平潭综合实验区科技文化中心海水源热泵系统的应用介绍

林　臻

(平潭综合实验区土地开发集团有限公司　福建平潭　350400 )



平潭综合实验区科技文化中心海水源热泵系统的应用介绍

林臻

(平潭综合实验区土地开发集团有限公司福建平潭350400 )

文章以当前中国的能源及环境状况为背景，介绍了节能及环保意义非常重大的水源热泵系统的工作原理及优点，并结合平潭综合实验区科技文化中心项目的情况，论证了海水源热泵系统应用的可行性、节能性。

水源热泵；工作原理及特点；必要性；节能性

1　背景

目前我国GDP占全球总量的1/30，消耗能源总量高于全球1/10，如图1和图2所示。从我国的能源消费结构看，煤炭、原油、天然气等传统能源的消费量占能源消费总量的92%以上。新能源的利用率远低于发达国家的水平[1]。

2002年全国建筑能耗已占全国能源消耗总量的27.8%左右，而在建筑能耗中，空调用电又占到了30%～40%左右，每年夏天都由于空调用电量的大量增加造成供电紧张，供需矛盾十分突出[2]。

由于能源使用效率低下，加剧了我国生态环境的污染。因此，如何在发展经济的同时，减少能源消耗，减少环境污染已经成为能否转变经济增长方式的重要问题。在这样的大环境下，低能耗、低污染、高效率的可再生能源的开发利用已经刻不容缓，可再生能源在空调技术上面的应用是一条很值得探索的道路[3，4]。

根据国家及福建省有关绿色建筑行动方案的文件[5,6]，国家积极鼓励推进可再生能源建筑规模化应用，积极推动太阳能、浅层地能、生物质能等可再生能源在建筑中的应用。

海洋是一个巨大的能源库。由于海水的热容量比较大，为3 996kJ/(m3·℃)，太阳辐射能以热能的形式储存在海水中。东海海域冬季海水温度一般在+10℃以上，冰点温度通常在-2℃左右，采用热泵技术，冬季把海水的低位热能转换为高热位能用作供热。夏季，海水温度一般在20℃～30℃左右，是非常好的冷却用水。海水源热泵系统是可再生能源利用达到实用的技术之一。

2　水源热泵技术的基本原理

地球表面浅层水源中吸收的太阳能和地热能形成低温低位热能资源，水源热泵技术是通过热泵原理，以消耗少量的高位电能，将低位热能向高位热能转移的一种技术[7]。

浅层水源的温度一般比较稳定。夏季地表水源作为热泵机组的冷却用水，将建筑物中的热量转移到水源中，冬季热泵机组从水源中提取能量，根据热泵原理，通常水源热泵消耗1kW的能量可以得到4kW以上的热量或冷量。

水源热泵机组工作的原理如图3所示：

从对水源的利用方式区分，水源热泵有闭式系统和开式系统2种。闭式系统的水源侧为闭式循环换热管，换热管可水平或垂直埋于地下或地表水中，通过与土壤或地表水热交换实现能量转移。土壤中埋管的系统又称土壤源热泵，埋于地表水中的系统又称水源热泵。开式系统是指将地下水或地表水直接用于热泵机组换热的系统。

3　水源热泵系统的优点

水源热泵技术是利用地表水作为空调冷热源，与常规冷水机组及风冷热泵机组相比，具有以下优点：

(1)具有高效节能性

地表水温度冬季一般为10℃以上，水温比环境空气温度高，机组蒸发器的蒸发温度提高使得能效比提高。而夏季水温一般在为28℃以下，水温比环境空气温度低，冷凝器的冷凝温度降低使得机组效率提高[8]。水源热泵系统可节约30%～40%的空调运行费用。

(2)是可再生能源利用的一项技术

水源热泵系统将地球地表水体所储藏的太阳能资源，通过热泵原理进行能量转换，提供空调系统的冷热源。可以利用的水体包括地下水或江、河、湖泊、海洋等地表水。水体不仅是一个巨大的太阳能储存库，同时建筑物的空调负荷夏季转移至水体，冬季从水体获得能源，水体又是一个巨大的动态能量平衡系统，水源热泵系统是可再生能源利用的一种技术。

