浅层地能技术在广播剧场空调节能改造中的应用

唐灵通

摘要：文章阐述了浅层地能热泵系统概念，介绍了水源热泵工艺技术，分析了所在地区水文地质条件、水资源利用的可行性及对地下水资源的相关影响，重点阐述了水源热泵系统在广播剧场空调节能改造中的应用及实施并对节能效果进行了比较。实际运行数据显示：该系统运行平稳，节能效果显著。

关键词：水源热泵；水资源分析；空调改造；节能效果；地能技术；广播剧场 文献标识码：A

中图分类号：TU852 文章编号：1009-2374（2016）18-0084-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.042

节约资源和保护环境是我国的基本国策，为缓解能源供应紧张状况、保护生态环境，为实现“十一五”期间单位GDP能耗降低20%左右，主要污染物的排放总量减少10%的节能减排目标，保障国家能源安全，促进经济社会可持续发展，广播剧场传统的燃煤采暖方式和普通的电力供冷形式已经不能满足节约资源的基本国策，替代能源——地源热泵系统的大量应用，为此提供了节能的更好途径。

1 浅层地能热泵系统概述

1.1 浅层地能简介

浅层地能是指在太阳能和地心热的综合作用下，在大地表层（一般400m以内）的土壤、砂石和地下水中所蕴含的低温热能。其特点是温度适中、相对恒定、储存量大、分布广泛，是取之不尽、用之不竭的“绿色能源”，是目前世界用于建筑物供暖最普遍的可再生能源。

1.2 水源热泵技术介绍

1.2.1 热泵工艺。水源热泵技术是利用地球表面浅层水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低位热能资源，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。

1.2.2 热泵用水工艺。

（1）在制冷模式时，高压高温的制冷剂气体从压缩机出来后进入冷凝器，向抽取的地下水中排放热量而冷却成高压液体，并使水温升高。到热膨胀阀进行节流膨胀成低压液体后进入蒸发器蒸发成低压蒸汽，同时吸收水的热量，该水又通过管道系统回灌到地下。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高压气体，如此循环住复。此时，制冷环境需要的冷冻水在蒸发器中获得；（2）在供热模式时，高压高温制冷剂气体从压缩机压出后进入冷凝器同时排放热量而冷却成高压液体，到热膨胀阀进行节流膨胀成低压液体进入蒸发器蒸发成低压蒸汽，蒸发过程中吸收水中的热量将水冷却。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高压气体，如此循环不已。此时，供热环境需要的热水在冷凝器中获得。

2 水资源利用可行性分析

2.1 用水合理性分析

根据广播剧场热泵夏季高峰需水量为35.4m3/h，冬季高峰需水量为18.9m3/h。热泵一般运行时需水量按照高峰需水量85%计算，则夏季一般用水量为30.1m3/h，冬季一般用水量为16.1m3/h。

该系统在用水过程中只是利用地下水中的低温热能，地下水除温度变化外，抽取上来的地下水与外界没有发生物质交换，整个用水过程也不改变地下水水量的变化，用过的地下水通过回灌井又全部回灌地下，热泵运行时既不消耗水也不增加水，同时又不会产生污染，地下水除温度变化外没有其他任何变化。所以项目用水不会影响当地水资源变化，从而达到了保护地下水资源的目的，所以热泵用水是合理的。

2.2 地层含水量分析

根据北京市水务局对复兴门地区地层构造、水文地质条件、第四系含水层的分布规律及其富水性研究报告，该地区工作区第四系地下水水质硬度、总矿化度较高，按地下水质量标准分类为Ⅳ类水，根据工程需要，在东门先期开凿了一眼勘探井，井深76m，井径800mm，管径500mm，下入花管47.2m，花管上部位置埋深13.1m。通过抽水试验得知：静水位23.45m，稳定动水位32.86m，水位降深9.41m，涌水量50.68m3/h（1216.32m3/d），水温14℃，基本恒温。由于热泵用水对水质没有特殊的要求，水温需要较稳定，故该地区地下水水质、水温均可以满足项目热泵系统用水需求。

