武汉香榭里花园：水源热泵空调系统设计

    武汉香榭里花园位于武汉市汉口香港路中段，是武汉市地税局开发建设的职工自用住宅小区，整个小区占地17亩，东西方向长约140m，南北方向长约100m，临街有幢70年代兴建的8层住宅楼，长度约60m。小区由三幢13层的小高层住宅围合而成，总建筑面积为40856m2,其中1号楼1单元1~7层为办公用房，办公用房建筑面积2856m2。小区建筑高度40M，共有住户188户。

    1．设计参数

    空调室外设计参数按《采暖通风与空气调节设计规范》（GBJ19-87，2001版）武汉地区气象参数选取，室内设计计算参数按表1选取。根据室内外设计参数，计算出的室内空调冷负荷如下：1号楼（综合楼）空调冷负荷1164.6Kw，热负荷931.7Kw；2号住宅楼空调冷负荷1058.4Kw，热负荷846.8Kw；3号住宅楼空调冷负荷1464Kw，热负荷1171.2Kw。空调总冷负荷3687Kw，热负荷2950Kw。

    2．空调冷热源

    该场地位于长江一级堆积阶地中部，地势平坦，地面标高20.5m，根据场地岩土工程勘察报告和武汉地质工程勘察院2001年4月编制的“试验井水文地质报告”可知，场地内赋存丰富的地下承压水，开发利用条件极好，具备使用水源热泵的条件。

    2.1场地水文地质条件和主要含水层水文地质参数

    场地地层为第四系全新系统冲积层，为一元结构，自上而下分布为：杂填土，深度0~1.6m；淤泥质粘土，深度1.6~14.0m；淤泥质粉砂，深度14.0~17.0m；粉细砂，深度17.0~35.0m；属弱透水层，厚度18m；细砂，深度35.0~40.0m,主要含水层，层厚5m；含砾中粗砂，深度40.0~43.0m，砾径一般为0.5~1.0cm，主要含水层，层厚3m；砂砾石，深度43.0~46.0m，以砾石为主，砾径一般为1.0~5.0cm，最大达12cm，磨园度好，主要含水层，层厚3m；含砾粘土岩，深度46.0~47.0m，砾石大小混杂，以石英岩、石英砂岩为主，次为火遂石、硅质岩，为隔水层。因此，场地含水层总厚度为29m，其中主要含水层厚度为11m，分布在中下部。

    2001年4月测得地下静止水位标高为17.8m（从井口标高21.0m算起埋深3.2m），含水层顶板标高3.5m，因此，地下水的类型为承压水，承压水头高度为14.3m。抽水试验系单井抽水试验，当用QJ-5/24型深井潜水泵抽出水量1200m3/d时，5分钟后地下水位基本稳定于标高14.7m处，水位下降值3.1m，水位稳定时间24小时。经过计算，水文地质参数为：渗透系数K值为14.55m/d，影响半径尺值为118.33m。

    地下水为无色、无味、无肉眼可见物，实测水温为18.5℃，经水质分析，地下水水化学类型属重碳酸钙型水，PH值为7.2，总矿化度980.75mg/l，总硬度535.12mg/l，属中等矿化极硬水。总铁（Fe）含量为16mg/l，其中Fe2+含量为15.8mg/l，Mn含量为0.44mg./l，CL-含量为84.72mg/l。不经过专门处理，不适宜饮用和生活洗涤用。
 

    2.2抽水井和回灌井设计

    抽水井、回灌井的布置及设计必须根据场地环境条件进行，在保证水源热泵空调系统地下水长期稳定使用的前提下，又不致造成地下水利用期间地质灾害的出现。经过计算机和水源冷热水空调机组的选型，地下水开采量必须达到满足高峰空调负荷的3000m3/d。根据此用水量和试验井抽水试验数据，抽水井设计为三口，每口井水量1000m3/d,三口井三角形布设，间距80~120m，回灌井五口，每口井回灌水量600m3/d，总回灌水量3000m3/d，五口井呈梅花形布置，井间距最小大于40m。当三口抽水井与五口回灌井同时工作时，即抽取的地下水经水源热泵机组利用后全部回灌入五口回灌井时，经电子计算机专用程序计算后，并绘制出抽水井和回灌井同时工作状态下水位等值线图显示，场地东侧基本没有变化（变化小于0.5m），场地南侧地下水水位有不到1.0m的沉降，大部分场地的地面沉降均小于0.5cm，只有场地南侧地面沉降有1.0cm。大部分场地（包括原有8层住宅楼）不均匀沉降小于0.2‰，不会产生不良地质现象或影响建筑物的正常使用。地下水的开采与回灌设计由武汉地质工程勘察院进行，并由湖北省深基坑工程咨询审查专家委员会进行了咨询审查，设计方案得到了确认和通过。

