新安江畔某综合办公大楼水源热泵空调系统设计

虞　杰，吴可立

(浙江工业大学 工程设计集团有限公司，浙江 杭州 310014)

新安江畔某综合办公大楼水源热泵空调系统设计

虞杰，吴可立

(浙江工业大学 工程设计集团有限公司，浙江 杭州 310014)

摘要：水源热泵系统是一种充分利用天然水资源优势，由水源给实际工程提供冷热源的空调系统，结合工程当地充分的水资源优势，并考虑该工程特点，从水温、水质、水量和供水可靠性分析该综合办公大楼使用水源热泵空调技术条件的可行性，详细描述了该工程冷热源配置、风系统和水系统设计、空调设计的噪声控制减震措施等特点，介绍水源热泵机房控制系统设计、水源取水构筑物及取水池设计、水资源再利用的措施，通过实际运行，说明水源热泵系统是环保节能、使用时经济合理的空调系统之一，值得在条件许可的地方推广应用.

关键词：水源热泵；可行性分析；空调设计；取水构筑物；取水池

水源热泵是用地下水、江河、湖泊、海洋等水源作为空调系统冷热源，通过输入少量电能，给实际工程提供冷量和热量的制冷制热空调系统.上述各种水源的水体温度全年相对比较稳定，一般为10～30 ℃，其温度变化的范围远远小于空气的温度变化，作为水源热泵的冷热源其水温比较稳定的特点，使得水源热泵机组运行时更加稳定、安全和高效，并充分发挥了系统的经济性.系统运行时不仅不消耗水资源，不会造成水资源的二次污染，同时不需要配置传统空调系统中的锅炉和冷却塔等设备，是一种节能环保、再利用的可再生能源技术.水源热泵系统在供给空调系统冷热负荷的同时还供给生活热水，一套系统多种用途，在水资源丰富、条件许可的场所，不失为空调系统最佳的选择.

本工程拟采用水源热泵空调系统，工程位于新安江畔，功能为综合办公大楼，总建筑面积81 163 m2.其中地上由一幢27层的办公主楼和一幢五层的商业用房辅楼组成，地上建筑面积共约61 873 m2，地下二层，地下建筑面积19 290 m2.地上建筑要求设置集中空调系统，空调系统的总冷负荷为6 980 kW,热负荷为4 880 kW[1-3].

1水源热泵的可行性分析

水源热泵空调系统得到应用的前提条件是工程项目所在地应有合适的水源，对水源的要求是：水温、水质、水量、供水可靠性.本项目是否可行，可以从下面四个方面进行分析.

1.1水温

水源热泵机组正常运行时要求水源的水温为10～30 ℃，最佳温度为15～25 ℃之间；在制热工况下，一般要求水源水温为8～30 ℃，最佳温度为10～25 ℃之间.新安江10 m以下的水温常年恒温在13～17 ℃之间，非常适合水源热泵系统使用，该工况下水源热泵主机无论是夏季还是冬季均可达到最佳运行工况[1,4-5].

1.2水质

水源热泵机组对水质有一定要求，用于水源热泵的水含砂量应小于1/20万，浑浊度小于20 mL/L，水中固体颗粒直径应小于0.5 mm，水源的PH值应在6.5～8.5之间， CaO的质量浓度应小于200 mg/L，水源的矿化度应小于3 g/L[6-7].

新安江水是国家一类水质，可以作为饮用水水源，因此完全符合水源热泵机组对水质的要求.

1.3水量

本项目夏季总冷负荷为6 980 kW，当水源水温15 ℃时，机组满负荷运行时需要水源水量650 m3/h; 冬季热负荷为4 880 kW，水源水温13 ℃时，机组满负荷运行时需要水源水量 485 m3/h.本项目最大需要水源水量不超过650 m3/h.

