機(jī)組是不可取的。江水進(jìn)入機(jī)組前應(yīng)進(jìn)行必要的水處理，機(jī)組宜采用特殊的換熱裝置。

雖然采用間接式系統(tǒng)更有利于滿足機(jī)組水質(zhì)要求，但采用直接式系統(tǒng)更有利于機(jī)組換熱，對江水溫度較高的夏熱冬暖地區(qū)尤為重要，不同地區(qū)不同項(xiàng)目可結(jié)合自身特點(diǎn)綜合比較后確定系統(tǒng)形式。

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段應(yīng)重視取水設(shè)施建設(shè)審批，并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定適合的取水方案。

岸邊深井取水是本項(xiàng)目的特色，可很好地配合景觀建設(shè)、不影響航運(yùn)安全、設(shè)備管道可抗擊洪水沖擊。沉井法、頂管法等施工工藝避免了圍堰和大面積開挖。

江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是可再生能源建筑規(guī)?；瘧?yīng)用的形式之一，具有一定的社會(huì)效益。

[1] 戎向陽,高慶龍,閔曉丹.長江上游江水源熱泵系統(tǒng)取水設(shè)計(jì)溫度取值研究[J].暖通空調(diào),2011,41(3):108-111..

[2] GB 50366-2009,地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005:56.

[3] 徐偉.地源熱泵技術(shù)手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012:228-238.

[4] 陳曉.地表水源熱泵理論及應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011:68-74.

[5] 唐艷紅,童張法,唐艷葵,等.邕江南寧段水質(zhì)現(xiàn)狀及防治對策探討[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2006,17(2):33-36.

[6] 韋興荷.邕江南寧市區(qū)段水質(zhì)時(shí)空變化規(guī)律分析[J].水資源保護(hù),2005,21(6):49-52.

[7] GB/T 50801-2013,可再生能源建筑應(yīng)用工程評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012:35.

Design of River Water Source Heat Pump Air Conditioning System for Nanning Museum

Liang Zengyong

( Hualan Design & Consulting Group, Nanning, 530011 )

Presents the design features of river water source heat pump air conditioning system for Nanning Museum, including the determination of river water temperature, water disposal measures, system forms, system flow, water intaking devices, result evaluation, etc. Indicates that river water temperature should be determined after analyzing measured data, necessarily water disposal measures should be taken for river water which is added into heat pump sets, and special treatment is required for the heat exchangers of heat pump sets. The shoreside deep-well water intaking method which is taken in the design is distinctive in aspects of landscape construction, protecting shipping safety, stopping flood, construction methods, etc.

River water temperature; water quality; water dispose; open system; water intaking devices

1671-6612（2018）04-411-05

TU83

B

梁增勇（1964.02-），男，大學(xué)，教授級高級工程師，E-mail：liangzengyong@163.com

2017-10-17