地下水水源热泵区域供热供冷系统的设计

王 绍 瑞

(新疆建筑设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830002)



·水·暖·电·

地下水水源热泵区域供热供冷系统的设计

王 绍 瑞

(新疆建筑设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830002)

根据吐鲁番地区的气候特征和区域供热供冷特点，在地下水取水、回灌、水温和水量获得保证的条件下，在设计上采取了一系列提高系统能效的措施，包括尽量缩小水源热泵系统的作用半径，并采用高效循环泵，控制输送水泵的耗电输热比；选择水源侧大温差且高效的热泵机组，优化机组设计参数等，实施方案在注重节能效益的同时也使系统的经济性有所提高。

地下水水源热泵，区域供热供冷，系统能效

吐鲁番市新区位于吐鲁番市老城区东部，新老城区相距5 km。新区总建筑面积150万m2，于2008年启动建设。新区总体规划设计确定了以可再生能源应用示范作为建设的主导方针，并根据当地资源条件情况，明确了以太阳能、浅层地热能为核心的应用发展方向。为此，实施了大规模建筑屋面光伏发电、太阳能生活热水系统的建设。在总体规划的基础上，中国建筑科学研究院完成了可再生能源供热供冷规划方案的制定。根据新疆水力水电勘测设计研究院地质勘察研究所提供的水文地质测试实验报告结果及岩土热物性参数测试结果，新区可再生能源供热供冷规划方案对浅层地热能资源条件及应用方式做了较为详尽的论证，对可供选择的地下水源热泵和土壤源热泵应用方案做了技术、经济对比，并进一步明确了以地下水水源热泵为主要应用的指导原则。方案对区域供热供冷的技术形式、优点也做了充分的分析和介绍。方案对新区供热供冷实施方案的确定起到了极为重要的指导作用。新区居住示范区建筑面积66.5万m2，最终确定以地下水水源热泵区域供热供冷系统作为实施方案。本文将对实施方案中采取的提高系统能效的措施进行介绍。

1 居住示范区气象特点及建筑概况

1)气象特点。吐鲁番夏季炎热干燥，35 ℃以上气温可持续165 d，40 ℃以上气温可达50 d，素有“火州”之称。该地区夏季空调室外计算干球温度为40.3 ℃，湿球温度为24.2 ℃，冬季供暖室外计算干球温度为-12.6 ℃，供暖天数118 d，供暖期平均温度-3.4 ℃。2)建筑概况。居住示范区划分为A～E五个区块，总建筑面积66.5万m2，其中住宅面积占89%，小型商业、学校、幼儿园等面积仅占11%。住宅均为4层单元式，公建层数为2层～4层。吐鲁番夏季炎热，有供冷需求；冬季寒冷，有供暖需求。建筑供暖平均热指标50 W/m2，供冷平均冷指标65 W/m2。根据供冷供暖需求，新区建筑普遍采用以风机盘管为末端的空调供冷供暖方式。

2 提高区域供热供冷系统能效的措施

2.1 冷热源站规模及作用半径的确定

吐鲁番新区居住示范区采用地下水水源热泵区域供热供冷系统。地下水水源热泵系统不同于其他常规冷热源方式，含有水源侧和用户侧两个输送系统，两个输送系统的能耗都不可忽视。

居住示范区地下水静水位埋深在80 m～100 m，设计动水位降为5 m。如此深的地下水位必将加大水源侧的输送能耗，从而影响热泵系统的综合能效。为了抵消地下水埋深给系统综合能效带来的影响，有必要在系统作用半径和热泵机组能效方面采取补救措施。按新区总体规划设计，居住区的冷热源站是结合区块内公建来设置的，但实际上在开工建设阶段，住宅是先期建设完成的，公建作为后期建设项目。为保证住宅能够按期供热供冷，冷热源站也必须在公建建设之前建成并投入运行，这样，冷热源站需要重新选址。重新选址考虑了冷热源站土建及设备投资、用户侧及水源侧管网输配能耗、运行费用、水力平衡等因素，以尽量缩小系统作用半径为原则。经与当地规划部门充分沟通、密切合作，最终确定了四个站点，每个冷热源站作用半径不大于500 m。

各地块所设冷热源站服务面积为：A5地块站，14万m2；B7地块站，18万m2；E1地块站，16.5万m2；E2地块站，18万m2。冷热源站在各区块的布置情况见图1。