据新安江水文资料，年流量为15.83 km3，新安江历史最低水位为0.5 m.最不利条件下新安江水电站所有发电机组都停机检修，这时的江水最小流量为9 m3/s(32 400 m3/h).按水源热泵常规运行测算，此时水量可供300 万m2以上建筑同时使用水源热泵中央空调系统.因此供水量是足够的.

1.4供水可靠性

本项目水源热泵空调机房设置在地下二层，离新安江距离只有150 m，且有现成的取水构筑物(原建化的生产用水泵房，目前废弃)，只要稍加整修就可重新投入使用，可以说取水是非常方便的，是非常可靠的.

综上所述，本项目离新安江近且有现成的取水构筑物，取水条件非常有利，本工程取水口位于新安江上游，距岸边约80 m，周围不存在污水排放口，水温适宜，水质非常好，完全符合水源热泵的使用条件，使用水源热泵是可行的.

2空调设计

2.1室内设计参数

各功能房间内的温度按DB 33/1036-2007《公共建筑节能设计标准》[4]中相关要求设置新风量按最小标准确定，另行确定各场所噪声指标值，按要求选择室内通风空调设备并采取相应的降噪措施(表1)[1-3].

表1　室内设计参数

2.2空调冷热源配置

建筑物总冷负荷为6 980 kW，热负荷为4 880 kW，单位建筑面积冷负荷指标为113 W/m2，热负荷指标为79 W/m2.

本工程冷热源主机选择时考虑到办公与商业用房运行时间及高峰负荷的差异，选用四台满液式螺杆型水源热泵主机，单台制冷量为1 745 kW，制热量为1 787 kW.水源热泵机组设置于地下二层冷冻机房,从新安江抽取的江水经过滤、除沙和灭藻等处理后再接入水源热泵机组.夏季四台机组同时运行给空调系统提供7～12 ℃冷冻水，冬季三台机组同时运行给空调系统提供45～40 ℃热水[1].

2.3空调风系统设计

办公室、小型会议室采用风机盘管加新风系统；大会议室、报告厅和大餐厅等大空间场所采用全空气系统，采用上送下回的气流组织形式.

会议室1空气处理采用单风机定量回风全空气系统，夏季和冬季空气处理过程见图1[1,8].

图1　会议室 1夏季冬季空气处理过程焓湿图Fig.1　Enthalpy and humidity chart of air handling process for the conference room 1 in summer and winter

为达到会议室1的设计参数，夏季供冷工况下的计算送风温差取10 ℃，会议室人员密度按0.3～0.6 人/m2，管道温升值取0.5 ℃，新风量按每人20 m3/h.会议室1的计算结果如表2所示.

会议室1温湿度控制：在回风管道和新风管道上设置温湿度传感器，对室内回风和新风温湿度控制，把所检测到的温湿度与控制器设定的控制点参数相比较，控制系统可以根据比较的结果输出相应的电压信号数据，以控制动态平衡电动调节阀的动作，使会议室1内的温湿度基本保持在设计范围内.会议室1的空调机组送回风系统控制如图2所示[1].

表2　会议室1焓湿图计算参数和结果

1—多叶调节阀；2—过滤器；3—冷/热盘管；4—马达启动器；5—温度传感器；6—动态平衡电动调节阀；7—压差指示表(视实际需要安装)；8—控制器图2　会议室 1空调机组送回风控制Fig.2　The supply and return air control of air conditioning unit for the conference room 1

2.4空调水系统设计

本工程空调水系统采用同程式两管制，空调冷热水系统为一级泵变频控制，用户侧分为主楼及裙房四个区块.空调循环水泵设置变频系统，按照供回水压差运行，以利于水泵的节能.各楼层水系统水平总管、新风机组和空调机组回水管处设置平衡阀控制，机房集水器各区块回水管处设置平衡阀，以保证主机水量变化时各系统、新风机组和空调机组水量的平衡，风机盘管设电动调节阀.

