无锡某超高层建筑地源水环热泵空调系统设计及分析

柏 文，郭友明

（深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司南京分公司，江苏南京210005）

无锡某超高层建筑地源水环热泵空调系统设计及分析

柏 文，郭友明

（深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司南京分公司，江苏南京210005）

简述了水环热泵空调系统的原理，介绍了无锡某超高层建筑地源水环热泵空调系统的设计要点，包括冷热源系统、末端及新风系统、水系统、控制要求及用能计量等，并对该系统的适用性进行了分析，可供类似建筑物空调系统设计时参考。

超高层；地源热泵；水环热泵

0 引言

能源和环境问题是当前我国面临的重大挑战，建筑能耗是我国能源消耗的主体之一，而空调系统的能耗在建筑能耗中占据很大比例。随着我国经济的快速发展，城镇化建设的提速，以及人民对室内环境舒适性要求的提高，空调能耗问题日益受到关注，因此，为建筑物配置节能、合理的空调系统尤为重要，在这种背景下，水环热泵空调系统作为一种节能型空调系统，近年来在我国逐渐得到广泛的应用。

1 水环热泵空调系统的原理及适用范围

所谓水环热泵空调系统是闭式水环路热泵空气调节系统的简称，它通过一个封闭的水环路将多台水-空气热泵机组并联，典型水环热泵空调系统由水-空气热泵机组、水环路及辅助冷热源三部分构成。其基本工作原理是在制冷时，热泵机组以环路中的循环水作为“热汇”，向循环水排放热量；制热时，热泵机组以环路中的循环水作为“热源”，从中吸取热量，辅助冷热源的作用则是维持水环路的水温在一定范围之内（一般为15~35℃），当热泵机组吸热量和排热量相差较大，循环水水温升高或降低到一定程度时，启用辅助冷热源。水环热泵空调系统具有节能环保、舒适灵活、可靠性高的特点[1]，在我国绝大部分地区均有较好的节能特性[2]和经济性优势[3]。尤其适合于有明显空调内外区，可回收内区余热、全年或特定时段需要同时供冷和供热以及有分户计费要求的建筑。

2 项目概况

无锡某超高层建筑，总建筑面积约67000m2，地下两层，地上三十九层，建筑高度148m，地下室为自行车库、汽车库、配套机电设备用房、后勤服务用房等，裙房及塔楼二十一层以下为五星级酒店，塔楼二十二层及以上为酒店式公寓（以下简称公寓），酒店部分采用冷水机组+锅炉的空调系统，公寓部分采用地埋管地源水环热泵空调系统，此文不涉及酒店部分，仅讨论公寓部分的水环热泵空调系统。

3 设计参数及空调负荷

公寓空调室外、内设计参数分别见表1和表2。经计算，公寓总冷负荷为1417kW，总热负荷为1338kW。

表1 空调室外计算参数

表2 空调室内计算参数

4 空调冷热源系统

公寓采用地源水环热泵空调系统，图1为其原理图。

工程所在地具备良好的地质条件，空调系统冷热源采用地埋管换热系统，以充分利用浅层地热能。地埋管换热器系统采用垂直双U地埋管换热器，垂直换热器长度为80m，共设置换热井495口，地源循环水出水工作温度7~30℃，地源循环水与水环热泵系统间接换热，设置一套板式水-水热交换机组，额定平均换热温差为1.5℃，机组成套配置换热器、地源水循环水泵（三台）、自动控制箱及反冲洗切换阀等。

辅助冷源采用两台闭式逆流式冷却塔，冷却塔额定进出水温度为37/32℃。冷却塔设置于塔楼屋顶。

辅助热源利用酒店所设常压燃气热水锅炉，在锅炉房分集水器接出处设置用能计量装置，在20层设备机房内设一套板式水-水热交换器与水环水进行热量交换，热交换器热源侧进出水温度为95/70℃，负荷侧进出水温度为6/11℃。辅助热源热交换器自带热源流量控制阀及自动控制箱。

水环循环水、地源循环水均采用低位定压膨胀罐定压，并各设一台全自动软水处理机组，采用自来水补水。水环循环水、地源循环水供水主管上均设电子水处理设备。

5 空调末端及新风系统

公寓末端采用水源热泵机组加新风系统。水源热泵机组采用分体型，每户设一台水源热泵主机，主机设于卫生间吊顶内，室内机设置在各空调房间，室内采用顶送风或侧送风，顶回风的气流组织方式。公寓每层设两台水源热泵新风机组处理新风，新风机组安装于核心筒新风机房内，在35层避难层设有两台热回收新风处理机组，利用卫生间排风对新风进行预处理。

6 空调水系统

地源循环水系统采用一次泵变流量系统，由地源水-水环水换热机组成套配置三台卧式离心泵，由自动控制系统根据监测地温、出水温度及水环系统释热、吸热量判定投入运行的地源换热井数量并控制分区供回水电动阀，并根据实际投入运行地源换热井数量调节水泵流量。

水环循环水系统采用一次泵变流量系统。选择三台卧式离心泵（二用一备）。循环水供回水主管之间设置电动调节旁通阀，由自动控制系统根据供回水压差联合调节水泵流量和电动调节旁通阀开度。末端水源热泵机组循环水支管设置电动二通阀。