(3)机组运行稳定可靠性好

由于水体的全年温度相对稳定，波动的范围远小于空气温度的变动，热泵机组运行更稳定可靠，避免了空气源热泵冬季除霜问题，冬季供暖运行可靠性高。

(4)环境效益提高

空调系统消耗的能源以电力为主，我国的电厂发电目前仍以火电为主，产生大量的污染物和二氧化碳温室气体，对环境造成严重影响，水源热泵系统与空气源热泵相比，能耗减少30%以上，与电供暖相比，能耗减少70%以上，节能就是减少环境污染。水源热泵系统运行是建筑物的室内负荷与天然水体之间的能量转换过程，对环境无任何污染。

(5)多用性

水源热泵机组既可作为空调系统的冷热源，又可供生活热水，机组还可以另外配套热回器。夏季制冷运行时可部分或全部回收热量获得免费的生活热水，同时减少排出的热量，进一步提高系统效率。一套系统可以代替常规的冷水机组及锅炉，减少了设备的初投资及机房的面积。

4　平潭综合实验区科技文化中心项目概况

平潭综合实验区科技文化中心项目是一栋综合各种公共事业性场馆的建筑，项目位于福建省平潭综合试验区，地块总用地面积为55 486.71m2，总建筑面积114 438.24m2，其中地下建筑面积47 870.24m2，设有科技馆、博物馆、青少年宫多媒体综合使用厅、地下车库、设备用房等；地上建筑面积66 568m2，设有妇女儿童活动中心、青少年宫、青少年校外体育活动中心、青少年校外活动中心、青少年心理辅导中心、文化馆、美术馆、图书馆、科技馆、博物馆、青少年宫多媒体综合使用厅门厅等。建设用地紧靠竹屿湖，离湖边直线距离约20m，湖面占地约55.1hm2，平均水深约为4.7m。竹屿湖为围海而成的人工湖，湖面西侧建有水闸与外海连通，每月定期开闸2～3次，使湖水与海水流通更换，当地风大，湖水具备一定的流动性，散热良好。

5　采用水源热泵系统的必要性、可行性

平潭综合实验区科技文化中心项目的规划建设，正处在我国“十三五”规划的经济发展阶段。在“十三五”的规划中己将节约资源、绿色发展、合理的利用资源作为一项基本国策。所以“平潭综合实验区科技文化中心”项目的建设不仅要体现经济实力及技术水平，而且有必要在城区规划、能源规划与服务水平上有新的突破和创新，充分体现平潭试验区对国家“十三五”规划纲要中提出的“建设资源节约型，绿色发展，综合利用”要求的实施。

平潭综合实验区科技文化中心项目是当地一项大型综合性的标志性公共建筑，建筑物以白鹭为造型，屋面为绿化及人行休闲步道，室外广场与竹屿湖边木栈道结合形成景观公园，常规集中空调系统的冷却塔或风冷热泵机组无处安装。地上建筑均为人员密集的场所，从消防安全考虑空调系统热源不能采用锅炉。基地紧靠竹屿湖，水量充足，冬季水温在14℃以上，利用竹屿湖作为水源，采用水源热泵系统作为空调系统的冷热源具有得天独厚的条件，水源热泵系统作为一项可再生能源利用的措施，既减少了对周边环境的污染，又极大地提高了空调系统的运行效率，降低了运行成本，在本工程中的应用具有必要性和可行性。

6　冷热源配置

本工程以竹屿湖湖水作为水源，采用水冷冷水机组及水源热泵机组作为建筑集中空调系统的冷热源。项目夏季设计冷负荷为11 500kW,冬季设计热负荷为4 900kW。冷热源主机采用2台制冷量为3 164kW的三级压缩离心式水冷单冷组机、1台制冷量为3 164kW制热量为3 150kW的三级压缩离心式水源热泵组机、2台制冷量为1 073.1kW制热量为1 118.4kW的螺杆式水源热泵组机。夏季5台机组最大制冷量11 638.2kW，冬季3台水源热泵组机的最大制热量为5 386.8kW。

