地源热泵系统在福州海峡国际会展中心的应用

2011-07-09哈建海

山西建筑 2011年22期

关键词：闽江会展中心源热泵

哈建海

1 概述

实施可持续发展能源战略已成为新时期我国能源发展的基本方针。可再生能源在建筑中的应用是建筑节能工作的重要组成部分。地源热泵系统作为可再生能源应用的主要途径之一，在技术上和经济上都具有较大优势，近年来在国内得到了日益广泛的应用。

我国颁布了GB 50366-2005地源热泵系统工程技术规范，于2006年1月1日起实施。开发利用绿色环保的能源，不仅是全球也是国内未来能源战略的发展方向。

福州海峡国际会展中心位于福州市仓山区闽江南岸，占地面积67万m2，建筑面积38万m2，由会议中心连接两个展馆组成，是国内目前最大的展馆之一。采用了多项节能环保技术中最具代表性的设计是:其会议中心在冬季采暖上采用了地源热泵系统工程技术。

2 地源热泵系统

2.1 概念

地源热泵系统是一种利用地下浅层地热资源的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。它以岩土体、地下水或地表水为地温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源(如电能)，实现低温位热能向高温位转移。

2.2 工作原理

热量总是从高温流向低温，但人们可以创造机器，如采用热泵技术可以把热量从低温抽吸到高温，所以地源热泵实质上是一种热量提升装置，它本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，提高温位进行利用，这就是地源热泵节能的原理。

图1 地源热泵供暖/制冷工作示意图

如图1所示，地源热泵装置主要由四个部分组成——压缩机、冷凝器、调节阀、蒸发器。供暖时，工作介质在蒸发器中蒸发，吸收地下水中的热量，使地下水温度降低，降温后泵入地下与地层热交换，升温后抽出循环。工作介质蒸发后变成气体，由压缩机压缩，再经过冷凝器还原成液体，经与空调水热交换后，冷凝放出热量，使空调水升温，供建筑物内采暖。

工作介质变成液体，由调节阀调整流量后进入蒸发器，再吸热蒸发，如此循环，进行能量交换。制冷时，工作过程正好相反，只是将冷凝器连接到地下水管线上，工作介质放热给地下水;将蒸发器连接到空调水上，由工作介质吸收空调水的热量，不断循环，达到制冷的效果。

2.3 性能特点

1)利用可再生能源:从常温土壤或地下水(地表水)中吸热或向其排热，利用的是可再生的清洁能源，可持续使用。

2)高效节能、运行费用低:属经济有效的节能技术，地源热泵的冷、热源温度一年四季相对稳定，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。

3)节水省地:以土壤(水)为冷、热源，向其放出或吸收热量，不消耗水资源，不会对其造成污染;省去了锅炉房及附属煤场、储油房、冷却塔等设施，节省建筑空间。

4)环境效益显著:该装置的运行没有燃烧，排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场所，不会产生城市热岛效应，对环境非常友好，是理想的绿色环保技术。

5)运行安全稳定、可靠性高:地源热泵系统在不产生一氧化碳、二氧化碳、丙烷等废气，不会有爆炸的危险，使用安全。地源温度非常恒定，维修量极少。

3 地源热泵技术在福州海峡国际会展中心的应用

3.1 初步方案选择

福州海峡国际会展中心(以下简称会展中心)滨临闽江，所在地原为闽江中的多块沙洲，经大量吹填砂，人工建造而成，后将此人造的地块称为会展岛。因此，会展岛下砂层有着非常丰富的地下水资源，且与闽江互通。

会展中心项目主体工程由北京市建筑设计研究院设计，充分利用该地丰富的地下水及地热能资源，同时考虑到会议中心的重要性，将供暖系统应用到了会议中心。并以地下水地源热泵系统作为会议中心唯一的采暖系统，并入整个会议中心的中央空调系统。

