中国水利博物馆地源热泵系统优化设计

中国水利博物馆地源热泵系统优化设计

唐彪锋，毛霞丽，潘松法
（埃美圣龙（宁波）机械有限公司）

【摘 要】地源热泵系统是一种环保节能的空调系统，可采用土壤源、地下水源、地表淡水源、污水源及海水源等多种冷热源形式，对于单体项目可以采取各种冷热源组合的方式。设计应用时需要结合建筑物周边条件因地制宜加以选用，并从技术、经济方面进行严格的分析论证，达到系统最优化设计的目的，以节省初投资和运行费用。
【关键词】地源热泵；地表水源；湖水盘管；土壤源；竖直埋管；初投资；运行费用

Optimized Design for the GSHP System of Chinese Water Conservancy Museum
Tang Biaofeng, Mao Xiali，Pan Songfa
(IMI Shenglong (Ningbo) Machinery Co., Ltd)

【Abstract】As a environment-friendly and energy saving air-conditioning system, GSHP system is employed as a multi-purpose systems that use the ground, groundwater, surface freshwater, sewage water and seawater as its heat source. Also these above items can be united for a single building. In design application, we should study the surrounding conditions of the building to decide which type of heat source/sink to use, analyze and calculate the technical and economical indexes to aim at the most optimized design, in order to save the investment and operating cost.
【Keywords】 GSHP; surface water source; pond loop; ground source, vertical loop; original investment; operating cost

一、工程概况

    中国水利博物馆位于杭州市萧山区，利用靠近钱塘江这一地理优势引钱塘江水修建了一座人工湖，形成三面环水之势。人工湖面积约30万平方，湖深4-6米，水量常年维持在120万立方以上。根据业主提供的湖水温度实测数据，湖底水温最低为3℃，最高为28℃。本工程建筑面积约32000平方米，空调冷负荷为3000KW，热负荷为1520KW。室内空调系统采用大型螺杆式水源热泵主机+末端风机盘管和组合式空调器，夏季开3台主机制冷，冬季开2台制热，还有1台为塔基内区提供冷量。受业主委托，作者对本工程空调室外换热系统进行了优化设计，并最终被业主采用，目前该项目已完工且运行节能效果良好。

二、设计参数及设计概述
2.1 、室外土壤、室外换热系统设计参数
 ——全年土壤平均温度，杭州地区约为19℃；
 ——室外换热器（竖直埋管+地表水闭式盘管）出水设计最高温度32℃
 ——室外换热器（竖直埋管+地表水闭式盘管）出水设计最低温度8℃
 ——夏季湖水水底最高温度28℃
 ——冬季湖水水底最低温度3℃
2.2、 热泵机组工况设计参数
夏季空调供、回水温度为7℃～12℃，地源水供水温度32℃/37℃；
冬季空调供、回水温度为45℃～40℃，地源水供水温度8℃/3℃；
2.3、 设计概述
    原设计方案的室外换热系统采用地表水闭式盘管，利用安装在湖底的1900个湖水盘管换热器作为三台大型螺杆式水源热泵主机的冷热源，单个盘管长度为100米，管径dn25，盘管总长190000米。
优化设计方案的室外换热系统采用地表水闭式盘管与竖直埋管并联的混合式系统：设计湖水盘管800个，单个盘管长度为100米，管径dn25，盘管总长80000米；设计竖直埋管总长度38398米，单U埋管深度40米，孔间距4m×4m，钻孔数500个。
通过计算分析，优化设计方案比原方案的初投资节省18万元，年运行费用节省12万元（节约率达26.5%）。机组运行工况更好更稳定。且系统不需要添加防冻剂，更安全。

