上海地区江水源空调系统中江水换热方式的研究

2017-11-28刘静君上海国际航运服务中心开发有限公司上海200082

绿色建筑 2017年3期

刘静君（上海国际航运服务中心开发有限公司，上海 200082）

Study on Heat Exchange Method of River Source Pump Air Conditioner in Shanghai

刘静君（上海国际航运服务中心开发有限公司，上海 200082）

江水与空调机组之间的换热方式是江水源空调系统的设计应用与推广的关键环节之一。对直接式和间接式江水换热方式进行了深入研究，并依托上海国际航运服务中心能源中心项目对两种换热方式的经济性进行调研分析，为今后上海地区的江水源应用项目提供实践经验，也为国内同类型项目的水源换热环节设计提供参考依据。

江水源空调系统；直接式换热；间接式换热；经济性分析

1 概述

水源热泵(如地下水、地表的江、河、湖、海水)作为一种可再生能源利用技术已经在国内外得到广泛应用。上海地区因其丰富的黄浦江水资源，江水源热泵技术也已逐步推广。随着城市的发展，尤其是黄浦江两岸大型综合体建筑群的兴起，建筑或建筑群空调系统的规模也日益扩大。江水源作为空调系统的冷热源，它的应用形式也越来越广泛而不仅局限于水源热泵这种单一形式，水源离心式制冷机组、水源制冷制冰双工况离心机组等应用方式也逐步发展，并与蓄冷技术相结合，充分发挥江水源这一可再生能源的优势，积极响应了国家合理使用再生能源技术的号召，推动着绿色低碳城市的建设。

江水与空调机组之间的换热方式是江水源空调系统的设计应用与推广的关键环节之一。本文依托上海国际航运服务中心能源中心项目，对江水换热方式进行了深入研究，为江水源空调系统中江水换热方式的选择提供参考依据，同时也为今后上海地区的江水源应用项目提供实践经验。

2 常见的两种换热方式

对上海地区江水源热泵应用项目调研发现，目前主要有两种江水换热系统方式即直接式和间接式。所谓直接式(图 1) 就是江水直接作为冷却水进入空调机组进行换热的方式，应用案例有世博演艺中心、世博轴、世博浦西能源中心；间接式 (图 2) 为江水与空调机组冷却水通过板式热交换器进行换热而不直接进机组的方式，应用案例有上海十六铺、上海港国际客运中心、上海国际航运服务中心。

图 1 直接式江水换热系统示意图

图 2 间接式江水换热系统示意图

3 两种换热方式的对比分析

江水间接式和直接式两种换热方式各有利弊。本文从两种换热方式对机组运行性能的影响和经济性两方面进行深入分析，具体内容如表 1 所示。

表 1 间接式和直接式江水换热系统对比分析

4 两种换热方式的经济性分析

4.1 能源中心项目设计方案

上海国际航运服务中心项目分西、中、东 3 个地块，总建筑面积约为 52 万 m2，共建设有 20 栋商务办公楼，采用区域供冷供热的方式，基地内建设一座能源中心。根据空调冷负荷计算，项目所有建筑所需最大空调冷负荷为 42 478 kW，最大空调热负荷为 19 526 kW。项目考虑 100% 采用江水源作为整个空调系统的冷热源，夏季并与冰蓄冷相结合，最大负荷的 30% 由蓄冰系统提供，总蓄冰量为 132 905 kWh。根据市场调研，目前同时满足制冷、制冰及制热 3 工况的热泵机组的应用案例相对较少，考虑到本项目的规模较大、影响面较广，因此采用制冷制冰双工况机组和热泵机组完全独立的保守设计：中央制冷系统拟采用 4 台 6 329 kW 及 1 台 3164 kW 双工况制冷机及3 台 1 400 kW 可供冷的水源热泵机组作为基载制冷机组。中央制热系统拟采用 12 台 1 758 kW 专门用于供热的螺杆式的水源热泵机组。

由于间接式和直接式换热方式的利弊相当，在主机招投标时采用双方案(两个方案提供不同的江水进出水温)投标形式，同时对板交及小球清洗均进行了初步市场调研，为系统江水源换热方式的选择提供决策依据。

两种换热方式的系统配置如下：①间接式系统：主机选型时夏季冷凝器侧冷却水进水温度为 33 ℃，冬季蒸发器侧热源水进水温度为 3 ℃；为预防极端低温天气，热泵机组热源水侧采用乙二醇溶液，因此冬夏季的江水换热板交独立设计，冬夏季各配置 5 台板交；对应冬夏季板交分别设置冷却水循环泵组和热源水循环泵组；②直接式系统：主机选型时夏季冷凝器侧冷却水进水温度为 32 ℃，冬季蒸发器侧热源水进水温度为 4 ℃；以应用工程案例相对较多的小球清洗方式进行设计，每台主机设备分别配置一套小球清洗装置，共配置 20 套小球清洗装置。

4.2 两种江水换热方式的经济性比较分析

根据以上两个不同系统的设备配置，向各知名品牌供应商进行了询价调研。结合本项目办公楼宇均为 5A 级办公写字楼的市场定位，选用了品质较高的设备品牌：主机选用外资背景国产设备，板换、水泵和小球清洗选用进口设备；整个能源中心总的设备造价约为 14 000 万元。本项目的两种江水换热系统各环节的初投资如表 2 所示。

表 2 两种江水源换热方式初投资对比万元

根据表 2 可以得出：从主要设备的初投资来看，直接式换热系统要比间接式节约 978 万元，占能源中心设备总造价的 7% 左右。

4.3 本项目江水换热方式的选定

通过以上分析，可以看出直接式江水换热方式要比间接式造价低，但从系统的运行安全可靠性和拓展应用来看，间接式江水换热系统拥有独有的特点：

(1) 对于特殊地理位置设置辅助热源有困难的项目，要100% 利用江水源作为空调冷热源，间接式江水换热方式可在热泵机组热源水侧采用乙二醇溶液，有效防止了极端低温下机组结冻的风险，解决了极端低温下的供热问题，无需配置辅助加热系统，同时避免了设置常规的辅助加热系统而对环境造成的污染破坏。

(2) 间接式江水换热系统对江水的水质要求更低，直接式存在由江水水质恶化带来的对主机造成腐蚀等风险，而主机设备的造价在整个系统中占较高比重，一旦主机受到腐蚀，带来的经济损失相对较大；间接式系统中的板式换热器本身选材就是 316 不锈钢材质，可有效避免咸潮等恶劣水质条件对系统设备的腐蚀。

(3) 直接式系统中的小球清洗系统存在小球在主机中卡壳的风险。这时不仅影响机组使用，而且需要开机疏通、检修，工作量大且耗时。当然间接式系统中的板式热交换器也存在江水杂质或泥沙堵塞的风险，但是多台板交同时堵塞的概率相对较低，即使发生某台板交堵塞，也可以切断此台板交的阀门，并不影响其他板交的正常工作，也不影响主机的使用。板交的堵塞有一个渐变过程，通过对进出口压差的监测可以提前判断板交的堵塞状况，合理选择部分负荷时段对部分板交进行清洗工作，可确保高峰用能时刻的空调供应。

(4) 对于金融企业较集中的建筑群，间接式江水换热系统还可实现为末端楼宇内的数据中心提供 24 h 冷却水，提高数据中心精密空调的运行效率。

考虑到本项目是以租售为主的商务建筑群，必须为客户保证其全年的空调需求；同时本项目位于黄浦江畔，对景观的要求相对较高。综合上述因素，尽管间接式系统的造价较高，但差价的比例在本项目预算可承受范围内，因此本项目最终选用间接式江水换热系统。