株洲市神农城湖水源热泵空调系统的应用技术提炼

，，，

(1.湖南工业大学包装与材料工程学院，湖南 株洲 412007；2.湖南工业大学科技学院，湖南 株洲 412008；3.湖南天易集团有限公司，湖南 株洲 412008)

0 引 言

湖南省株洲市的神农城项目以神农文化为主题，集文化、旅游、商业于一体，是长株潭城市群“两型”社会建设综合配套改革实验区之天易示范区的首个大规模城市开发项目。项目总投资超过100亿[1-2]。其中，神农湖是整个项目中最重要的景观工程，湖体水面面积约22万m2，湖水平均水深2.5 m左右，水体总容量约56万m3，并配备有设计循环水量为3 500 m3/h的水质净化工程。为应用湖水源热泵系统提供了便利条件。

为充分利用神农湖的水资源和闲置土地的地热资源，因地制宜，最大限度节约投资和降低运行费用。神农城核心区采用湖水源(地源)热泵集中供热、供冷复合式中央空调系统。在冬季，地下热交换器从湖水和土壤中取热，通过水、地源热泵制热机组，制取热水向建筑物供暖；在夏季，地下热交换器向湖水和土壤排热，通过水、地源热泵制冷机组，制取冷水向建筑物供冷。水(地)源热泵系统的能效比高，制冷、制热系数可达4.0～5.8，通过与土壤和湖水在冬夏季的能量转换，水、地源热泵系统实现了可再生能源的循环利用，是真正意义上的绿色、节能、环保的空调系统[3-5]。

1 神农城水源热泵空调系统应用简介

神农城水源热泵空调系统的供冷及供热范围包括：①神农太阳城(包括内、外圈建筑)；②神农部落街；③神农大剧院(包括神农塔)；④神农艺术中心。各建筑功能分区的空调负荷见表1。神农城分布式能源匹配系统分设有三个能源站，如图1所示，神农太阳城内外圈和大剧院能源站主要为大剧院、内外圈建筑提供冷/热源及生活热水，系统采用燃气三联供+离心式电制冷机组+螺杆式电制冷机组(极小负荷时使用)+燃气锅炉+地源热泵+水源热泵机组的供能形式。艺术中心能源站主要为艺术中心提供冷/热源，系统

采用地源热泵+湖水源冷水机组形式为艺术中心提供稳定的冷/热源。部落街能源站主要为神农部落街提供冷/热源，系统采用地源热泵+水冷冷水机组(湖水源或冷却塔)为神农部落街提供稳定的冷/热源。三个能源站即相对独立又紧密联系，充分的利用了神农太阳城的可再生资源，提高了系统的整体效率，同时完全满足神农太阳城的安全用能要求。本工程各能源站采用湖水的量见表2。

图1 神农城能源匹配系统分布示意图

表2 各能源站湖水用量

2 湖水作为水源热泵系统的冷热源时提供的能量计算

湖水源热泵系统的取水口设置在湖底的最深处，回水口设置在一般水深区或者亲水区域。水泵的取水口与回水口的位置相隔一定的距离。根据设计院提供的逐时负荷，热泵机组每天峰值负荷运行8 h左右。

2.1 神农城景观湖湖水温度预测

神农城景观湖湖水最深4 m，亲水区域水深小于0.7 m，平均深度约2.5 m。水面风力所产生的掺混作用会使垂直方向的水温趋向一致。采用零维模型可预测景观湖水的水温[6]。采用该模型计算的神农湖自然平均水温和水源热泵运行后的水温变化曲线如图2和图3所示，夏季自然平均水温在29 ℃左右，冬季自然平均水温在6.9 ℃左右。2002年我国颁布的《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》中规定了人为造成的地表水体水温变化允许范围为：周平均最大温升≤1 ℃；周平均最大温降≤2 ℃[7]。热泵系统尾水排放会引起局部水温变化，且温排水将影响水生生物的生长繁殖和加快水体富营养化进程，其影响大小主要取决于进出水的温差和排放量。从图2和图3可见，水源热泵运行前后的湖水温变化幅度基本符合国家标准。

图2 夏季景观湖平均水温变化图

图3 冬季景观湖平均水温变化图

2.2 冬季湖水源能量计算

根据零维模型计算，冬季湖水的自然平均水温在6.9 ℃左右。湖水的计算温度为：起始温度7 ℃；运行30 d后，湖水允许达到的极限温度为5 ℃；由于浅水区域受外界环境温度的影响非常大，因此只假设水深在2.5～4.0 m的湖水参加换热，有效的换热湖水体积约25万m3。水源热泵系统的蒸发器所需要的热量全部由湖水提供，水源热泵系统结合余热回收联合运行时的能效比COP的取值为3.8，由热平衡关系式，经计算得到湖水提供的制热量Q1为为3 298 KW。

2.3 夏季湖水源能量计算

根据零维模型计算，夏季湖水的自然平均水温在29 ℃左右。湖水的计算温度为：起始温度29 ℃；运行30 d后，湖水允许达到的极限温度为32 ℃；湖水的有效换热体积为25万m3。冷凝器产生的热量全部排入湖水，导致湖水温度升高。冷源来自景观人工湖水的水源热泵系统运行时的COP一般在4.2左右，本项目的COP取值为4.2，由热平衡关系式，经计算得到湖水提供的制冷量Q2为为6 870 KW。

