基于夏热冬冷地区水源热泵空调系统的一种快速判断方法
2020-08-23李星亮
【摘要】本文结合以长沙为代表的夏热冬冷地区气象条件特点，探讨民用建筑基于浅地表水源的开式水源热泵空调系统的关键选取因素，并提供了一种简单易用的判断方法，帮助项目相关方快速判断具体项目是否适合采用浅地表水源开式水源热泵系统。其中包含了水源热泵形式对比、地表水蓄热蓄冷量分析、水源热泵快速判断方法等内容，阐述了基于浅地表开式水源热泵的空调设计要点，在满足建筑热舒适性的前提下，实现节能环保。
【关键词】民用建筑;开式水源热泵;浅地表水源;判断方法;空调系统;形式对比
1、气象特点
长沙市属温暖湿润的亚热带季风气候，具有四季分明、温暖潮湿、雨量充沛、严寒期短等特点。根据气象部门长年观测资料统计，本区多年平均气温 16.4～18.2℃，最低为-9℃，最高可达40℃左右，日平均最高气温38.1 ℃，日平均最低气温0.4℃。一年之中，1月最冷，月平均气温一般为 4～7℃;7月最热，月平均气温为27～30℃。平均风速为2.2m/s，最大风速为20m/s，风向随季节变化，冬季多为西北风，夏季多为东南风。该地区属于典型的夏热冬冷地区。
根据《长沙市可再生资源分析评估报告》，长沙市湖泊水深小于5米的浅水湖泊水温易受当地气象条件的影响，全年出现较大幅度的波动，但最低水温一般不低于4℃，最高水温一般不会超过33℃。
2、浅地表水源热泵形式对比
浅地表水源热泵形式一般分为开式系统、闭式系统。其中，开式系统是直接从浅地表水源底部抽水，通过板式换热器与循环介质进行热量交换，并将换热后的水排至浅地表水源的方式。而闭式系统，则是在水下安装换热盘管，将循环介质通过环路分水器送入封闭式换热盘管，与水源直接进行热交换，并通过环路集水器收集后送入循环泵的方式。
采用闭式水源热泵，由于换热盘管为封闭系统，不需要进行过多水质处理，水泵扬程较低，不会引起地表水源的富营养化，对于水质较差的地表水源较适宜。
但是，由于不存在取水排水，水体不存在流动，需要敷设盘管的范围较大，盘管较长，管路阻力较大，施工复杂。由于水体中密布盘管，水体也难以用于其他功用。特别是对于浅表水景，可能会影响水景观感，一般不适用于兼作景观等用途的地表水源。
采用开式水源热泵，需要考虑从水源底部取水，排水需距取水点有一定距离，通过取排水位置的优化保证水体的流动，从而提高换热效率。地表水一般不宜直接进入制冷机组，需要进行净化处理后采用板式换热器与循环介质进行热交换。为了防止化学处理方式污染水源，一般采用的净化方式应为物流方式，比如采用旋流除砂器除去水中颗粒物，再通过综合水处理器进行杀菌灭藻和过滤。
采用开式系统，结构简单，施工方便。另外，需要在水源端设取水构造物，水质处理很重要，需要定期进行管道清理，排水端与取水端距离需要较远，须设置中间换热器，有1℃左右温差损失。
但对于城市项目来说，大多水源需要作为水景等多种用途，采用开式系统符合大多数建筑的基本要求。因此，本文主要对开式水源热泵进行分析和说明。
3、地表水源蓄热蓄冷量分析
3.1地表水源热交换分析
理论分析中可忽略水体雨水及排水对地表水源量的影响，地表水源的得热量及散热量主要有太阳辐射得热φsr、大气辐射射得热φar、水体发出的长波辐射散热φwr、水面的对流散热φc、水表面蒸发散热φe、地表水源与岩土的换热φg。
空气与水直接接触时，水表面形成的饱和空气边界层与主流空气之间通过分子扩散和紊流扩散，使边界层的饱和空气与主流空气不断混掺，从而使主流空气状态发生变化。因此，空气与水的热湿交换过程可以视为主流空气与边界层空气不断混合的过程。夏冬季，可能出现的地表水源与空气的热交换情况有以下三种。
1）水温高于空气湿球温度而低于空气干球温度，发生如下图所示的A-5过程。此时由于tw
2）水温等于空气干球温度时，发生A-6过程。此时由于tw=tA，pq6>pqA，说明不发生显热交换，空气状态变化过程为等温加湿。散热全部依靠部分地表水源蒸发带走热量。
3）水温高于空气干球温度时，发生A-7过程。此时由于tw>tA，pq7>pqA，空气被加热和加湿。散热依靠部分地表水源蒸发和与空气之间的温差传热。
从以上分析可以看出，在最炎热的夏季中一段时间，地表水源白天从空气中吸收热量，晚上则向空气释放热量;最寒冷的冬季某些时间段，由于气温低，地表水源无论白天或晚上都向空气中释放热量，对以地表水源供热来说，是很不利的。
3.2冬季地表水源蓄热分析
根据国家标准《地表水環境质量标准》（GB3838-2002），人为造成的环境水温变化应限制在：周平均最大温降≤2℃。