2.5空调系统消声减振设计

建筑物使用时噪声主要来自于室内和室外的噪声源，室外噪声源主要来之于交通噪声(包括汽车、轮船和飞机等)，室内噪声主要来之于人的活动、卫生设备的使用、空调通风系统和电梯等.噪音污染对人类的危害是比较大的，房间内噪音超过35 dB时，人的睡眠会有影响，而长期在70 dB以上的噪音环境中生活和工作，噪音会严重影响人的身体健康.空调通风系统是持续运行的，其噪声对建筑物使用的影响也是持续的，因此空调通风系统的噪声控制就显得尤为重要[9].

空调通风系统控制噪声的主要措施有：选择低噪声空调通风设备；送回风系统采取一级消声措施；设备机房内设备作隔振处理；设备机房墙面作吸声处理；吊顶回风管段内贴吸声材料；墙面回风时采用消声回风口.

空调通风系统主要采取以下减振措施：冷热源机房布置在地下二层，从空间角度将主机、水泵等设备产生的噪声振动进行了隔离；空调水管、风管与设备进出口采用柔性连接方式；冷热源机组与基础连接处设置隔振垫；水泵与基础之间采用减振基座；安装于吊顶内的风机采用减振吊钩.

3水源热泵机房控制系统

本工程水源热泵机房主机控制系统采用PLC(可编程序控制器)为核心的控制系统，系统能够对水源热泵机组的参数进行采集并显示，并根据设计要求自动控制水源热泵机组、水泵和风机等设备的运行，PLC控制系统可自动记录各种数据，管理人员可随意查阅.系统及设备发生故障时，自动判断并发出声光报警.水源热泵机房控制系统图如图3所示.

1—水源热泵机组；2—冷热水循环泵；3—真空排气定压机组；4—强磁水处理器；5—分水器；6—集水器；7—压差控制器；8—旋流除沙器图3　冷热机房群控系统原理图Fig.3　Schematic diagram of control system for refrigerating and heating room

运行模式：

夏季运行工况：V1，V3，V6，V8关闭；V2，V4，V5，V7开启.

冬季运行工况：V2，V4，V5，V7关闭；V1，V3，V6，V8开启.

3.1机组控制

水源热泵空调主机与循环水泵一一对应设计.随着建筑物空调冷热负荷的变化，控制水源热泵空调主机及循环水泵台数的启停，启停程序如下：

负荷变大时→启动运行机组→开启机组水源水及循环水入水管上电动两通阀→启动循环水泵→30 s延时→机组运行.

负荷减小时→关闭一台主机→30 s延时→关闭相应的水泵→关闭相应机组水源水和循环水入水管上电动两通阀.

自动报警：水源热泵机组进水管及水源水进水管均设置流量开关，流量开关与水源热泵机组联动，主机进水量低于最低供水量时，水源热泵机组自动停运.

3.2水源水泵控制

为减少水源水量和节能省电的目的，水源热泵机组水源水供水泵采取恒压供水，以利于节能，每台主机进水管设置电动开关阀及定(限)流量阀，水源水的控制由压力变送器完成，测得系统的实际运行压力，经PID计算，输送至潜水泵的变频控制器，保证水源水侧系统压力恒定，压力不足时运行另外一台水源水供水泵.

3.3混水系统控制

回灌水管上安装一电动调节阀，用以调节水源水量.当混水系统启动时，混水泵启动同时调节阀根据机组入口温度自动调节回灌水量，由于潜水泵采用变频恒压控制，能够根据压力自动调节水量，当回水量变化时自动调整供水频率，以调整供水量，从而以达到混水的目的.

4水源水

4.1水源水取水构筑物及取水池设计

本工程取水口位于新安江上游，距岸边约80 m，周围不存在污水排放口，原建化生产用水的泵房虽然已拆除，但江中的取水池还在，取水池的尺寸为4 900 mm×3 800 mm×5 000 mm(长×宽×深)，原泵房安装了三台(二用一备)流量为485 m3/h的清水泵，总流量为970 m3/h，现水源热泵主机的最大用水量为650 m3/h.原取水池的水由埋到江中心的二根直径为400的管道供应，经过检查，现在这二根DN 400的管道已基本堵塞，但取水池还是完整的，可以利用，具体改造设计方案如图4所示.