综上所述，本区的水文地质条件可以满足广播剧场水源热泵系统建设项目的供水水源要求。

2.3 取水、用水、退水影响分析

该水源系统项目采用“抽灌分离”技术，只利用地下水恒温的冷热量来实现制冷、制热的目标，不消耗水资源，不污染水环境。其取水和回灌方案能够保证将取出的地下水经能量交换后全部回灌地下，从而达到不消耗、不浪费地下水资源，因此，该水源热泵系统取用水时不会对区域水资源及周边其他用水单位产生影响。

3 水源热泵系统在剧场空调节能改造中的应用

广播剧场工程总建筑面积约为7900m2，共三层，为剧场和办公两部分，其中剧场部分建筑面积大约为1200m2。原剧场部分原有两台40万大卡冷水机组夏季制冷，冬季热源由二次水提供；办公部分冬季热源由二次水提供，末端为散热器系统。由于办公楼拆迁，剧场原冷热源已经切断，需重新为剧场选择冷热源。

3.1 冷热负荷计算

本工程采用冷热负荷指标估算法计算冷热负荷：

3.1.1 采暖热负荷。

Qr=F·q1/1000

式中：

F——供暖面积（m2）

q1——供暖热指标（W/m2）

本工程取建筑热负荷指标为90W/m2，则建筑采暖热负荷为711kW。

3.1.2 冷负荷。根据工程实际情况，原有两台464kW冷水机组，制冷量共计为928kW。

3.2 能量采集系统

广播剧场热泵提取7℃温差时，高峰需水量为35.4m3/h。所以广播剧场开凿2眼热泵用水井，采用1抽1灌的方案即可满足剧场供暖和制冷需求。水井布设依据水务局规定和要求，井间距离大于50m，井与建筑物的距离大于30m。1号用水井位于广播剧场东侧约31m，距离南业务楼约为33m，广播剧场为二层建筑，高度在15m左右，南业务楼10层，高度约30m；2号井位于广电总局东门外家属楼之间绿地内，距离家属楼分别为32m和48m，该家属楼为15层建筑，建筑高度约45m。2号井距离西二环地铁线120m左右，而热泵用水井地下水位影响距离一般不超过60m，水温影响经数值模拟模型进行预测后影响范围在30～35m以内，所以热泵用水井对西二环地铁线不会产生影响，同时1号井和2号井间距为56m。

3.3 能量提升系统

依照建筑特點及冷热负荷计算结果，按总冷负荷和总热负荷确定主机数量。系统冬季向末端提供55/50℃热水，夏季向末端提供7/12℃冷冻水。系统选用一台YSSR-600A地能热泵主机满足建筑物的冬季供暖、夏季制冷需求。

3.4 能量释放系统

3.5 系统水处理及系统定压补水

采用自动加药装置，设稳压补水装置，设压力传感器测得系统压力并与设定值比较低点启动补水泵、高点停泵，同时将压力信号送至定压罐上的电动阀及安全阀使其在不同的设定压力下开启，保证系统安全稳定运行。

3.6 系统节能控制

主机为微电脑全自动控制，具备自动调节功能，根据设定参数进行能级调节，在满足冷热负荷的同时最大限度节能；主机与相关循环水泵连锁，主机开启则相应井水泵、末端泵开启，如主机关闭则关闭相应井水泵、末端泵；本系统由主机自带PLC进行群组控制，各主机按累计运行时间优先启停；主机设RS485通讯接口，与外界远程通讯传输数据。

4 广播剧场采用水源热泵节能效益分析

4.1 广播剧场冬季供暖运行经济分析

5 水源热泵系统运行数据分析及总结

广播剧场水源热泵系统运行数据表明，系统开机后剧场内温度由17℃上升到24℃，井水温度经过开机后降低2℃后，平稳在13℃左右，井水回水温度在8℃左右，室内温度达到设定数值，机组停机，井水进口、出口温度接近，工作状态温差5℃左右，表明机组运行正常。

通过以上分析及运行实际表明，地源热泵系统具有节能、运行费用低、系统安全可靠、使用区域零污染、保护地下水、节约水资源、改善能源结构等特点，是目前其他传统方式不可比拟的，是最为理想的供热制冷方式。

参考文献

[1] 北京市地质工程勘察院.广播剧场水源热泵项目水资源论证报告[R].

（责任编辑：王 波）