7 控制要求及用能计量

水环循环水设计工况进出水温度制冷32/37℃、制热11/6℃，额定供回水温差为5.0℃，地埋管换热系统设计工况进出水温度为制冷35/30℃、制热7/12℃，辅助热源设计工况进出水温度6/11℃，冷却塔设计工况进出水温度37/32℃。供冷工况（水环循环出水温度高于进水温度时，相反为供热工况）：地源出水低于30℃独立运行地埋管换热系统，高于30℃运行辅助冷源；供热工况：地源出水高于12℃独立运行地埋管换热系统，低于12℃运行辅助热源。

公寓各水源热泵机组循环水支管设置分户计量装置。冷热量计量采用供回水温差、流量积分积算方式。辅助热源在锅炉房设用能计量。水泵、冷却塔等耗电设备设用电计量。

图1 水环热泵空调系统原理图

8 设计分析及结论

（1）该工程冷热源采用地埋管换热系统，因地制宜，将浅层地热能利用技术与水环热泵空调系统相结合，具有更大程度的节能、环保特点。这种系统应用前景广阔，节能潜力大，可拓宽水环热泵空调系统的应用范围，使内部余热小或无余热的建筑物也可以采用水环热泵空调系统实现节能[4]。

（2）该工程采用水环热泵空调系统，无需为公寓设置制冷机房，节省了设备用房面积，降低维护管理工作量。每户设一台主机，用户可根据需要自行控制室内温度和启停空调，调节灵活，控制方便。

（3）该工程公寓将出租、出售给不同的用户用以居住或办公，有分户计费的要求，水环热泵空调系统主机分户设置，分户计量，各用户需要分摊的仅仅是循环水泵、辅助冷热源等少量耗电量，能更好地提高计费准确度，避免纠纷，利于形成良好的节电意识。

（4）考虑到出租、出售率的不同、房间使用功能的变化、以及室外气候条件的变化等，空调负荷是不断变化的，因此地源循环水和水环循环水均采用一次泵变流量系统，水泵变频控制，节约运行能耗。

（5）水环热泵空调系统的水环循环水直接流经末端热泵机组的换热器，对水质要求比较高，因此该工程采用闭式冷却塔作为辅助冷源，其初投资较开式冷却塔较高，但是省却了二次换热机组，且提高了热交换效率。另外，该工程地处夏热冬冷地区，冷却塔的设置除应满足水环热泵空调系统本身运行所需之外，还需考虑在夏季消除多余热量，保证土壤热平衡的要求。

（6）水环热泵空调系统成功应用的关键之一是新风的处理，该工程中，水环循环水冬夏季供回水温差均为5℃，按夏季工况选型的水源新风机组难以满足冬季新风处理的要求，采用排风热回收机组对新风进行预处理，一方面节约新风处理能耗，另一方面保证冬季使用要求。

（7）水环热泵空调系统针对本工程有上述优点，有很好的适用性，在类似建筑中有广泛的应用前景，但是也有一些不足之处。比如每户卫生间内需设热泵主机，噪声较大，对设备安装时隔振降噪提出了更高的要求；由于小型水源热泵机组的能效比低于大型蒸汽压缩式水冷机组，因此增大了公寓部分总的配电容量；利用锅炉产生的热水作为辅助热源，虽符合该工程实际情况，但从能源利用角度讲并不合理，不符合按质用能的原则；另外，该工程公寓内外分区不明显，内区余热回收这一水环热泵空调系统最为显著的节能特性未能得到充分利用。

9 结语

水环热泵空调系统作为一种具有节能和环保意义的空调系统，在该工程中与地源热泵技术有机结合，在当今能源紧缺、环境污染日趋严重的形势下，这种系统在有条件的类似建筑物中将具有较大的节能潜力和良好的应用前景。

[1]马最良，姚杨，杨自强.水环热泵空调系统设计[M].北京：化学工业出版社，2005.

[2]卢琼华，徐菱虹，胡平放，等.水环热泵空调系统的适用性研究[J].流体机械，2008，36（3）：63~66.

[3]徐菱虹，卢琼华，胡平放，等.水环热泵空调系统的经济性研究[J].流体机械，2008，36（2）：69~73.

[4]姜益强，姚杨，马最良.水环热泵空调系统若干问题分析[J].流体机械，2001，29（11）：52~54.

Design and Analysis of the Ground Source Water Loop Heat Pump Air Conditioning System for a Super High-rise Building in Wuxi

BAI Wen，GUO You-ming
（Shenzhen Huasen Architectural&Engineering Designing Consultants Ltd Nanjing Branch，Nanjing 210005，China）

The Principle of water loop heat pump air conditioning system is introduced briefly in this article，the main design points are introduced，including heating and cooling source system，end and fresh air system，water system，control requirements and energy measurement，and then the applicability of this system is analyzed.It can be referenced for the air conditioning system design of similar projects.

heating and cooling source；ground source heat pump；water loop heat pump

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.06.021

TU831

B

2095-3429（2015）06-0078-03

2015-11-04

修回日期：2015-12-21

柏文（1963-），男，江苏南京人，本科，学士，高级工程师，研究方向：民用建筑暖通空调系统设计。