图4　取水池和取水口平剖面Fig.4　Pool and water intake flat section

1) 在江水低于现有取水池顶部时，将水池尽量抽干，将两根DN400管道完全密封，如水池壁有渗漏也同时一并修复，这样以后在取水池内需要清理时，池内的水就可以被抽完，以方便检修和清理.

2) 在取水池外新设计安装一个取水构筑物，采用预制双层钢结构架构，尺寸为5 000 mm×2 000 mm×2 500 mm(长×宽×深).取水构筑物四周采用内外双层格栅，安装粗细二层过滤网，以确保进入池内的水质达到水源热泵主机的使用要求.

3) 在取水构筑物和取水池之间安装二根DN400的虹吸管(一用一备)，虹吸管的吸水口设置在取水构筑物内，高度低于新安江历史最低水位0.5 m，以确保水源热泵主机的使用安全.

4) 在取水池中安装四台型号为300QJ(R)200-30/2深井潜水泵(流量200 m3/h，扬程30 m，功率25 kW)，通过集水器连接成为一个供水系统.集水器及所有控制阀门均安装在取水池的内池侧钢架上，然后在取水池顶部安装活动盖板封闭整个取水池.

4.2水源水再利用

当夏季空调系统满负荷使用时，水源水回灌江水总量为650 m3/h, 即使非高峰负荷时回灌江水总量也非常可观，因水质本身不错而水压也有20 kPa，如直排江中非常可惜.因此水源水经过主机后可作为中水再次利用，作为园林景观绿化用水，道路浇水，公厕用水等用途，多余的水通过回水管再回灌江中.

5结论

根据该工程实际运行情况来看，为了能达到水源热泵空调系统的正常运行，提供给水源热泵空调系统使用水源的水温是随着外界温度环境的变化而产生水温变化，实际运行过程中应根据外界温度环境的影响适当调节建筑物的冷量和热量，以满足正常冷热负荷的使用，才能使机组处于高效运行状态，从而保证整个系统运行的经济合理.本工程竣工完毕，经过夏季和冬季供冷供热二个季节的分别使用，目前该工程空调系统整体运行正常，实测各项运行数据及室内参数均符合设计要求，从实测的数据比较分析来看，该项目空调系统全年运行时不仅运行效率比常规电制冷空调系统要高20%～30%，而且全年运行还能比常规电制冷空调系统节省20%～30%的电量消耗，系统运行达到了既节能环保又经济合理的目的[13].

参考文献：

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(责任编辑：刘岩)

The design of water source heat pump air conditioning system for a comprehensive office building in Xin'anjiang River

YU Jie, WU Keli

(Engineering Design Group Co., Ltd., Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:The water source heat pump system is one of full use of natural water resources and provided with cold and heat sources by water resource in practical engineering. In view of the characteristics of the project, the feasibility of application of water source heat pump air conditioning technique in the comprehensive office building is analyzed from the water temperature, water quality, water quantity, and water supply reliability. The cold and heat sources configuration, the design of air and water systems, and the noise control measures of air conditioning design are described in detail. The design of the control system of the water pump room, the design of the water intake structure and water tank, and the measures for water reuse are introduced through practical operation, which demonstrates that the water source heat pump system has the advantages of environmental protection and energy saving and can be applied where the conditions are permitted.

Keywords:water source heat pump; feasibility analysis; air conditioning design; water intake structure; water intake tank

收稿日期：2015-12-03

作者简介：虞杰(1964—)，男，江苏无锡人，高级工程师，研究方向为暖通空调领域，E-mail：641945777@qq.com.

中图分类号：TB494

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2016)03-0321-05