三、系统优化设计

3.1、系统原理图
 
3.1.1、原方案系统原理图

3.1.2、优化方案系统原理图

3.2、系统运行原理
3.2.1、原方案系统运行原理
    原方案设计湖水水平抛管1900卷，每卷100米，循环水通过抛管在湖中换热，夏季将热量排入湖水（原始状态下最高温度28℃）中，冬季吸取湖水（原始状态下最低温度3℃）的热量，达到夏季制冷，冬季取暖的效果。
空调主机为三台大型螺杆机组（水－水机组），夏天制冷开三台，冬季取暖开两台，另一台为塔基内区制冷所用。因采暖季湖水温度较低，两台热泵机组不仅要面临效率衰减的问题，而且系统的安全运行也受到考验。
3.2.2、优化方案系统运行原理
    经过计算论证，设计采用混合式（湖水盘管+竖直地埋管）换热方案，其中湖水抛管800个，每个盘管100米长；竖直地埋孔500个，孔深40米。控制系统根据制冷季与采暖季的不同特点灵活选择换热方式，达到节能最大化。
    制冷季：以湖中盘管为主，竖直地埋管为辅。据湖水水温测试资料，湖水温度在制冷季可达到换热要求。根据详细计算设计湖中盘管800个，基本达到夏季所需制冷量的要求，但为了维持地下部分全年热量平衡，提高热泵机组工作效率，设计竖直地埋管分担部分冷量（约800kw）。
    采暖季：以竖直地埋管为主，湖中盘管为辅。1）湖水水温达到8℃以上时，可以竖直地埋管为主，竖直地埋管出水与湖中抛管出水相混合，保证机组源侧进水温度在8℃以上。2）湖水水温低于8℃时，关闭湖水盘管的集/分水器总管阀门，全部采用竖直地埋管换热，以保证热泵机组地源侧进水温度在8℃以上，不仅满足了系统制热量的要求，而且系统无需添加防冻液。
根据螺杆机的性能曲线图可得出，在进水温度8℃条件下一台螺杆机组的制热量即可达到1200kw，这样冬季只需开一台螺杆机就基本上达到建筑物取暖的要求，另一台相当于备用机。

四、技术稳定性分析
    采用地表水（湖水）为本工程冬季采暖取热时，大家都较关注湖水温降问题，认为在采暖期随着取热时间增加，湖水换热平衡打破，这样温度会越来越低。而经过科学分析我们认为湖水的热平衡不会被破坏，分析如下：
4.1、湖水换热原理
    地表水体（湖水）的整体温度变化过程是一个热平衡过程，除了热泵机组的运行而使湖水吸热（或散热），湖水本身也会向大气和土壤散热（或吸热）。其主要热交换方式有：太阳辐射、天空辐射、与空气的对流换热、蒸发、与大地的热传导，以及来自热泵机组的散热（或吸热）。
地表水体（湖水）温度随时间的变化可以用下述微分方程表示：

    对于夏季/冬季工况而言：1）太阳辐射和换热器（盘管）换热量为湖水与外界的的主要换热量，其中太阳辐射得热占有很大比重，可以达到950 w/耐，大约40％的太阳辐射在表面被吸收，其余热量的大约93％在人眼可见的深度内被吸收。在冬季晴暖的白天，湖水表现为蓄热状态，因此这部分热量对湖水温升影响较大；2）因为湖水和外界大气的温差相对较小，所以湖水的对流换热量非常小，通常只相当于太阳辐射得热的10％～20％，即对流换热只占一小部分，相对前两者可以不考虑；3）湖水的冷却主要通过表面蒸发和辐射散热（也存在对流散热）来完成，在晴朗的夏季夜晚，温度相对较高的水体表面将向温度较低的天空进行辐射传热，但对于改善湖水温升（温降）的作用却不大；4）而最后一项热传导是通过大地导热的热量，尽管它所占的比例并不大，但湖底土壤与湖水接触面积较大而且导热在不停进行中，因而这部分导热量对湖水温度稳定也起重要作用。
4.2、湖水蓄热量
    按人工湖最低蓄水容量(30万m2*4米)120万m3，温度升高或降低1℃的热量变化量为4.18kJ/(kg•℃)×1000kg/m3×1200000m3×1℃=5016×106KJ=5016×106KW•s。系统冷负荷3000KW，热负荷1520KW，也就是说，热泵连续排热464小时，才使水温升高1℃；或连续吸热916小时，才使水温降低1℃。可见，由热泵机组通过湖水盘管换热器向湖水散热（或吸热）相对太阳辐射热小得多，即湖水温度在3℃～28℃变化不是由这部分热量起主要作用，而是由其它换热量（如辐射热量、土壤导热）决定，因此蓄水湖有足够的容量确保本空调系统运行，而一般情况下水源温度不会低于冬季极限温度3℃。
4.3、极端低温运行弊端
    湖水的温度与流动的钱塘江的水温是有差异的，受天气的影响较大，极端情况下，湖水温度最低温度3℃，尽管采暖季水源热泵机组从湖水连续吸热不会引起湖水温度较大的波动，但是极低湖水水温对空调系统运行有如下三方面影响：
a、对热泵机组的影响
    冬季需要制热时，对于大型水-水热泵机组（螺杆），在进水温度<3℃（通过盘管隔离，水源水温度低于湖水温度）时机组运行效率和运行安全性将大幅度降低，机组寿命也将大大缩减，并且仅仅为了保证机组运行就需要以下条件：①充注防冻剂；②增加喷油或油冷却器。下图为水源螺杆机组性能曲线图：