下面以容量最大、用户侧输送管网最长的B7地块冷热源站为例来看输配能耗情况：

B区块冷热源站供热负荷为Q=9 000 kW，用户侧供回水温差Δt=6 ℃，室外管网主干线总长度∑L=620m，系数A=0.005 4，系数α=0.008 78，则循环泵耗电输热比应为：EHR≤0.023 3。

水泵电机和传动部分的效率η=0.87，循环水泵轴功率应为：N≤0.023 3Qη，即N≤182 kW。

将冷热源站内部管路系统阻力控制在120 kPa以内，最不利用户内部系统阻力控制在50 kPa以内。将室外管网主干线单位长度综合平均阻力控制在100 Pa/m，则620 m长室外管网主干线阻力为124 kPa，系统总阻力为294 kPa。若考虑1.15的安全系数，系统总阻力则为340 kPa。该冷热源站采用设置三台热泵机组，三台用户侧循环水泵的配置，单台泵流量考虑1.15的富余，则单台水泵流量为495 m3/h，扬程为34 m。通过产品选型，确定单台泵参数为：流量500 m3/h，扬程35.6 m，轴功率56.8 kW，泵效率84.1%，电机功率75 kW。该泵效率高于GB 19762—2007清水离心泵能效限定值及节能评价值泵目标能效限定值81.7%的要求。三台循环泵轴功率之和为170.4 kW<182 kW，说明用户侧系统输送能效可满足《严寒和寒冷地区居住建筑节能标准》的要求。这一结果也说明将管路单位长度综合平均阻力控制在100 Pa/m是符合循环泵耗电输热比要求的，同时也是经济的。

居住示范区域内的地下水单井出水量为140 m3/h，静水位埋深为80 m，设计动水位85 m，水源侧输配管网比摩阻取100 Pa/m～200 Pa/m，经系统水力计算得抽水泵扬程为127 m，电机功率75 kW。

B区块冷热源站设计工况下需运行三台热泵机组、三台用户侧循环泵、五台水源侧抽水泵。热泵机组制冷总量为：3×2 750 kW，总功率为：3×406 kW；制热总量为：3×3 000 kW，总功率为：3×493 kW(热泵机组详细参数见下节介绍)。输配总功率为：3×75 kW+5×75 kW=600 kW。B区块冷热源站综合能效：制冷工况：COPs=4.53，制热工况COPs=4.33。由于将各冷热源站作用半径确定在500 m范围内，各站水源井也在各站作用半径范围之内按间距要求进行布置，因此水源侧输送管网的输送能耗也是较低的。这就保证了每个地下水水源热泵系统都具有较高的能效。

2.2 热泵机组设计工况的确定

新区水文地质勘察报告提供的地下水温度为18 ℃，这是较高的地下水温度，适合于在水源侧采用大温差、小流量设计方式。水源侧大温差是相对于热泵机组额定工况下5 ℃温差而言的，水源侧温差大于5 ℃即为大温差。水源侧大温差取热可以减少地下水用量，但同时也会降低热泵机组蒸发温度及能效，因此需要在地下水用量和热泵机组能效两者之间进行权衡。新区热泵系统水源侧采用大温差设计是必然的，问题是温差多大时才既省水又省电。下面以A区块冷热源站为例，说明热泵机组设计工况的确定。A区块设置三台热泵机组，要求单台制热量达到2 400 kW，并采用能效较高的离心式机组。用户侧供/回水温度：冬季按42 ℃/36 ℃，夏季按10 ℃/16 ℃；水源侧供水温度按18 ℃，回水温度：夏季按32 ℃，冬季分别按5 ℃和8 ℃两种工况来选型。冬季水源侧设定两种供回水温差，分别为13 ℃和10 ℃的大温差，以比较两种工况下，机组能效和地下水用量的差异。如表1所示是由特灵空调系统(中国)有限公司提供的两种工况下的离心式热泵机组性能参数。

表1 两种工况下的离心式热泵机组性能参数表

从表1中可以看出，两种工况下夏季地下水用量基本上未发生变化，这就意味着两种工况需要的抽水井、回灌井的数量是一样的，水源侧的初投资也是一样的。工况2冬季三台热泵机组满负荷运行时地下水用量比工况1减少126 m3/h。但工况2三台热泵机组满负荷运行时用电量比工况1增加了89.4 kW。