    抽水井的井结构为：井孔深度47.0m，孔径500mm，井管直径273mm，井管为壁厚8.0mm的无缝钢管，管与管采用对口焊接，井管下置深度47.0m，自上而下0~23.0m为实管，23.0~46.0m为过滤管，46.0~47.0m为沉淀管。井管与井孔均必须圆直，井管下入井孔时，井管必须有找中器，管底必须用钢板焊死，井孔与井管间从下而上回填标准砾砂（粒径2~3mm）至深度18.0m处，再用干粘土球填至地面。采用包网填砾过滤器，过滤管在深度23.0m处与实管连接，过滤管表面由梅花形孔眼排列而成，过滤管表面必须均匀地焊纵向垫筋17根，垫筋外面用3层60目尼龙网扎牢（取水时要求地下水含砂量小于二十万分之一）抽水井施工完毕后必须洗井直至水清砂净，方可用水泵进行抽水，每口井均必须经过抽水试验和试运行，方可正式投入使用。

    回灌井的井结构为：井孔深度47.0m，孔径500mm，井管直径273mm，井管为壁厚8.0mm的无缝钢管，管与管间采用对口焊接，井管下置深度47.0m。井管从孔口算起0~34.0m为实管，34.0~6.0m为回灌过滤管，46.0~47.0为沉淀管，沉淀管底部用钢板焊死。井管与井孔间从下而上，回填标准砾砂（粒径2~5mm）到深度21.0m处，两用干粘土球填至深度10.0m处，最后用水下浇注法将水灰比为0.45的纯水泥浆浇注至孔口。采用缠丝包网填砾过滤管，过滤管在深度34.0m处与实管连接。过滤管的孔眼排列，孔径数量和孔隙率与抽水井的过滤管相同。过滤管表面焊接纵向垫筋的直径、材料、数量也与抽水井的过滤管相同，回灌井施工完毕后必须立即洗井，直至水清砂净，接着进行回灌水试验和试运行，并提出相应资料，方可投入使用。

    为保证随时掌握地下水的使用和变化情况，还应该设置专门的水位观测井或利用抽水井与回灌井进行水位观测。抽水井与回灌井的科学设计和合理分布直接影响到水源热泵空调系统的长期稳定运行，必须找有资质的专业水文地质部门进行设计，凿井施工也必须严格按《供水管井设计施工及验收规范》（GJJ10-86）执行，以确保成井的质量。   
 

    2.3水源冷热水机组选用

    地下水在夏季和冬季的实际需要量，与空调系统选择的水源冷热水机组性能、地下水温度、建筑物内循环温度和冷热负荷以及热交换器的型式、水泵能耗等有密切关系。电脑软件选型分析及实际工程使用结果表明地下水使用温差较大时，水源冷热水机组的能效比较高，地下水的使用量较小，其配套井水泵的功率也较小。因此，在实际选用水源热泵系统时，应尽可能加大地下水的使用温差，减少地下水用量，这对提高水源热泵系统的能效比和减少地下水量的开采，保护水资源都是极为重要的，如此合理高效地利用地下水资源才能产生最好的节能环保效益。经过多方技术论证，设计中最后选用意大利克莱门特公司生产的BE/SRHH/D2702型水—水螺杆冷热水机组3台，因地下水氯离子含量偏高（84.72mg/l），为防止水源冷热水机组被腐蚀和泥沙堵塞，地下水抽取后先进入板式换热器，设计中选用的板式换热器为阿法拉伐公司的M15-EFG8型板式换热器。板式换热器采用小温差（对数温差2K）设计，制冷时地下水进/出口温度为18/32℃，进入机组温度为20/34℃；制热时，地下水进/出口温度为18/10℃，进入机组温度为16/8℃，每台机组地下水冬夏季的使用量均为80m3/h。采用板式热交换器间接换热，水源冷热水机组的能效比约降低5%左右，但能保护机组稳定正常运行，提高机组的使用寿命。

    3．空调系统形式

    水源热泵空调系统水环路的设计与常规冷水机组水系统的设计略有差异，必须根据各生产厂家的技术要求进行考虑。用户侧及地下水侧空调循环水泵与水源冷热水机组均采用先并后串的方式，循环水泵既可与冷热水机组实现“一对一”供水，又可互相调节互为备用。对于水源冷热水机组来说其实现夏冬季节制冷供暖的转换，是通过水路系统阀门的转换来进行的，夏季用户侧通过蒸发器回路供应冷冻水，冬季用户侧则通过冷凝器回路供应供暖热水。因此夏冬季节水环路转换阀最好采用调节灵活、性能可靠的电动阀，采用普通蝶阀时也一定要采用关断灵活、密闭性好的阀门。地下水井抽水泵可采用深井潜水泵，潜水泵下放深度应在动水位之下5m处，安装要平稳，泵体要居中。一般依据井管内径、流量和扬程要求，根据生产厂家提供的样本选配合适的水泵，再根据所需电功率选择电机及配套电缆。潜水泵的扬程应包括井内动水位至机房地面高度，管道及板式换热器阻力，水泵管道阻力及回灌余压。地下水回灌管道设计应根据各回灌井的距离进行阻力平衡计算，以保证各灌井流量的均衡。