7　循环水系统设计

根据当地水利部门提供的数据，竹屿湖面积为55.1hm2，年平均气温为19.4℃，多年平均降雨量为1 192.6mm，多年平均高潮位为3.26m，多年平均低潮位为-3.03m。竹屿湖通过已建成的水闸与外海连通，通过水闸调节湖水水位并定时换水，湖岸最低地坪标高为1m，湖面常年控制水位高度为0.5m，最高控制水位标高为0.8m。水闸设计高潮位为：5年一遇：4.23m；10年一遇：4.5m；20年一遇：4.7m；50年一遇：4.97m；100年一遇：5.15m。水闸设计低潮位为：5年一遇：-3.89m；10年一遇：-3.96m；20年一遇：-4.03m；50年一遇：-4.13m；100年一遇：-4.19m。水闸挡潮闸规格为7m×10m，设计流量为961m3/s,闸顶高程为6.70m,闸底板高程为-3.50m。

由于水闸起到调节水位高度的作用，竹屿湖水位常年稳定控制在0.5m高程，平均水深为4.7m，取水头处水深5m，取水口在水面下4.5m处，距机房约50m。在取水口处设有取水室，取水室由若干块表面钻有小孔的钢板焊接而成，以避免吸入大的颗粒物或杂物，湖水循环泵和水处理装置均设在冷热源机房。根据夏季最大冷负荷，湖水循环水设计流量为2 770m3/h，取、排水管采用管径为D630×12mm的PE管，管道最大流速为2.6m/s。为了保证湖水泵吸水侧能够始终充满水，不出现负压，在吸水管上安装有旋启式止回阀。一旦水泵停止运行，止回阀便自动关闭。

根据竹屿湖水面面积及平均水深，湖水总蓄水量为259万m3，本工程根据计算空调负荷，夏季运行3个月总释放热量为580万kW，冬季运行3个月总吸收热量为247万kW。期间即使水闸不换水，夏季湖水水温温升小于1.9℃，冬季湖水水温温降小于0.8℃。根据当地水利部门提供的情况，水闸每月会根据潮汐情况定期换水2～3次，且湖水表面本身自然蒸发散热，因此采用水源热泵系统，对湖水水温的影响微乎其微，不会对水资源造成生态影响。

平潭年平均气温为19.8℃，夏季室外日平均气温为30.8℃，冬季空调室外计算温度为4.4℃，冬季通风室外计算温度为10.9℃，根据当地水利部门的水温资料，5年中最低水温为13.9℃，最高水温为30.1℃，历年平均不保证50H(2d)的最低水温为14.4℃ ，历年平均不保证50H(2d)的最高水温为29.5℃。水源侧夏季设计水温取29.5℃，冬季设计水温取14.4℃。由于竹屿湖水与外海连通，海水具有腐蚀性，为保证主机设备长期可靠运行，采用板换机组进行换热后供主机，板换一、二次侧的温差按2℃设计，进入主机设备的水温夏季按31.5℃，冬季按12.4℃。冷凝器及蒸发器的设计温差按6℃，夏季冷凝器侧的进出水温度为31.5℃/37.5℃，冬季蒸发器侧的进出水温度为12.4℃/6.4℃。大部分时间夏季实际水温低于设计工况，冬季实际水温高于设计工况，系统根据测得的进水温度，通过自控系统自动调节，夏季降低冷凝器的冷凝温度，冬季提高蒸发温度，变频调节循环水泵流量，采取加大温差减少流量的方式提高运行效率。根据机组电脑控制器的设定，当蒸发器出口温度降低到4℃时，机组会报警并自动停机，因为这时蒸发器表面的温度极有可能降至0℃以下，蒸发器表面可能出现结冰。当冬季机组进水温度接近10℃时(湖水温度接近12℃)，如果还维持6℃的温差，蒸发器出口温度会接近4℃。这时需要加大循环泵流量，减小温差，最小温差定为3℃，即机组进水温度需大于7℃(湖水温度需大于9℃)。根据历年水温资料，当地冬季最低水温均高于9℃，所以采用水源热泵系统可以保证机组在冬季的可靠运行。