居住示范区域内的地下水单井出水量为140 m3/h，静水位埋深为80 m，设计动水位85 m，经系统水力计算得抽水泵扬程为127 m，电机功率75 kW。可见，工况2冬季虽然可以减少一台抽水泵用电，但冷热源站在满负荷运行时总体用电比工况1增加了(89.4-75)=14.4 kW。无论用工况1还是工况2，抽水井数量是一样的，只是工况2在冬季可以少用一口而已。冬季吐鲁番新区地下水量有充足的保证，而且地下岩土体渗透性较好，一抽二灌能确保回灌，采用工况1多用一口水井也仅为取热，不存在水资源浪费问题。在此种情况下，我们选择了对提高系统能效有利的工况1作为本项目热泵机组设计工况的参数，并作为机组配置要求。

冬季满负荷时，A区块三台热泵机组(供热量3×2 400 kW，电机功率3×394.3 kW)、三台用户循环泵(电机功率3×55 kW)、四台抽水泵(电机功率4×75 kW)投入运行，此时热源站的系统综合能效比COPs可达4.37，应该是较高的水平。我们对两台(组)热泵机组串联以实现水源侧大温差、小流量的应用方式也作了机组选型分析，热泵机组串联工况的性能参数见表2。

表2 热泵机组串联工况的性能参数表

A区块需要四台热泵机组，每两台串联再并联，四台热泵机组总功率：制热工况为1 288.6 kW，制冷工况为1 259.6 kW，与表1中工况1三台机组总功率相比，制冷工况多出105.7 kW，制热工况多出281.9 kW。地下水用量与表1中工况1相比，制冷工况减少72.3 m3/h，制热工况减少123 m3/h。综合比较，热泵机组串联方式地下水用量的减少有限，而机组能效降低较多。加之这种方式采用的机组台数以偶数为佳，本工程至少用四台，冷热源站占地面积和设备投资也有所增加。该方案在技术、经济方面均不如表1中的工况1，因而未采用。

2.3 其他节能措施概述

在居住示范区区域供热供冷实施方案设计中采取的其他节能措施如下：1)各冷热源站热泵机组总容量按冬季热负荷确定，夏季供冷同时使用系数为70%,以避免装机容量过大。2)用户侧管网各分支干管和建筑物热力入口处设置静态水力平衡阀，保证管网水力平衡。3)用户侧采取变流量控制措施。4)设置自动控制监测系统，各建筑热力入口处设有远传型冷热量计量装置，住宅户内设有温度面积法冷热量分摊装置，监控系统可对用户室温及用冷、用热量情况进行监测管理，并控制热泵机组运行台数和循环水泵台数及转速。

3 结语

吐鲁番市新区居住示范区地下水水源热泵区域供热供冷系统的设计采用了多项提高系统能效的措施，其中以控制系统作用半径和热泵机组选型为重点。系统作用半径控制在500 m以内，对减少用户侧和水源侧输送管网的输送能效大有裨益。采用能效比较高的离心式热泵机组，并在水源侧采用大温差设计，在减少地下水用量的同时又兼顾了机组能效。这两项措施为系统投入运行后减少运行电耗和运行费用奠定了基础。在保证供热供冷效果的前提下，冷热源站尽量少占用居住区土地面积，尽量节省土建投资和热泵设备投资，在注重节能效益的同时也使系统的经济性有所提高。

[1]JGJ 26—2010，严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准[S].

[2]GB/T 50801—2013，可再生能源建筑应用工程评价标准[S].

[3]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

On regional heat and cool supply system design at heat pump region of underground water resources

Wang Shaorui

(XinjiangArchitecturalDesignInstitute,Urumqi830002,China)

According to the climate features of Turpan and its regional heat and cool heat characteristics, the paper adopts a series of measures to improve the system’s energy efficiency in the aspect of design, including the reduction of functional radius of the water resource heat pump on the condition of underground water pumping, recharge, water temperature, and water volume, applies the effective circular pump, controls HER of pumping, selects water resource higher temperature difference and effective pump unit, and optimizes the unit design parameter, and indicates the scheme focuses on the energy-saving effect and improve the money-saving of the system.

underground water resource heat pump, regional heat and cool supply, system energy efficiency

1009-6825(2015)01-0119-03

2014-09-03

王绍瑞(1963- )，男，教授级高级工程师

TU991.11

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