    空调室外水环路和室内立管均采用机械密闭同程式系统，每个户型由上至下均设有空调供回水管井，下供上回，户内空调水管路为异程式。每户供水管上设有分户计量装置，回水管上设有流量平衡阀。户内空调末端设备均为卧式暗装风机盘管，根据装修布置情况顶送顶回或侧送底回。风机盘管及户内连接水管的布置均根据户型设置情况尽量利用走道、进门过道，卫生间、厨房等对房间使用功能影响较小的位置，做到隐蔽、美观并与室内装修融为一体。空调室内供回水管保温采用难燃橡塑管套，室外空调供回水水管采用聚氨脂现场发泡保温直埋管，并作五层防水防腐保护层和玻璃钢护壳，穿越马路的直埋管增设钢套管，并保证埋设深度在1m以上。

    4．空调自控及减振

    克莱门特水源冷热水机组采用CVM300电脑微处理器，功能齐全，可自动调温，调节流量、故障报警、记录及自诊断功能，可进行联网监控，实现无人值守。多机控制系统除具备单机自动化配置及功能外，还具备显示多机组运行情况，根据回水温度电脑自动判断空调系统是部分机组运行还是全部机组运行。机组根据负荷侧回水温度进行逻辑计算，控制机组的运行状态及启停机，每台机组采用无级能量调节实现机组的高效节能运行。机组还具备控制多台压缩机的均衡运行功能，能控制调整每台压缩机的运行时间，确保压缩机的长期高效运行。

    水源冷热水机组压缩机的下面设置弹簧减振器，减振效率在85%以上，即振动传递率小于0.15，降低了机组的振动及系统的振动，从而降低了机组的运行噪声。空调水泵、机组进出口均采用橡胶接头软性连接，冷水机房内的空调水管均采用减振支吊架，避免因机组、水泵及管径系统的振动而产生的噪声。

    5．设计总结

    香榭里花园水源热泵空调系统于2002年11月竣工投入使用，经过系统调试和一个完整的空调制冷供暖季运行检验，空调使用效果良好，达到了预期的设计目的。对今年6、7月份中央空调用电的运行记录进行分析，可以看到6月份日均用电量为4970Kw，按小区建筑面积40856m2计算，每平方米建筑面积空调耗电0.122Kw/d，电费支出0.064元/d；7月份因连续高温日均用电量略有上升，达到6342Kw，每平方米建筑面积空调耗电0.155Kw/d，电费支出0.082元/d。以户均面积200m2计，一户日均空调电费支出为12.8元，月支出为384元，相当于一台2匹空调的费用支出，可以看出其运行费用是很低的，既低于常规冷水机组中央空调系统，更低于户式中央空调系统。进一步的分析可以看到，水源热泵中央空调系统运行费用之所以如此低廉，除水源热泵空调系统较常规冷水机组中央空调系统能源利用效率高，中央空调系统在大面积居住小区中使用较户式中央空调具有更大的负荷调节性和节能性，居住小区面积越大其用户空调的同时使用率就越低，其负荷的参差性就越大，中央空调系统满负荷运行的时间就越短，其优越性和节能性就越显著。按以上6、7月份的运行数据折算，6月份的中央空调系统每天满负荷运行时间为5.24小时，7月份的每天满负荷运行时间也仅为6.68小时，远低于户式中央空调系统和分体式空调器的满负荷运行时间。

    香榭里花园中央空调系统设计时，风机盘管采用了电动二通阀的变流量系统，热泵机组主机供回水总管上设压差旁通控制。因住宅小区空调同时使用率较低，其节能效果应是非常显著的，遗憾的是其主在后期因为控制整个投资成本，而砍掉了电动二通阀的节能控制系统，否则此中央空调系统节能效果应更优于现在的实际运行情况。另外，从实际运行情况来看，空调水泵的能耗占到系统总能耗的32%以上，因为住宅的同时使用率较低，空调负荷的变动性较大，通过空调水泵的联控和变频改造以适应空调负荷的变化，降低空调水泵的运行费用，其节能效果也将是较为可观的。

    由此可见，在住宅小区中采用水源热泵中央空调系统在有可长期利用的地下水源的条件下是确实值得大力推广的，其节能环保效益是显而易见的，在解决了投融资及物业管理的问题后，其给住户带来的舒适的中央空调系统和合理的运行费用及给开发商带来的良好经济效益和超卓的楼盘形象，都将会是不言而喻的。

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