     从上图可以看出当机组水源侧出水温度4℃时（负荷侧出水45℃），制热量衰减20％，功率增加5%，这时机组效率下降24%；而本工程冬天最冷时湖水温度仅有3℃，则水源热泵机组水源侧进水温度仅有2℃，出水温度可能在0-1℃，此工况下机组运行效率极低，同时机组运行状态点接近非安全区边缘，系统会出现以下主要问题：
1）、机组运行效率衰减大，一般可达到30％以上；
2）、机组磨损大，寿命短；
3）、同条件下热泵机组成本增加；
4）、由于防冻液的腐蚀性，机组及系统管路不可避免受到一定的腐蚀，而且因加入防冻液引起导热系数降低，这时机组运行效率又将下降5％以上。
在美国若要求热泵机组在低温制热运行时，系统需要具备以下两条件：
1）、热泵机组为小型水-水机组（涡旋压缩机）或水-空机组；
2）、增加辅助加热设备提高源侧进水温度。
b、对盘管的影响
    随着时间推移，湖底盘管上可能会滋生藻类等微生物，或部分盘管被泥沙掩埋，换热效果将大受影响，导致制热运行时机组进水温度将更低，3～5年后进水温度甚至可能降至2℃以下，这样整个系统运行效率更低，因此必要时需要清洗盘管。
c、对室外环路系统影响
    因盘管数量多，需占用很大的湖水面积，园区以后如需增设游乐项目必然会受到一定限制。水平管路也需相应增多，不仅初投资大，而且系统循环水泵功耗也大。
4.4、优化方案优点
    根据以上分析得知，水源热泵机组在夏季运行效率较高，湖水温度升高1～2℃对机组效率影响不大（约2%之内），但在采暖季运行，湖水温度降低1℃，热泵机组效率衰减较大，而且在接近机组非安全区域运行。因此尽量提高热泵机组水源侧进水温度也就缓解了地表水热泵冬季采暖的瓶颈问题。本优化方案的室外换热系统采用混合式地源换热方式（地表水盘管系统+垂直式地埋管系统），优点如下：
1）、机组运行安全系数提高，远离冬季运行的不安全区域，无需添置其他辅助设备。
2）、机组运行效率可以大幅提高，进一步实现节能目标。
3）、无需添加防冻液，系统效率不会因此衰减，而且管道系统腐蚀的风险降低，系统维护费用低。

五、经济性分析
5.1、初投资比较
经过比较，原方案投资预算为221万元，优化方案投资预算为203万元，节省了18万元。
5.2、运行费用比较
经过测算，原方案年运行费用为455624元，优化方案年运行费用为334728元，优化方案运行费用比原方案节省26.5%。

本文为《地源热泵》杂志专稿内容，转载请注明“中国地源热泵网”。