3 神农城水源热泵系统的取水方式

水源热泵系统在制冷工况时，冷源温度越低热泵效率越高；制热工况时，热源温度越高热泵效率越高。制冷时，经过换热的水再次排放到水体中，如果取水口和排水口设置位置不当，排出的水还没有经过充分的自然冷却又从取水口进入系统，无疑降低了热泵的效率。制热工况亦然。

在本项目中，取、排水口的布置原则是深层取水、浅层排水；在湖水体中，取水口和排水口之间要求有一定的距离，以保证排水再次进入取水口之前温度能最大限度的恢复，具体的布置如图4所示。

图4 水源热泵系统取水示意图

4 神农城水源热泵系统能效分析

神农城再生能源建筑应用工程项目设计的指导思想为：① 保证本项目供热/冷功能，创造舒适的室内空调环境；② 充分利用现有场地，最大限度节约投资和降低运行费用；③ 因地制宜，充分利用湖水水源和闲置土地的余热条件；④ 结合周边用能情况，做好示范，为今后大面积推广使用打下基础。

神农城项目采用分布式冷、热、电三联供系统+水源热泵机组+地源热泵机组的联合式能源系统，以满足其建筑的基本冷/热源供应；采用水冷冷水机组+锅炉进行调峰，并结合系统能效技术进行动态优化运行。神农城整体建筑年需冷量及需热量分别是：年总需冷量约为67 585 013 kWh；年总需热量约为34 822 566 kWh。表3对神农城联合式可再生能源系统与传统的能源系统的耗能量进行了对比。

表3 神农城联合式可再生能源系统与传统能源系统的耗能量对比

分析表3可以得出以下结论：神农城多能源系统比传统单纯水冷冷水机组+锅炉的能源系统每年可节约能源量约为23 970 034 kWh，折合标准煤约为4 122.1 t。同时，有经验表明[6]，采用水(地)源热泵空调系统的运行费用远远低于采用传统能源系统的运行费用，具有显著的经济效益和环保效益。

5 水源热泵系统风险分析及解决措施

由于神农景观湖的平均深度仅2.5 m，夏季湖水的温度受空气温度影响较大，在极端高温条件下，水底水温可能会超过32 ℃，制冷机组运行效率非常低。在极端低温条件下，湖水温度可能会接近零度，这种超低温水进入系统换热后温度进一步降低，如果换热温差过大，就会出现冰冻堵塞或者胀裂管道的危险，从而影响整个系统的安全运行。当进水温度低于5 ℃时，需要启动辅助加热装置，解决进水温度过低的问题。

为提高系统供能的安全稳定性，本项目通过燃气冷热电联产技术和水(地)源热泵技术的集成使用来规避上述风险。一方面利用多联供系统的余热解决了极端条件下水源热泵系统效率低、供能效果差的问题；燃气多联供系统和水源热泵系统的组合使用可保证在制冷和制热工况下，系统均可以采用燃气和电力两种能源实现供能，大大提高了项目能源供应的安全性。此外，水/地源热泵系统可以充分利用多联供系统余热来提高水/地源热泵系统的运行效率。通过与三联供的联合运行可以保证采暖供回水的温度稳定在40～50 ℃的经济工况下运行，与多联供系统提供的高温水混合后进一步提升供水温度，完全满足末端负荷的要求。

6 结束语

利用神农湖的湖水作为神农城核心区水(地)源热泵集中供热、供冷复合式中央空调系统的冷、热源，既可克服传统空调系统在极端天气下不能正常工作的问题，同时又能节省能耗。在神农城采用湖水(地)源热泵集中供热、供冷复合式中央空调系统比传统单纯水冷冷水机组+锅炉的能源系统每年可节约能源量约为23 970 034 KWh，折合标准煤约为4 122.1 t；采用水(地)源热泵空调的运行费用远远低于传统空调系统的运行费用。水(地)源热泵技术的应用具有较好的经济效益、环境效益和社会效益，符合国家“十二五”发展规划及节能减排的要求，可作为国家水资源可持续发展和可再生能源综合利用的一个典型工程，值得大力推广。

[1] 柯于增.株洲神农城可再生能源系统的应用研究[D].长沙: 湖南大学, 2012: 22-26.

[2] 张 燕，佟 达，宋魁彦.生物质能的热化学转化技术[J].森林工程，2012,28(2):14-17.

[3] Yutaka Iino.Consideration on Systematic Analysis and Evaluation of Energy System Efficiency.in: SICE Annual Conference.Japan: Waseda University, 2011, 1390-1391.

[4] 陈 超.地表水源热泵在吉林市应用的实验研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2010: 17-20.

[5] 刘 莹.水源热泵改造工程成本控制方案研究[D].大连: 大连海事大学, 2013: 8-15.

[6] 王 勇, 赖道新, 范维.基于全寿命周期成本方法的地表水源热泵系统分析[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版), 2011, 43(1): 75-81.

[7] 李瑞杰.水源热泵机组在制取和供应生活热水方面的节能应用[J].发电与空调, 2012, 33(3): 78-82.