在用户侧，夏季供回水温度为6.5℃/12.5℃，冬季供回水温度为46℃/40℃，根据室内空调负荷的变化，水系统采取一次泵变流量运行，空调末端风机盘管由房间温度控制回水管上的电动平衡二通控制阀，并设有房间手动三档风机调速开关。新风机组及组合式空调箱根据新风焓值及出风温度控制回水管上的比例式电动调节阀。

根据水质报告，竹屿湖水质如表1。

表1　竹屿湖水质情况

本工程通过设置板换二次换热，进入主机的循环水为闭式循环，板换设备之前的湖水进行净化处理。如果采用投药的化学处理方法会污染湖水，投药费用也很高。本工程使用物理方法处理湖水。湖水首先进入旋流除砂器，除去水中的颗粒物，然后通过综合水处理器，利用其中的高频高压电场及复合过滤体系进行杀菌灭藻和净化过滤处理。

8　系统运行的节能措施

由于本项目各种场馆数量多、运行时间不同、客流量变化大，为适应空调负荷的变化，冷热源主机采用三大二小多台机组配置，并根据运行工况调整机组开启台数，使机组在部分负荷下高效运行。系统的冷却水泵、冷热水泵采取变频运行，水源侧循环水系统根据湖水温度的变化，在湖水温度满足要求的情况下实现大温差运行，减少水泵耗电量。用户侧空调末端设备配置电动调节阀，根据室内负荷变化自动调节，冷热水泵根据系统压力变频调节以减少水泵耗电量。冷热源主机自配控制系统，根据负荷变化，部分负荷运行时无极调速，并配合运行台数控制实现节能运行。空调水系统根据不同使用功能的场馆区域合理分区，各分区回路设置能量计量系统。冷热源主机房、空调末端设备、各场馆能量计量系统均通过自动控制系统集中管理，通过自动控制实现节能运行。

9　结语

平潭综合实验区科技文化中心项目，作为当地一个具有极大影响力的标志性建筑，同时也应成为一个绿色节能的示范性项目。充分利用现有的自然条件，在空调系统中采用水源热泵系统实现可再生能源利用，将会产生显著的经济效益、环境效益和社会效益，有利于提高我国的建筑能源效率和建筑节能水平，有利于建设资源节约型、环境友好型社会，推广应用前景非常广阔。

[1]中国环境与发展国际合作委员会能源战略与技术工作组.能源与可持续发展[M].中国环境科学出版社,2003，8.

[2]龙惟定.我国电力紧缺对空调业的挑战[J].暖通空调，2004, 34(5)39-40.

[3]龙惟定.试论中国的能源结构与空调冷热源的选择取向[J].暖通空调，2000, 30(5) 27-32.

[4]范存养.面向地球环境时代的空调技术[J].制冷与空调，2002, 1(1)23-32.

[5]国务院办公厅关于转发发展改革委住房城乡建设部绿色建筑行动方案的通知[Z].国办发〔2013〕1号.

[6]福建省绿色建筑行动实施方案[Z].闽政办〔2013〕129 号.

[7]姚杨,马最良.浅议热泵定义[J].暖通空调，2002,32(3)1.

[8]T.T.Chow.Applying district-cooling technology in Hong Kong[J].Applied Energy.2004，11(79) 275-289.

Application of seawater source heat pump system of Science and Technology Cultural Center in Pingtan comprehensive experimentation Zone

LINZhen

(Pingtan comprehensive experimentation area land development group Co., Ltd.,Pingtan 350400)

In the background of the current China energy and environment, the advantages and working principle of the water source heat pump system for energy-saving and environmental protection of great significance are introduced.The necessity and the feasibility and energy-saving of seawater source heat pump system used in the project are introduced, combined with the Pingtan comprehensive experimental zone in the science and technological cultural center project.

Seawater source heat pump; Working principle and characteristics; Necessity; Energy-saving

林臻(1970.05-)，男，工程师。

E-mail:76515186@qq.com

2016-05-11

TU83

A

1004-6135(2016)07-0094-04