对于地下水换热系统，首先要有持续水源的保证，同时还要具备可靠的回灌能力。地下水系统是目前地源热泵系统应用最广的一种形式。对于较大系统，地下水系统的投资远低于埋地管系统。由会展岛的水文地质条件来看，非常适合采用地下水地源热泵系统。

3.2 深化设计与施工

3.2.1 水文地质勘察

会展中心地源热泵系统工程勘察由福州市勘察院承担，于2008年12月出具勘察报告，勘察报告包括以下内容:

1)地下水类型;

2)含水层岩性、分布、埋深及厚度;

3)含水层的富水性和渗透性;

4)地下水径流方向、速度和水力坡度;

5)地下水温度及其分布;

6)地下水水质;

7)地下水水位动态变化。

该勘察报告为会展中心地源热泵系统深化提供了主要的设计依据。

3.2.2 地源热泵系统的选择

会展中心地源热泵系统由福建省建研勘察设计院进行深化设计，该设计与北京市建筑设计研究院的界限是板式换热器。两台地源热泵的机组型号为CH3-B1/C1-2，制冷量为2 100 kW，冷却水量为226 m3/h，由北京市建筑设计研究院设计。

本设计采用开式循环系统，这种系统直接利用地下水的恒温特性，采用“抽水—回灌”的循环过程来提取热量。由于开式循环系统可以减少钻井工程量，因此在地下水丰富地区常使用。开式循环系统应重点注意的是:

1)完善地下水回灌技术，保护地下水资源;

2)提供可靠的地下水资源水文地质资料，确保空调设计人员所需资料准确;

3)利用供水井钻井和成井新技术，降低钻井成本，提升钻井效率，提高水井质量和寿命。在热源井的设计上，根据福州市勘察院提供的水文地质资料，第一含水层地水质接近闽江水水质，抽水井动水位变化规律与闽江水潮汐规律一致，井水实际上大部分来自闽江水，因此，抽、回灌井的比例为1∶2。但由于该项目毗邻闽江，潮汐、洪水对回灌排水方式都有较大的影响，由此，回灌总管设旁通管，接至雨水井，在回灌排水方式排水有困难时，启用旁通管。

3.2.3 地下水流量控制

抽水泵功耗过高是目前地下水系统运行存在的普遍问题。根据负荷需求调节地下水流量，具有很大节能潜力。常用抽水泵控制方法有:设置双限温度的双位控制、变速控制和多井调节控制。会展中心地源热泵系统采用的是多井调节控制的方法，在会议中心北侧设置12组抽、回两用井和6组回灌井，配备了12台吸水泵。通过控制开启吸水泵台数来控制循环水总流量，从而达到节能的效果。

3.2.4 设备选择

除北京市建筑设计研究院设计的地源热泵机组和板式换热器外，设计上采用的设备还有:

1)潜水泵:175QJ40-36/3，H=34 m，P=7.5 kW，Q=37.5 m3/h;

2)旋流除砂器:CSQ-B1/C-1，需处理水量225 m3/h;

3)射频自动(排污)过滤器:WD-125SPG-A;

4)F型综合水处理器:WD-125A，OZH-F-MC;

5)BTS自动清洗装置。

3.3 地源热泵系统的实际使用

2011年1月5日和1月6日，中国人民政治协商会议第十一届福州市委员会第五次会议和福州市十三届人大六次会议分别在福州海峡国际会展中心举行。两会期间(1月5日～1月9日)正是福州冬季最冷的时间，因此，将地源热泵供暖系统投入了使用。经过5 d的供暖运行，室外气温均在5℃～12℃，会议中心内的大会堂、多功能厅等大空间室温约20℃，安装风机盘管的小型会议室、休息室等小空间室温约在25℃，舒适宜人，达到了设计上的要求，保障了会议的正常进行，受到了省、市领导和两会代表的一致好评。这说明了地源热泵技术在海峡会展中心的应用是成功的。