按照夏热冬冷地区大多数民用建筑的运行规律，假设热泵机组每天峰值负荷运行8小时左右。
（1）地表水源的计算温度
地表水源平均温度按8℃计算。
（2）运行30天地表水源允许达到的极限温度
运行30天地表水源允许达到的极限温度为5℃。
（3）地表水源提供的热量
假设某地表水源面积为10000平方米，平均深度1m左右区域的地表水源参加换热，有效的换热地表水源体积约10000立方米。
由热平衡关系式：
Qk3600*30*8=ρVCp△t=ρSHCP△t
Qk=1000*10000*4.2*3/（3600*30*8）=146kW
（4）制热量
蒸发器需提供的热量全由地表水源提供，将导致地表水源温度降低。水源热泵系统（热源来自浅地表水源）运行时的COP一般在3.8左右。以COP=3.8为例进行计算分析，则地表水源提供的热量QK=制热量Q0*（1-1/3.8）。
参照制热量Q01=146/（1-1/3.8）=196kW
3.3夏季地表水源能量分析
根据国家标准《地表水环境质量标准》（GB3838-2002），人为造成的环境水温变化应限制在：周平均最大温降≤1℃。
同样假设热泵机组每天峰值负荷运行8小时左右。
（1）地表水源的计算温度
地表水源平均温度按26℃计算。
（2）运行30天地表水源允许达到的极限温度
运行30天地表水源允许达到的极限温度为32℃。
（3）地表水源提供的热量
假设某地表水源面积为10000平方米，平均深度1m左右区域的地表水源参加换热，有效的换热地表水源体积约10000立方米。
由热平衡关系式：
Qk3600*30*8=ρVCp△t=ρSHCP△t
Qk=1000*10000*4.2*6/（3600*30*8）=292kW
（4）制冷量
冷凝器产生的热量全部排入地表水源，导致地表水源温度升高。水源热泵系统（冷源来自浅地表水源）运行时的COP一般在4.2范围内，以COP=4.2为例进行计算分析，则排入地表水源的热量Qk=制冷量Q0 （1+1/4.2）。
参照制冷量Q02=729/（1+1/4.2）=235kW
4、水源热泵快速判断方法
由以上分析可知，对于基于地表水源的开式水源热源空调系统，冬季制热量和夏季制冷量与地表水源的深度、面积有较大关系。
地表水源在未考虑夜间水源换热的情况下，按照假设条件，水源平均深度1m，水体面积10000平方米，每天空调系统以峰值运行8小时，能至少满足空调系统在冬季按照196kW的满负荷运行30天，在夏季按照235kW的满负荷运行30天。
4.1判断方法
按照实际地表水源的平均深度为A（单位为m），满足平均深度A的水源面积为B（单位为万㎡）。
在冬季，实际项目的开式水源热泵空调系统的制热量：
Qr =参照制热量Q01*A*B=196*A*B
在夏季，实际项目的开式水源热泵空调系统的制冷量：
Ql=参照制冷量Q01*A*B=235*A*B
4.2案例说明
某项目景观湖湖泊面积约5万㎡，地表水源平均水深3.5m。地表水源热泵取水口设置在湖底最深处，回水口设置在一般水深区，水泵的取水口与回水口的位置相隔一定的距离。
按照上述判断方法，可得出如下成果：
冬季制热量Qr =参照制热量
Q01*A*B=196*3.5*5=3430kW
夏季制冷量Ql=参照制冷量
Q01*A*B=235*3.5*5=4112kW
本项目中，未考虑夜间水源换热的情况下，按照假设条件，地表水源平均深度3.5m，水体面积5万平方米，每天空调系统以峰值运行8小时，能至少满足空调系统在冬季按照3430kW的热负荷满负荷运行30天，在夏季按照4112kW的冷负荷满负荷运行30天。
实际上，具体项目的空调系统每天满负荷运行时间低于8小时，因此应根据实际项目条件进行调整换算。
结语：
浅地表开式水源热泵空调系统，以地表水为冷热源，不消耗水资源，节省了锅炉房及附属储油间、冷却塔等设施，机房面积小于传统空调系统，更有利于建筑的美观，也不影响水源用于景观展示等其它用途。此外，水源热泵系统全程无燃烧过程，避免了排烟、排污等污染，避免产生城市热岛效应及雾霾问题。
本文以长沙为代表，对夏热冬冷地区的浅地表水源热泵的形式进行了对比分析，并出具了一个简单判断方法，用于判断浅地表水源是否适合采用开式水源热泵空调系统，从而帮助工程人员在项目初期快速判断是否可以采用水源热泵空调系统，利于清洁能源的推广。
作者簡介：
李星亮（1989-），男，瑶族，湖南永州，本科，工程师，主要从事暖通设计和BIM技术研究推广工作。
